馬鈴薯滴灌水肥一體化設(shè)計(jì)

榆林學(xué)院能源工程學(xué)院 黨學(xué)立 王雯

引言

馬鈴薯是我國的四大糧食作物之一，關(guān)系著我國的糧食生產(chǎn)安全。文獻(xiàn)[1]從選種、整地施肥、種薯處理、能機(jī)械播種、田間管理、病蟲害防治、收獲貯藏等方面總結(jié)了石薯1號(hào)馬鈴薯栽培技術(shù),以期節(jié)約資源、實(shí)現(xiàn)石薯1號(hào)馬鈴薯增產(chǎn)。文獻(xiàn)[2]介紹了水肥一體化技術(shù)具有節(jié)水、省肥的雙重功效，有著很好的推廣應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[3]描述了近五年水肥管理關(guān)鍵技術(shù)及單項(xiàng)農(nóng)藝栽培技術(shù)等研究結(jié)果，并結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了內(nèi)蒙古滴灌馬鈴薯水肥一體化技術(shù)規(guī)程。前述的馬鈴薯水肥一體化技術(shù)，雖然智能化水平提高不少，實(shí)現(xiàn)了水肥的一體化，但是需要人工過多的參與，因此還需要進(jìn)一步完善。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

馬鈴薯滴灌水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由單片機(jī)、含水量檢測電路、時(shí)鐘復(fù)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(bào)警電路構(gòu)成。時(shí)鐘復(fù)位電路：完成上電初始復(fù)位，及提供控制器的工作時(shí)鐘節(jié)拍；含水量檢測電路：實(shí)時(shí)檢測馬鈴薯土壤的濕度，并將檢測的水量數(shù)據(jù)傳輸給控制器，由控制器做進(jìn)一步的處理；肥料濃度檢測電路：實(shí)時(shí)檢測儲(chǔ)水罐的水肥溶液的濃度，以進(jìn)行科學(xué)的施肥管理；按鍵電路：系統(tǒng)上電時(shí)，由人工設(shè)置含水量，及水肥溶液的濃度，實(shí)現(xiàn)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(dá)到設(shè)置的濃度要求；加壓滴灌控制電路：驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)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(bào)警電路：提示人們注意安全，加壓放水工作即將啟動(dòng)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)械尺寸小；攜帶方便；電壓供電范圍大；后期處理方便的特點(diǎn)。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(gòu)成，其中，集成電路U1的型號(hào)為AT89C51,集成電路U2的型號(hào)為TLC2543。土壤濕度傳感器J3輸出土壤濕度的模擬電壓信號(hào)，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(jīng)過集成電路U2處理，變成數(shù)字的電平信號(hào)，通過集成電路U2的引腳16輸出，輸入到單片機(jī)的引腳15，由單片機(jī)做進(jìn)一步的處理，從而實(shí)現(xiàn)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(hào)為E-201-C，其具有低功耗、響應(yīng)時(shí)間短、工作溫度范圍寬、穩(wěn)定時(shí)間短、輸出方式靈活、檢測范圍為廣，可測量PH0～PH14。本設(shè)計(jì)的肥料濃度檢測電路是由連接器J4，集成電路U2,U1互連構(gòu)成，其中，肥料濃度信號(hào)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(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過集成電路U2處理，變成數(shù)字的電平信號(hào)，通過集成電路U2的引腳16輸出，輸入到單片機(jī)的引腳15，由單片機(jī)做進(jìn)一步的處理，繼而實(shí)現(xiàn)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(fù)位電路

單片機(jī)復(fù)位后，正常工作時(shí)需要恰當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘節(jié)拍。本設(shè)計(jì)的時(shí)鐘節(jié)拍由晶振電路產(chǎn)生，晶振電路是由無源晶振Y1,電容C1,C2相互連接構(gòu)成，無源晶振Y1接到單片機(jī)的引腳18,19，電容C1,C2的一端接地，另一端接到單片機(jī)的引腳18,19。本設(shè)計(jì)的復(fù)位電路是由兩部分構(gòu)成，一是上電復(fù)位，二是按鍵復(fù)位。上電復(fù)位由電阻R1,電容C3組成，系統(tǒng)加電，在單片機(jī)的引腳9產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，完成上電復(fù)位；按鍵復(fù)位，當(dāng)按鈕SW1按下，單片機(jī)的引腳9產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，完成系統(tǒng)復(fù)位；當(dāng)釋放按鈕SW1,單片機(jī)軟件系統(tǒng)開始正常工作。晶振復(fù)位電路如圖4所示。

