工廠化育苗溫室噴淋設(shè)備控制系統(tǒng)的研制

劉偉

摘要：工廠化育苗溫室噴淋設(shè)備的控制系統(tǒng)多采用有觸電開(kāi)關(guān)，極易出現(xiàn)短路和漏電現(xiàn)象。為避免此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種采用密封和安全電壓供電的控制系統(tǒng)，介紹電路的設(shè)計(jì)和器件的選用，以及電氣部件的防水處理措施，為提高系統(tǒng)的安全性提供參考。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；噴淋設(shè)備；設(shè)計(jì)；電路；電氣部件

中圖分類號(hào)：S224.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）11-0033-04

我國(guó)農(nóng)業(yè)正處在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整階段，種植業(yè)逐漸向規(guī)模化、機(jī)械化方向發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)育苗向工廠化方向發(fā)展。苗木培育要實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，必須借助農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)。在工廠化育苗生產(chǎn)中，噴淋具有保持土壤和空氣濕度、降溫、調(diào)節(jié)小氣候的作用，利于苗木生長(zhǎng)。育苗大棚依靠人工淋水，存在淋水不均、浪費(fèi)水源、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，不能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展，需要采用自動(dòng)化模式。育苗溫室空間相對(duì)封閉，棚內(nèi)溫度高、濕度大，結(jié)露現(xiàn)象普遍。目前，噴淋車控制系統(tǒng)多采用有觸電開(kāi)關(guān)，極易因結(jié)露而出現(xiàn)短路和漏電現(xiàn)象；同時(shí)，高溫、高濕環(huán)境極易造成金屬器件銹蝕，降低控制系統(tǒng)的壽命和可靠性。為此，介紹一種全部采用密封和安全電壓供電的設(shè)計(jì)，旨在提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 自走式噴淋車控制原理

自走式噴淋車由電機(jī)、減速機(jī)、行走輪、車體、噴淋系統(tǒng)和電控箱等組成。自走式噴淋車兩側(cè)的行走輪安裝在軌道上，由軌道承擔(dān)其負(fù)重；行走輪與減速機(jī)連接，靠減速機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；減速機(jī)與電機(jī)直聯(lián)，并全部安裝在車體上，與車體成一整體，通過(guò)電機(jī)—減速機(jī)—行走輪帶動(dòng)車體移動(dòng)。車體上裝有噴淋系統(tǒng)，通過(guò)車體運(yùn)動(dòng)完成苗木噴淋工作。電動(dòng)機(jī)由遙控器控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)噴淋車向前或向后行走。在軌道兩端裝有接近開(kāi)關(guān)，用以實(shí)現(xiàn)噴淋車往返運(yùn)動(dòng)和確保噴淋車運(yùn)行安全。

2 自動(dòng)往復(fù)部分的電力設(shè)計(jì)

2.1 遙控電路

為追求低成本、高可靠、易維修，選用一款應(yīng)用十分普遍的專用無(wú)線電發(fā)射與接收模塊制作雙通道無(wú)線電遙控電路。它能獨(dú)立控制設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉，而且電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。

遙控發(fā)射電路和接收電路市場(chǎng)均有出售。發(fā)射電路由TWH9236及少量分立件構(gòu)成；接收?qǐng)?zhí)行電路由遙控接收模塊TWH9238、數(shù)字電路CD4069及少量分立元件組成。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

A，B，C，D為數(shù)據(jù)輸出端，輸出電平與發(fā)射器上的4個(gè)接鍵一一對(duì)應(yīng)。未按健時(shí)，A-D數(shù)據(jù)輸出端均為低電平。當(dāng)按下一個(gè)鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端輸出高電平，其余各輸出端均為低電平。現(xiàn)假設(shè)按下發(fā)射器“A”鍵，對(duì)應(yīng)的A端輸出高電平，驅(qū)動(dòng)后端電路執(zhí)行動(dòng)作。本機(jī)采用6 V直流電壓供電。整機(jī)遙控發(fā)射裝置采用廣東中山達(dá)華電子廠生產(chǎn)的配套TWH9236與TWH9238發(fā)射與接收模塊，其中無(wú)線電發(fā)射模塊加工成匙扣式，正面有按鍵，右上角有一個(gè)發(fā)光二極管用來(lái)指示按鍵；接收模塊采用塑殼封裝。

