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信号大作业设计报告精确控制的自动灌溉系统摘要： 当今社会水资源短缺，而灌溉又是一件需要用水的重要行业。本文侧重研究设计大面积自动浇灌系统。通过对待浇灌土地温度、湿度、和管道流量监测，达到较为精确的滴灌控制。该自动浇灌系统分为流量测量系统、温度测量系统、湿度测量系统、控制系统、灌溉系统。其中重点对前三个传感器系统进行介绍。关键词：自动浇灌 温度 湿度 管道流量1. 系统功能描述 该自动浇灌系统用于实现大面积的农业灌溉。众所周知，如今大量使用得的灌溉技术大致有漫灌、喷灌、滴灌，其中以漫灌水资源利用率最低而滴灌最高。我国大部分应用漫灌和喷灌，这对于我国水资源缺乏的国情十分不利，所以本设计重在设计一款自动、职能、高效的农业滴灌系统，以改善灌溉情况。 本设计可实现功能大致如下：通过环境温度情况和土壤湿度情况决定是否对植物进行浇灌，当温度适合浇灌且土壤比较干燥时，对植物进行精量灌溉，当土壤湿度达标时，停止灌溉。下次土壤再干燥时继续灌溉。灌溉所需用水来自水龙头，通过流量传感器对水量进行精确控制。2. 总体方案设计2.1. 传感器选择 本设计系统主要应用湿度传感器、温度传感器、流量传感器三大类实现对植物环境、水箱情况的监控。2.2. 设计原理 控制系统温度测量系统湿度测量系统浇灌系统流量测量系统反馈3. 具体设计3.1. 环境温度监控与灌溉调节3.1.1. 温度传感器原理 此温度测量系统采用 DS1820 数字温度传感器和 AT89C82 单片机构成测温子系统。以下是二者详细介绍。3.1.1.1. DS1820温度传感器特性温度参数监测和控制对于机械设备的正常运行至关重要。以往的温度采集系统都是采用模拟信号温度传感器和 A/ D 转换等电路来实现 ,其电路不仅结构复杂而且成本高。在最近研制的空压机组微机监控无人值守系统中 ,采用 DS1820 数字温度传感器和 AT89C82 单片机构成测温子系统。DS1820 采用独特的安装方式 ,即装贴在轴承及其他容器、管道的表面 ,进行温度测控。DS系列数字温度传感器功能特性为: (1) 测量范围 - 55 + 125 ,分辨率 0. 5 ; (2) 单线接口 ,只需 1 个接口就可完成温度转换的读写时间片的操作; (3) 9 位数字方式读温度 ,典型转换时间为 1 s; (4) 用户可定义非易失性温度告警设置; (5) 典型的供电方式为 3 线制 ,亦可采用寄生电源供电的 2 线制。3.1.1.2. DS1820温度传感器操作命令及时序特性DS1820 获得温度信息的操作顺序 ,亦即外部微处理器经过单线接口访问 DS1820 的协议(protocol) 如下: (1) 初始化命令 ,由单片机发一复位脉冲 , DS1820 送出存在脉冲; (2) ROM操作命令 ,有读 ROM、匹配 ROM、搜索 ROM、跳过 ROM和告警搜索等; (3) 存储器操作命令 ,有读、写和复制暂存存储器以及重调非易失性存储器等; (4) 温度变换命令。单片机通过单线对 DS1820 读写时间片来进行读写数据操作 ,所有操作均通过对 DS1820 写 1 和写 0 时间片以及单片机本身的延时来实现。3.1.2. 测量电路实现3.1.2.1. 硬件电路设计DS1820 温度测控子系统本系统采集的温度信号有曲轴和电机轴承各两套 ,每套两端各装一片 DS1820 ,共需 8 片 DS1820 ,加上 2 点室内环境温度 ,采用 10 个 DS1820 数字温度；传感器和 AT89C52 单片机构成的温度采集板 ,所有温度参数在 - 10 120 范围内变化 ,符合 DS1820 对所测温度的要求。测控子系统构成如图 1 所示 , 其中 P1. 5 和 P1. 6 预留作为报警之用。图 1 温度测控子系统原理图该板采用 ATMEL 公司的性能价格比较好的 AT89C52 单片机和专用的 RS - 232C 接口芯片 MAX202E ,图中示出单片机与 DS1820 的连接原理 , 实际上 10 个器件均并接在一起 ,每一片 DS1820 有 一个自己的序列号 ,单片机与 DS1820 通过单线串行 通信 ,单片机向某一 DS1820 写入序列号并启动转 换 ,约一秒后 ,再将结果读入单片机 ,然后进行下一 个 DS1820 操作。过程中其读写须经过一定的延时 , 延时时间根据不同的单片机晶振频率进行调整。