毕业论文-太阳能微灌供水系统的研究.doc

中国地质大学长城学院2012毕业论文中国地质大学长城学院本 科 毕 业 论 文题目 太阳能微灌供水系统的研究 系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 闫旭 学 号 05208518 指导教师 赵晓顺 职 称 讲师 2012 年 04 月 20 日37太阳能微灌供水系统的研究摘要发展节水灌溉是解决农业灌溉缺水的出路。微灌是一种新型的节水灌溉技术，包括滴管、喷灌、小管出流、渗灌。它可根据作物需水要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的特质灌水器，将水和作物所需的养分以较小的流量，均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表层或土层中。微灌具有省水节能、灌溉均匀、适应性强等显著优点。本文提出一种太阳能微灌供水系统，并对太阳能供水系统提出了一种单片机控制方案，以达到充分利用太阳能和提高系统供水量的目的。本文主要内容概括如下:(l)简述了现代微管技术技的发展状况以及发展趋势，介绍了微灌系统的种类、优缺点和基本组成，对微灌系统中的喷灌系统进行了重点介绍。(2)介绍了太阳能光伏发电系统的组成和发电原理。(3)为实现系统太阳能高效利用，利用单片机对系统的运行状态进行实时监控。对系统中所需的单片机、光辐射传感器、温度传感器等元器件进行选型，并对系统的控制电路和控制流程进行设计。建立了太阳能微灌供水单片机控制系统，优化后的系统采用光辐射传感器和温度传感器对气象条件进行实时检测，并将检测到的结果进行显示，还可人为地对系统中水泵工作时间及光辐射预置值进行设定，系统自动化程度高。关键词：微灌系统； 喷灌系统； 太阳能； 单片机ABSTRACTDevelopment of water-saving irrigation is solved agriculture irrigation water way out. Microspray irrigation is a new type of water-saving irrigation technologies, including the dropper, micro sprinkler, small tube, the flow irrigation. It can be based on crop water requirement request, through the low pressure pipe system and installed in the last stage of the water pipe qualities, water and nutrients required for crops with a small flow, uniform and accurately transported to the root crops directly near the soil surface or in the soil. Microspray irrigation water saving irrigation has energy saving, uniform, strong adaptability and other significant advantages. In this paper a kind of solar microspray irrigation water supply system, and the solar energy water supply system puts forward a single-chip microcomputer control scheme to achieve full use of solar energy and improve the purpose of the water supply system. This paper mainly content summarized as follows: (l) Briefly modern microtubules technology skills development status and development trend, introduces the advantages and disadvantages of the species, microspray irrigation system and basic composition, microspray irrigation system of the irrigation system of mainly described. (2) Introduced the solar photovoltaic energy system composition and power generation principle. (3) To realize efficient use of solar energy system, using single chip computer to the operation of the system state for real-time monitoring. In the system of the