圖4 晶振復(fù)位電路

2.4 按鍵及聲音報(bào)警電路

按鍵電路是由按鈕開關(guān)SW2,SW3,SW4,SW5，蜂鳴器LS1構(gòu)成。其中，四個(gè)開關(guān)的一端接地，另一端分別接單片機(jī)的引腳17,15,13,11；當(dāng)單片機(jī)的引腳檢測到單片機(jī)的引腳17,15,13,11為低電平值，則相應(yīng)的功能設(shè)置，或進(jìn)行設(shè)置土壤含水量值，或進(jìn)行設(shè)置肥料濃度值。當(dāng)啟動(dòng)水泵放水后，土壤的含水量達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音，提醒人們關(guān)掉水泵開關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)，為了增大驅(qū)動(dòng)能力，采用單片機(jī)的P1口的8位引腳驅(qū)動(dòng)。按鍵及聲音報(bào)警電路如圖5所示。

圖5 按鍵及聲音報(bào)警電路

3 主程序設(shè)計(jì)

馬鈴薯滴灌水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅需要硬件平臺(tái)，同時(shí)也需要軟件程序配合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。馬鈴薯滴灌水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件主程序包括上電初始化模塊、設(shè)置水肥的濃度、設(shè)置土壤的含水量、啟動(dòng)攪拌水肥、檢測土壤含水量、聲音報(bào)警提示、加壓放水啟動(dòng)、關(guān)掉水開關(guān)模塊構(gòu)成。本設(shè)計(jì)主要的實(shí)現(xiàn)流程如下：首先，系統(tǒng)加電，硬件上電復(fù)位，系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作；其次，設(shè)置水肥的濃度，程序等待從鍵盤輸入水肥的濃度設(shè)定值，當(dāng)鍵盤輸入后，程序流程進(jìn)行下一步；接著，設(shè)置土壤的含水量，程序等待從鍵盤輸入土壤的含水量設(shè)定值，當(dāng)鍵盤輸入土壤的含水量后，程序流程進(jìn)行下一步；接著，啟動(dòng)攪拌水肥，當(dāng)水肥濃度，土壤的含水量設(shè)定后，程序執(zhí)行水肥溶液的攪拌，已達(dá)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(jìn)行到下一步；接著，進(jìn)行檢測土壤含水量，程序配置采樣設(shè)置，啟動(dòng)采樣，判斷轉(zhuǎn)換的結(jié)束，讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果，輸入到控制器進(jìn)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(jìn)行到下一步；接著，進(jìn)行聲音報(bào)警提示，當(dāng)含水量不符合要求，則要進(jìn)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(jìn)行加壓放水，打開閥門開關(guān)，使水肥溶液經(jīng)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(dá)要求，沒有達(dá)標(biāo)，則等待，進(jìn)入循環(huán)，直到達(dá)標(biāo)為止。最后，進(jìn)行關(guān)掉水開關(guān)，完成滴灌。利用Proteus軟件[4]，結(jié)合keil C51軟件語言生成單片機(jī)執(zhí)行程序[5]，對(duì)整個(gè)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真工作。主程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 主程序設(shè)計(jì)流程圖

4 馬鈴薯滴灌效果比較

目前馬鈴薯滴灌系統(tǒng)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(jié)束，人工關(guān)閥門等。本文研究的馬鈴薯滴灌水肥一體化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測土壤的含水量，自動(dòng)檢測水肥溶液的濃度，無須人工開關(guān)閥門，從而節(jié)省了勞動(dòng)力，減少了人工成本，更經(jīng)濟(jì)；同時(shí)也能夠更加科學(xué)合理地種植作物，效率更高，作物的產(chǎn)量更高。馬鈴薯滴灌水肥一體化系統(tǒng)的,主控制器以單片機(jī)為核心，以含水量檢測電路、時(shí)鐘復(fù)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(bào)警電路為輔助電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬鈴薯土壤滴灌澆水與施肥。該設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，節(jié)省勞動(dòng)力，可用于含水量檢測與水肥溶液濃度檢測，同時(shí)也適用于電氣化與自動(dòng)化，測控技術(shù)與儀器等專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

5 結(jié)論