3.1.2.2. 软件设计DS1820 温度采集软件分温度采集模块和通信模块两个部分。温度采集模块循环采集 10 路 DS1820 温度参数并存放在 AT89C52 的 40H至 53H单元中 ,每一路温度占用 2 个存储单元 ,补偿和处理后的温度值存放在 60H至 73H单元中 ,工控机通过 RS - 232C串口每次将此 20 个字节数据定时接收。具体通信方式是 ,首先由工控机发出一通信命令 ,单片机接收到该命令后 ,通过串口中断逐一发送 20 个数据。温度采集程序如图 2 所示。首先离线编制一个 DS1820 序列号读出子程序 ,将 10 片 DS1820 的序列号读出并存放在单片机的温度采集模块程序中 ,这样在进行温度采集时 ,只要依序列号对各个 DS1820 操作即可。图 2 温度采集程序框图另外还需温度补偿软件。DS1820 测的是表面温度 ,而需要的是其对应的内部温度 ,所以必须进行温度处理和补偿。经反复进行现场试验测试 ,得出各点温度的数学模型并简化成线性公式 ,用表格方式存储在工控机中 ,并由工控机在初始化时传送至单片机的 80HFFH 单元。根据所测的表面温度和 2 路独立的 DS1820 所测环境温度 ,经查表计算 ,可得出所需的内部实际温度。3.1.2.3. 传感器安装及控制 将温度测量系统放置在待浇灌土地中间，监测环境温度。当环境温度适宜浇灌则告知系统后续运行。3.2. 土壤湿度监控与灌溉调节3.2.1. 湿度传感器原理 电阻型土壤湿度传感器的敏感元件为湿敏电阻，其主要的材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷等。这些材料对水的吸附较强，吸附水分后电阻率电导率会随湿度的变化而变化，这样湿度的变化可导致湿敏电阻阻值的变化，电阻值的变化就可以转化为需要的电信号。例如，氯化锂的水溶液在基板上形成薄膜，随着空气中水蒸气含量的增减，薄膜吸湿脱湿，溶液中的盐的浓度减小、增大，电阻率随之增大、减小，两级间电阻也就增大、减小。又如多孔陶瓷湿敏电阻，陶瓷本身是由许多小晶颗粒构成的，其中的气孔多与外界相通，通过毛孔可以吸附水分子，引起离子浓度的变化，从而导致两极间的电阻变化。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值发生变化，利用这一特性即可测量湿度。 可将电阻型湿敏元件的电路等效为一个电阻和电容并联或串联的模型，如图3.1所示。 图3.1 电阻型土壤湿度传感器简化电路和等效电路图 实际上，图3.1中的两种等效方法是一致的，不同的是，采用右图可以直接得到传感器阻抗的实部和虚部，即传感器的电阻与电容分量，其等效转化如下： 式中，R0和C0分别是湿度传感器等效成串联模型时的电阻分量和电容分量；Z0是串联模型时的复阻抗； Z0为复阻抗的模3.2.2. 测量电路实现图3.3 电阻型土壤湿度传感器变送电路3.2.3. 传感器安装及控制土壤属于多孔介质，由固、液、气相3部分组成。物理学的电流电压定律，也适用于土壤中。土壤的气相和固相可以认为是介质，而土壤中的水却不是纯水，可以导电。如果将两个电极埋入土中固定不动，即两电极间的固相固定不变,则土壤中电阻率的改变主要是由土壤中液相的多少决定的。电阻率是反应土壤湿度的电参数，因此采用电阻法研制了土壤湿度传感器。不用直接测定电阻推求土壤湿度，而是采用线性放大原理测定土壤的电压来计算土壤湿度。这样利于输出的电压模拟信号经A /D转换后输入计算机，从而进行自动控制。应用LM324四运放集成电路设计了变送电路。阻抗式湿度传感器的非线性大，但其阻抗的对数与相对湿度成线性关系，因此必须设计线性化处理的电路及温度补偿电路。同时，为了使加在土壤湿度传感器上的信号源为交流，设计了矩形波发生器，产生一定频率和幅值的振荡信号，作为湿度传感器的工作电压。该电路的优点是充分利用了LM324运算放大电路的集成功能，模块紧凑高效。其各功能模块如图3.2所示，电路原理图如图3.3所示。LM324-1为电压跟随电路，其输出电压不受后级电路阻抗影响，保证了精确的电压输出。由于水分子为极性分子，在直流电存在的情况下，会电离与分解，从而影响导电与元件的寿命。考虑探针电极不受极化腐蚀，需要加在土壤湿度传感器上的信号源为交流。