single chip microcomputer to required, ray of light sensor, the temperature sensor selection of components, and the system control circuit and control process design. Establish the solar microspray irrigation water supply single-chip microcomputer control system, optimize the system using optical after sensor and temperature sensor for weather conditions for real-time detection, and will test results that can also be artificially to system of pumps work time and ray radiation preset value settings, high degree of automation system. Keywords: microspray irrigation system；spray irrigation system；solar energy；single-chip microcomputer目 录摘要1ABSTRACT21 引言41.1 太阳能微灌供水系统的研究目的及意义41.2 微灌系统的发展状况41.2.1 国内发展状况41.2.1 国外发展状况51.3 微灌系统的发展趋势61.4本文研究内容62 微灌系统的概述72.1 微灌及其特点72.1.1 微灌的种类72.1.2 微灌的优缺点82.2 微灌系统的组成82.3喷灌系统102.3.1 喷灌系统简介102.3.2 喷灌系统设备构成102.3.3 常用喷灌系统类型及特点112.3.4 喷灌系统规则122.3.5 喷灌机的选用132.3.6喷灌机在使用过程中应注意事项133太阳能光伏发电系统143.1太阳能光伏发电系统的组成143.2太阳能光伏电池153.3蓄电池164控制系统设计164.1控制系统的建立和主要硬件164.1.1ATsgc52单片机的性能及引脚功能174.1.2TSL230型光/频转换器工作原理及性能184.1.3DS1822型温度传感器204.2控制系统硬件电路设计214.2.1主电源电路设计214.2.2数据采集电路设计224.2.3实时时钟电路设计244.2.4驱动控制电路设计254.2.5显示电路设计264.2.6按键和报苦电路设计284.3控制系统软件部分304.3.1主程序设计304.3.2时间设定子程序324.3.3光辐射设定子程序335 结论34参考文献35致谢361 引言1.1 太阳能微灌供水系统的研究目的及意义中国农业生产的水资源不但严重短缺，而且浪费还很多、灌溉水的有效利用率很低，绝大多数农田仍采用传统的地面灌溉方法，大多数人的观念还是浇灌土地而不是浇灌庄稼，目前农业灌溉水的有效利用率只有30%40%，每灌溉1吨水只能收获1公斤粮食，而在农业上用了节水灌溉措施的,每吨灌溉水能生产粮食作物2公斤，而先进的节水灌溉技术是农作物增产的重要原因之一。因此要解决中国农业缺水，根本的出路在于发展节水型农业，提高有限水资源的利用率。到这世纪中期中国人口将增加4亿，按人均400千克粮计算，如仍维持目前的农业灌溉现状，需新增加农业用水1000亿立方米，这是无法实现的。但是，如果积极采取各种农业节水措施，将目前灌溉水的有效利用率提高到5060，就可在维持现有农业总供水量的情况下生产出足够16亿人食用的粮食。由此可见农业节水的重要性，这是保证中国农业生产持续发展的基本条件，也必将是中国一项长期国策，所以中国必须发展节水型农业。微灌系统能有效的提高灌水的有效利用率，不管是平地还是坡地，灌水均匀度在90%以上，能有效控制作物实际需要的灌水量。微灌兼具施肥、打农药和生物化学控制功能，提高肥料的利用效益，节省肥药在50%以上，能做到肥药不流失、不污染环境。微灌大多采取自动控制，减少拔草、松土等田间管理，可节省劳动力30%50%，而且提高了灌水质量。本课题主要是从传统灌溉技术的缺点出发，着眼微灌技术的优点，将先进的自动化技术和微灌技术结合起来，实现微灌自动化。随着世界性水资源、能源的日趋紧张，采用节水、节能的灌水方法已成为全世界灌溉技术发展的总趋势，推广节水灌溉也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。微灌系统可以实现大面积的作物田间灌溉，在很大程度上节约人力、物力，实现作物生长大面积的管理，实时掌握作物的生长环境。开发简单、快速、实用的微灌供水系统设计具有重要意义。1.2 微灌系统的发展状况1.2.1 国内发展状况我国山西省临汾的龙子祠引泉工程、河南省济源的合瓦地灌排工程是最早的渗灌工程。1975年以后，山西省万荣县、河南省许昌市及江苏省的常熟、睢宁、南通、启东、徐州等地进行了渗灌试点。做法是把透水管埋于地下4050厘米处，间距33.5米，灌溉水通过管壁微孔渗出，再利用毛细管作用扩散在管道周围浸润土壤，供作物吸收利用。渗灌优点很多，但由于渗灌管的制造、材质、投资、施工和表土湿润差、堵塞不易及时检修等问题，当时仅限于试验阶段，没有得到广泛应用。