2.2 主控制電路

主控制電路采用價(jià)格極低的555時(shí)基集成電路組成斯密特觸發(fā)電路，具有線路簡(jiǎn)潔、動(dòng)作可靠、輸出電流大、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。NE555是一種應(yīng)用廣泛的8腳時(shí)基集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，各集成塊引腳如圖2所示。

在圖2中，各腳的主要功能為：1地GND；2觸發(fā)；3輸出；4復(fù)位；5控制電壓；6門限（閾值）；7放電；8電源電壓Vcc。

NE555時(shí)基集成電路應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)應(yīng)用和工作方式可分為3類，分別為單穩(wěn)類、雙穩(wěn)類及無(wú)穩(wěn)類。單穩(wěn)類主要用于定延時(shí)、消抖動(dòng)、分（倍）頻、脈沖輸出、速率檢測(cè)等。、雙穩(wěn)類主要用于比較器、鎖存器、反相器、方波輸出及整形等。無(wú)穩(wěn)類主要用于方波輸出、電源變換、音響報(bào)警、玩具、電控測(cè)量、定時(shí)等。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用由NE555時(shí)基集成電路構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)電路中典型的斯密特觸發(fā)電路，其構(gòu)成特點(diǎn)如圖3所示。電路具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

在圖4中：IN為信號(hào)輸入端，接光電開(kāi)關(guān)和遙控器運(yùn)行輸出端；OUT為信號(hào)輸出端，接電機(jī)運(yùn)行控制電路輸入端；電路剛通電時(shí)，由于C1的存在， IC（555）的6腳獲得一正脈沖，其3腳輸出低電平，此時(shí)C2上無(wú)電壓；IN端輸入高電平時(shí)，Q導(dǎo)通，由于C2上低電平作用于IC的2腳，3腳翻轉(zhuǎn)為高電平，并通過(guò)R3對(duì)C2充電；IN端輸入高電平消失后，Q截止，C2充電到Vcc，而IC的2和6腳被R1和R2偏置于1/2Vcc，3腳高電平狀態(tài)保持不變；IN端再次輸入高電平，Q再次導(dǎo)通，C2上電壓使IC的6腳電壓大于2/3Vcc，3腳又翻轉(zhuǎn)為低電平；IN端輸入高電平消失后，Q截止，C2上電壓通過(guò)R3及IC的3腳放電，2腳和6腳的電壓仍為1/2Vcc，3腳低電平狀態(tài)維持不變。

由此可見(jiàn)，每按一次操作鍵，IC的3腳的高、低電平就變換1次，對(duì)應(yīng)的灑水車運(yùn)動(dòng)方向改變1次。

2.3 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路

電機(jī)控制采用三相交流固態(tài)繼電器，其輸入端接主控制電路輸出端OUT（控制電路圖如圖5所示）。當(dāng)主控電路輸出低電平時(shí)，Q截止，三相交流固態(tài)繼電器正轉(zhuǎn)端高電平，電機(jī)正傳；主控電路輸出高電平時(shí)，Q導(dǎo)通，三相交流固態(tài)繼電器反轉(zhuǎn)端高電平，電機(jī)反傳。如此操作，可實(shí)現(xiàn)灑水車前進(jìn)和后退。

三相交流固態(tài)繼電器的參數(shù)如下：

控制電壓：3—32 V（DC）；

控制電流：10～68 mA（DC）；

通態(tài)漏電流：≤10 mA；

通態(tài)降壓：≤2V（AC）；

斷態(tài)時(shí)間：≤10 ms。

三相交流固態(tài)繼電器的特性為：雙向可控硅輸出，模塊內(nèi)設(shè)置硬件和軟件互鎖；輸入回路和輸出回路之間是光隔離；紅、綠發(fā)光二極管指示正、反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)；內(nèi)置阻容吸收回路；輸入端和輸出端之間隔離耐壓≥2 500 V；性價(jià)比較高，應(yīng)用廣泛。