LM324 -2为矩形波发生电路，产生频率约为1kHz、幅值为3.36V的低频矩形波信号，即f=1/T=1/2R4(C1ln(1+2R3/R5)1kHz其中：R4=39k，R3=R5=30k，C1=0.01F。通过波形发生电路输出低频矩形波信号后，以在土壤湿度传感器上得到一个随水分含量变化的交流电压信号。LM324-3是利用硅二极管正向电压-电流成对数特性的对数变换电路，它采用了具有温度特性的硅二极管，能对传感器起到温度补偿作用。同时，调节电位器能获得较好的温度补偿，其输出电压将随相对湿度的增加而增大。该输出电压经电容滤波再经运算放大器LM324-4对温度补偿的湿度电压信号进行放大。3.3. 水流流量监控与灌溉调节3.1.1.3. 流量传感器原理 不希望传感器影响流速，所以采用非接触式测量。选择超声流量计，并采用频差法，测量不受声速和温度影响，响应快。具体原理如下： 频差法属于超声波流量测量中的传播速度差法,即当超声波在流动的媒质中传播时,相对于固定坐标系统(例如管道中的管壁)来说,超声波速度与静止媒质中的传播速度有所不同,其变化值与媒质流速有关。现对一具体管道配置(如图1)推导频差法的测量表达式。一对工作频率为f的超声换能器P1和P2安装在内径为Da的超声管段的管壁上。P1和P2之间的距离为L,它们的轴线与流体流速u之间的夹角为,且Da=Lsin。当P1发出的超声脉冲沿L传播至P2接收时,测得其顺流传播时间为t12,这时沿L的顺流声速c1为:式中:c0为流体静止时媒质中的声速。同样,当P2发射超声脉冲,P1接收时,实测的逆流时间为t21,而沿L的逆流声速c2为:由式(1)和(2),得流体的流速:上述公式求得的是超声波传播途径上的线平均流速,而流量计算时所需要的是面平均流速,必须经过转换才能使用。根据流体力学理论,当流动状态为紊流时,流体的截面平均流速与线平均流速之间的关系是雷诺数Re的函数。即:其中,v为管内面平均流速,k为线平均流速到面平均流速的修正系数:为光滑圆管的阻力系数,且雷诺数Re可由管道内径,流体运动粘滞系数等求得。这样,对于内径为Da的管道,流体的流量Q就可以由超声频差法测定:3.1.1.4. 测量电路实现3.3.2.1测时计数电路设计测时电路采用两片LM1812在单片机及相关电路的控制下交替发射和接收,由LM1812得到的同步信号可以作为测时窗口,用参考频率脉冲进行填充并计数则可测出时差,进而得到频差。测时电路的原理框图如图3所示。其工作原理是:由P1.1触发单稳态电路产生发射脉冲,由P1.2控制一对 LM1812交替发射和接收。例如,当P1.2为高电平时,与门的输出即为单稳态电路产生的发射脉冲,LM1812()处于发射状态;而与门输出低电平,LM1812()处于接收状态。LM1812()发射时,其16管脚产生一负脉冲送给或门的输入端,LM1812()接收到超声波信号时,其 16管脚也产生一负脉冲送给或门的另一输入端,这两个负脉冲使T触发器产生一正脉冲,脉冲的宽度就是LM1812()发、LM1812()收时超声波的传播时间t12,反之,可得LM1812()发、LM1812()收时超声波传播时间t21,进而可得f12和f21,求得频差。其中的单稳态电路由74121构成;T触发器由双JK触发器CC4027构成;高速计数器选用74HC393(双四位二进制计数器),采用级联方式构成8位二进制计数器。实际测量中,在测量点连续测量n(常取4)组数据,软件滤波后再进行运算,这样既可滤去各种瞬时干扰脉冲,又可滤去小的随机干扰,有效地消除系统噪声的影响。3.3.2.2软件系统设计软件设计包括参数修改程序和测量运行主程序两部分。在参数修改状态下,可以修改声学系统的参数(如)、管径D和累计流量Q等。测量运行主程序控制整个测量的运行过程及结果显示。图4为软件系统的主程序流程图。3.1.1.5. 传感器安装及控制 安装位置：每一个出水阀门处安装1个传感器，作为该条线路总监控每条滴灌管道，根据铺设情况，每20m装设一个传感器。如图：4. 控制系统设计下图是浇灌控制系统运行情况的流程图:II温度传感器监测环境温度，当环境温度高于最大适宜灌溉温度T0时，不宜对植物浇水，浇灌系统不动作，当温度低于T0时，才可以向植物浇水。 湿度传感器测试土壤湿度， 若湿度H低于植物适宜生长最低湿度H0，且此时温度允许，像植物滴 分钟水，并延迟一段时间，在对土壤湿度进行监测，若土壤湿度人达不到H0继续如上滴水，若达到适宜湿度，停止滴水。 下图示流量监视控制流程图：流量传感器测量出水口处和