馬鈴薯滴灌水肥一體化設計

榆林學院能源工程學院 黨學立 王雯

引言

馬鈴薯是我國的四大糧食作物之一，關系著我國的糧食生產安全。文獻[1]從選種、整地施肥、種薯處理、能機械播種、田間管理、病蟲害防治、收獲貯藏等方面總結了石薯1號馬鈴薯栽培技術,以期節約資源、實現石薯1號馬鈴薯增產。文獻[2]介紹了水肥一體化技術具有節水、省肥的雙重功效，有著很好的推廣應用前景。文獻[3]描述了近五年水肥管理關鍵技術及單項農藝栽培技術等研究結果，并結合多年實踐經驗，形成了內蒙古滴灌馬鈴薯水肥一體化技術規程。前述的馬鈴薯水肥一體化技術，雖然智能化水平提高不少，實現了水肥的一體化，但是需要人工過多的參與，因此還需要進一步完善。

1 硬件系統結構

馬鈴薯滴灌水肥一體化系統設計是由單片機、含水量檢測電路、時鐘復位電路、肥料濃度檢測電路、按鍵電路、水肥攪拌控制電路、加壓滴灌控制電路、聲音報警電路構成。時鐘復位電路：完成上電初始復位，及提供控制器的工作時鐘節拍；含水量檢測電路：實時檢測馬鈴薯土壤的濕度，并將檢測的水量數據傳輸給控制器，由控制器做進一步的處理；肥料濃度檢測電路：實時檢測儲水罐的水肥溶液的濃度，以進行科學的施肥管理；按鍵電路：系統上電時，由人工設置含水量，及水肥溶液的濃度，實現不同作物給予不同的滴灌量；水肥攪拌控制電路：使水肥溶液混合均勻，以達到設置的濃度要求；加壓滴灌控制電路：驅動交流電機工作，加壓水肥溶液，通過管道，流入滴灌管，滲入土壤，完成作物的澆水及施肥；聲音報警電路：提示人們注意安全，加壓放水工作即將啟動。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2 硬件系統設計

2.1 含水量檢測電路

采用電容式土壤濕度傳感器，檢測土壤濕度，避免了電阻式傳感器極易被腐蝕的問題，增加了傳感器的工作壽命，其具有機械尺寸小；攜帶方便；電壓供電范圍大；后期處理方便的特點。含水量檢測電路是由電容式土壤濕度傳感器J3、集成電路U2、集成電路U1互連構成，其中，集成電路U1的型號為AT89C51,集成電路U2的型號為TLC2543。土壤濕度傳感器J3輸出土壤濕度的模擬電壓信號，輸入到集成電路U2的引腳1，集成電路U2是串行的ADC采樣芯片，經過集成電路U2處理，變成數字的電平信號，通過集成電路U2的引腳16輸出，輸入到單片機的引腳15，由單片機做進一步的處理，從而實現土壤含水量的檢測。土壤含水量檢測電路如圖2所示。

圖2 土壤含水量檢測電路

2.2 肥料濃度檢測電路

肥料濃度檢測采電路采用PH檢測采集傳感模塊，其型號為E-201-C，其具有低功耗、響應時間短、工作溫度范圍寬、穩定時間短、輸出方式靈活、檢測范圍為廣，可測量PH0～PH14。本設計的肥料濃度檢測電路是由連接器J4，集成電路U2,U1互連構成，其中，肥料濃度信號量從連接器J4的引腳3輸出，輸入到集成電路U2的引腳2，集成電路U2實現模數轉換，經過集成電路U2處理，變成數字的電平信號，通過集成電路U2的引腳16輸出，輸入到單片機的引腳15，由單片機做進一步的處理，繼而實現肥料濃度的檢測。肥料濃度檢測電路如圖3所示。

圖3 肥料濃度檢測電路

2.3 晶振復位電路

單片機復位后，正常工作時需要恰當的時鐘節拍。本設計的時鐘節拍由晶振電路產生，晶振電路是由無源晶振Y1,電容C1,C2相互連接構成，無源晶振Y1接到單片機的引腳18,19，電容C1,C2的一端接地，另一端接到單片機的引腳18,19。本設計的復位電路是由兩部分構成，一是上電復位，二是按鍵復位。上電復位由電阻R1,電容C3組成，系統加電，在單片機的引腳9產生一個高電平脈沖，完成上電復位；按鍵復位，當按鈕SW1按下，單片機的引腳9產生一個高電平脈沖，完成系統復位；當釋放按鈕SW1,單片機軟件系統開始正常工作。晶振復位電路如圖4所示。