三相交流固態(tài)繼電器控制回路與強(qiáng)電回路徹底分離，安全性強(qiáng)，且其無(wú)觸點(diǎn)控制電機(jī)，不存在因濕度大而漏電的現(xiàn)象。

2.4 光電開(kāi)關(guān)

本設(shè)計(jì)利用光電開(kāi)關(guān)控制行程。對(duì)射型光電開(kāi)關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，其工作原理是：發(fā)射器發(fā)出的光線直接照射接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間時(shí)，光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。

在噴淋車軌道2端點(diǎn)設(shè)置不透明物體，當(dāng)噴淋車光電開(kāi)關(guān)進(jìn)入時(shí)，隔斷光線照射，光電開(kāi)關(guān)接收端輸出一個(gè)高電平送入主控電路IN端，使主控電路輸出翻轉(zhuǎn)一次，噴淋車往回運(yùn)行。光電開(kāi)關(guān)工作時(shí)，發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，光束是經(jīng)過(guò)調(diào)制的，通過(guò)半導(dǎo)體光源發(fā)光，不間斷地發(fā)射或者改變脈沖寬度。接收器由光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。其后面是檢測(cè)電路，能濾出有效信號(hào)，并據(jù)此判斷是否有遮斷，避免外界光線干擾。光電開(kāi)關(guān)可在野外或有灰塵的環(huán)境中使用，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.5 運(yùn)行電路

出于安全原因設(shè)計(jì)了運(yùn)行電路，保證噴淋車在待機(jī)狀態(tài)時(shí)車體無(wú)電壓，電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

未按下遙控器的停止鈕時(shí)（機(jī)器控制板停止鈕K也沒(méi)有按壓），SCR1不導(dǎo)通，電路Vcc沒(méi)有輸出，整機(jī)控制部分沒(méi)有得電，不工作。按壓遙控器停止鈕（機(jī)器控制板停止鈕K按壓），控制器輸入端高電平通過(guò)R2或V+電壓經(jīng)R1，K，VD1為SCR1提供觸發(fā)電流使其導(dǎo)通，向整機(jī)提供Vcc。由于電容兩端的電壓不能突變，因而SCR2在控制器輸入端高電平或按下K時(shí)不導(dǎo)通，電流經(jīng)R4，VD2向C充電。控制輸入端再次輸入高電平或再次按下K時(shí)，電容C上的電壓為SCR2的觸發(fā)電壓，使SCR2導(dǎo)通，SCR1的陽(yáng)極電壓降低，SCR1截止，停止供電。電容C通過(guò)R3，SCR2的控制極、陰極進(jìn)行放電，電路恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。如此操作，使遙控器實(shí)現(xiàn)一鍵開(kāi)機(jī)和一鍵停機(jī)。

3 電氣安全措施

考慮到溫室大棚內(nèi)的高溫、高濕環(huán)境極易造成結(jié)露，故電氣設(shè)計(jì)為強(qiáng)電防水，不僅電路設(shè)計(jì)和器件選用強(qiáng)調(diào)防水，電氣部件也做防水處理。其中：電機(jī)做密封處理；增加強(qiáng)制冷卻設(shè)計(jì)；整機(jī)電控部分采用固態(tài)繼電器；電控板采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝；所有控制觸點(diǎn)采用接近式開(kāi)關(guān)，并做防水處理。通過(guò)上述處理，確保電氣部分安全可靠參考文獻(xiàn)

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Abstract： Rainmaker control system of industrialized seedling production usually with electric shock switch， short circuit and leaky is easy to occur in it. In order to avoid this phenomenon， a kind of sealed and safe voltage power supply control system was designed. This paper introduced the circuit design， device selection and waterproofing treatment measures for electrical components， which provided reference for improving the security of the system.

Key words： control system； rainmaker； design； circuit； electrical components