基于單片機控制的節水噴灌裝置的設計與模擬

李 洋

(河北科技大學(承德油專校區)機械工程系，河北 承德 067000)

傳統搖臂噴頭裝置噴頭仰角不能調節，其通過水流沖擊產生動力帶動噴頭旋轉，不但需較大水壓，而且噴灌范圍隨水壓變化難以精確控制，一般僅適用于灌溉圓形草坪。當噴灌非圓形狀草坪時，不能有效灌溉草坪邊角，且極易噴射到草坪外，造成水資源浪費。本文所述基于單片機控制的新型噴灌裝置，通過MCS-51單片機驅動兩個步進電機對旋轉噴頭的旋轉速度和俯仰角度進行控制，使水流精確噴射圓形和非圓形狀草坪，克服了傳統搖臂噴頭裝置灌溉圖形的局限性和水利用率低的缺點。

1 設計方案

1.1 機械傳動結構

機械傳動結構如圖1示，能實現搖臂1繞固定支架11的整周轉動和繞A處的俯仰擺動。

機械傳動結構包括齒輪傳動和平行四邊形機構。齒輪傳動中，大齒輪6固聯在固定支架11上，小齒輪8為行星齒輪，控制旋轉步進電機9帶動小齒輪8轉動時，可動支架4繞固定支架11同步旋轉，實現搖臂1及與其固聯的位于搖臂1端部的主噴頭2、副噴頭組3繞固定支架11的整周轉動動作。平行四邊形機構ABCD中，主動件搖桿CD的上下擺動由控制俯仰步進電機5轉動實現;再通過連桿BC帶動AB桿(即搖臂1)同步上下擺動，從而實現主噴頭2及副噴頭組3繞A處的俯仰擺動。

1.2 電氣控制結構

1.2.1 硬件設計

電路部分由MCS-51單片機最小系統和兩個步進電機驅動組成，如圖2所示。左側部分為單片機最小系統電路，其結構包括CPU、片內振蕩器、時鐘電路、程序存儲器等，單片機的P1和P3接口分別接入驅動器電路，然后連接到步進電機端口。

1.2.2 程序設計

裝置控制部分程序思路為:單片機的P0口和P3口對應輸出定義執行數組，將旋轉和俯仰的函數程序轉換為電平信號后輸出到驅動電路，使得驅動芯片輸出規律的電壓和電流信號，驅動兩個步進電機，帶動機械傳動機構執行旋轉和俯仰的命令完成機械動作。

以噴灌正方形草坪為例，從RS232接口輸入正方形程序，程序框圖如圖3所示。打開電源開關，程序設定的脈沖關系轉換為電平信號后控制兩個步進電機，配合完成精確噴灌正方形草坪的動作。同理，從RS232接口輸入不同的程序，通過搖臂的俯仰和旋轉的機械動作，可實現其它形狀草坪的精確噴灌。

為避免水管和線路的纏繞問題，程序進行了防纏繞設計，使控制旋轉步進電機繞輪盤的轉動每360°變換一次方向，且在這360°的運行中元件箱勻速轉動。

2 裝置效果模擬

該設計的模擬裝置主要部件包括太陽能電池板、元件箱、傳動機構、噴頭、底座等，如圖4所示。連接部位主要采用螺紋連接和固熔膠固定。齒輪模數取0.5。由于承德市緯度為41°，太陽能電池板傾角設置為61°，以確保足夠的平均受光功率。太陽能電池板電源引線連接鋰電池后接入MCS-51單片機最小系統電源接孔。

副噴頭組在主噴頭下方同一豎直平面內排列成一列，其位置和角度經過多次調試，最終定位后達到主噴頭和副噴頭組水流從草坪邊界向里均勻分布無重疊的效果。考慮裝置外觀對環境美觀帶來的影響，改進時元件箱外觀將采用與景觀相搭配的卡通型(海豚造型)設計。

3 實測效果模擬

為了檢驗實際效果，進行了多次噴灑測試，噴灌了60 cm×60 cm的正方形，得到的噴灌實景如圖5所示。測得主噴頭水流落點的實際偏差為0～3 cm，在四個頂點處有較小的圓角。同時進行了其他圖形的擴展測試。以正六邊形為例，經RS232接口寫入正六邊形程序，噴灌了邊長為50 cm的正六邊形，效果如圖6所示，測得主噴頭水流落點的實際偏差為0～2 cm，在六個頂點處仍有較小的圓角。

噴灑效果計算以正方形草坪為例，令噴灑在草坪內的面積為有效噴灑面積，有效噴灑面積與總噴灑面積的比值為水的利用效率。按最大實際偏差估算，水的利用效率為91.3%，而普通搖臂噴頭裝置在噴灑相同形狀草坪時，水的利用效率為80%左右，因此，該裝置水的利用率明顯提高，達到預期效果，基本實現了精確噴灌多種形狀草坪的的設計目標。

4 結論

該裝置不僅能實現精確噴灌方形草坪，改變程序后還可以實現復雜形狀草坪的精確噴灌。多個裝置組合使用，適用范圍更廣。同時，裝置采用太陽能供電，節能且節水，具有較強的實用性。

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