圖4 晶振復位電路

2.4 按鍵及聲音報警電路

按鍵電路是由按鈕開關SW2,SW3,SW4,SW5，蜂鳴器LS1構成。其中，四個開關的一端接地，另一端分別接單片機的引腳17,15,13,11；當單片機的引腳檢測到單片機的引腳17,15,13,11為低電平值，則相應的功能設置，或進行設置土壤含水量值，或進行設置肥料濃度值。當啟動水泵放水后，土壤的含水量達到設定的值時，單片機將驅動蜂鳴器發出聲音，提醒人們關掉水泵開關，設計時，為了增大驅動能力，采用單片機的P1口的8位引腳驅動。按鍵及聲音報警電路如圖5所示。

圖5 按鍵及聲音報警電路

3 主程序設計

馬鈴薯滴灌水肥一體化系統設計不僅需要硬件平臺，同時也需要軟件程序配合來實現系統的功能。馬鈴薯滴灌水肥一體化系統設計軟件主程序包括上電初始化模塊、設置水肥的濃度、設置土壤的含水量、啟動攪拌水肥、檢測土壤含水量、聲音報警提示、加壓放水啟動、關掉水開關模塊構成。本設計主要的實現流程如下：首先，系統加電，硬件上電復位，系統進行初始化工作；其次，設置水肥的濃度，程序等待從鍵盤輸入水肥的濃度設定值，當鍵盤輸入后，程序流程進行下一步；接著，設置土壤的含水量，程序等待從鍵盤輸入土壤的含水量設定值，當鍵盤輸入土壤的含水量后，程序流程進行下一步；接著，啟動攪拌水肥，當水肥濃度，土壤的含水量設定后，程序執行水肥溶液的攪拌，已達到混合均勻，判斷濃度是否符合要求，不滿足處于等待，否則，進行到下一步；接著，進行檢測土壤含水量，程序配置采樣設置，啟動采樣，判斷轉換的結束，讀取轉換的結果，輸入到控制器進一步處理，判斷含水量是否符合要求，不滿足處于等待，否則，進行到下一步；接著，進行聲音報警提示，當含水量不符合要求，則要進行灌水操作，灌水操作前，做出聲音提示，警示人們注意安全；再次，進行加壓放水，打開閥門開關，使水肥溶液經管道輸出到馬鈴薯土壤中；再次，檢測土壤含水量，判斷土壤的含水量是是否到達要求，沒有達標，則等待，進入循環，直到達標為止。最后，進行關掉水開關，完成滴灌。利用Proteus軟件[4]，結合keil C51軟件語言生成單片機執行程序[5]，對整個軟硬件系統進行仿真工作。主程序設計流程如圖6所示。

圖6 主程序設計流程圖

4 馬鈴薯滴灌效果比較

目前馬鈴薯滴灌系統多采用人工方式：人工打開水閥門；人工打開加電；人工往施肥管里裝化肥；灌溉結束，人工關閥門等。本文研究的馬鈴薯滴灌水肥一體化系統，可實現自動檢測土壤的含水量，自動檢測水肥溶液的濃度，無須人工開關閥門，從而節省了勞動力，減少了人工成本，更經濟；同時也能夠更加科學合理地種植作物，效率更高，作物的產量更高。馬鈴薯滴灌水肥一體化系統的,主控制器以單片機為核心，以含水量檢測電路、時鐘復位電路、肥料濃度檢測電路、按鍵電路、水肥攪拌控制電路、加壓滴灌控制電路、聲音報警電路為輔助電路，實現了對馬鈴薯土壤滴灌澆水與施肥。該設計性能穩定，自動化程度高，節省勞動力，可用于含水量檢測與水肥溶液濃度檢測，同時也適用于電氣化與自動化，測控技術與儀器等專業學生的實驗教學。

5 結論