我国现代微灌技术的发展主要是在引进、消化技术的基础上，从无到有，逐步被人们认识和接受。首先引进的是滴灌设备，这以后国内对滴灌进行了重点研究，取得了不少成果和经验。随后，微喷灌也得到了较快的发展。1983年湖南省零陵柑桔示范园用澳大利亚赠送的全套微灌设备，发展了300亩柑桔喷灌。1984年国内几家科研机构仿制了几种微喷头，投入批量生产，使我国的微喷灌技术有了很好的起步。1985年福建省龙溪地区引进安装了当时达世界先进水平的美国整套微喷灌设备，大大促进了我国微喷灌技术和设备的发展。随着制造水平的提高和材料的改进，渗灌管的性能和质量有了一定的提高，正在逐步推广应用中。到1991年，我国微灌使用面积已有2万多公顷，在过去的20多年里，在设备研制和经验积累等方面都为我国微灌的进一步发展打下了一定的基础。最近几年，由于国家的重视和实际的需要，各地大力发展节水灌溉，微灌在我国进入了快速增长阶段。1.2.1 国外发展状况在微灌之中，渗灌出现得最早。1860年在德国首次利用排水瓦管进行地下渗灌试验，结果可使种植在贫瘠土壤上的作物产量成倍增加。这项试验连续进行了20多年。1920年在水的出流方面实现了一次突破，研制出了带有微孔的陶瓷管，使水沿管道输送时从孔眼流入土壤。1923年苏联和法国也进行了类似的试验，研究穿孔管系统的灌溉方法，主要是利用地下水位的改变来进行灌溉。1934年美国研究用多孔帆布管渗灌。自1935年以后着重试验各种不同材料制成的孔管系统，研究根据土壤水分的张力确定管道中流到土壤里的水量。荷兰、英国首先应用这种灌溉方法灌溉温室中的花卉和蔬菜。第二次世界大战以后，塑料工业迅速发展，出现了各种塑料管。由于它易于穿孔和连接，且价格低廉，使灌溉系统在技术上实现了第二次突破，成为今天所采用的形式。到了50年代后期，以色列研制成功长流道管式滴头，在滴灌技术的发展中又迈出了重要的一步。70年代以来许多国家对滴灌开始重视，滴灌得到了快速发展，获得了广泛的应用。微喷灌出现的较早，在滴灌出现以前，以色列就重点研究过。1969年首先在南非研制试用，1976年被美国列为专利，70年代在世界上得到了发展，80年代以后得到了进一步完善和大面积的推广应用。近十年来，微灌作为新兴的灌溉技术在世界各国得到了较快的发展。根据国际灌排委员会的微灌工作组所作的三次调查，1991年世界微灌面积为1，768，987公顷（约合2，650万亩），比五年前增长了63%，比十年前增长了329%。尽管至今微灌在世界总灌溉面积中所占的比重很小，不到0.8%，但其增长率远高于其它灌溉技术。目前美国的微灌面积最大，为606，000公顷，从1986年至1991年增加了55%。其它国家微灌面积排序为：西班牙（160，000公顷），澳大利亚（147，011公顷），南非（144，000公顷），以色列（104，302公顷）。这些为微灌面积较大的国家，超过4万公顷以上的国家还有意大利、埃及、墨西哥、日本、印度、法国和泰国。以微灌面积占各国总灌溉面积的比重来排序，则塞浦路斯所占比重最大，为71%。以后为以色列（51%），约旦（21%），南非（13%）。美国、西班牙和澳大利亚微灌占总灌溉面积的3%8%。微灌的应用仍以经济作物为主，各类作物所占比例为：果树为55.4%，蔬菜（包括大田和温室）为12.5%，大田作物（包括棉花、甘蔗等）为7%，花卉（包括苗圃和温室）1.5%，其它作物（包括玉米、花生、药材等）为23.6%。1.3 微灌系统的发展趋势世界各国的实践证明，微灌是一种最省水而灌溉效果显著的先进灌溉技术。由于世界上水资源越来越紧张，若干年后，在干旱地区主要依赖于微灌，而在非干旱地区，必须提高水的利用率。我国幅员辽阔，自然条件各异，包括干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区。降雨量少的地区急需发展节水灌溉技术，在降雨量充沛的地区，由于降雨时空分布不均，也经常发生季节性春旱、夏旱和秋旱，微灌将会得到广泛的应用。我认为微灌技术在我国将有很大的发展前景，一是国家加大对节约灌溉用水的支持力度，加强基础研究和技术创新，研究适合我国农业特点的节约灌溉用水技术和产品，并加快示范区建设以推动较为成熟模式的示范推广；二是政府加强引导，促进专门人员或组织进行统一种植，为节约灌溉用水技术的规模化推广应用创造条件；三是政府正确认识节约灌溉用水技术的经济效益，重视农民增收，加大政府补贴，为灌溉用水技术的快速推广、应用提供动力和催化剂；四是我国积极建立有效的技术服务体系。目前，国内外一些已建成的微灌系统证明了它不仅能节约劳力、方便管理、降低运行费用，而且还能保证劳力、适量灌溉，具有节水、节能、高产、高效益等显著优点。可以断言，微灌系统是今后农业节水灌溉发展的一个重要趋势。对水资源短缺的中国尤其是北方缺水地区，更有不可估量的社会效益。水是生命之源，是社会发展必不可少的重要战略资源之一。我国是农业大国，农业是国民经济的基础，农业发展直接关系到人民生活、物价稳定、经济发展和社会安定。要实现到2030年我国人口达到16亿高峰期时粮食自给的战略目标，形势严峻，任务艰巨。在我国干旱半干旱地区、季节性和资源性缺水地区、突发性缺水隐患区，发展微灌综合技术为主要途径的技术，已经成为缓解我国水资源紧缺矛盾、确保粮食安全的战略选择。微灌技术，是国家的宝贵财富，必将为我国农业现代化发展作出积极贡献。所以，为建设节水型社会，达到水资源管理的“优化配置、合理利用、有效保护、安全供给”目标，大力发展微灌技术是十分必要的。1.4本文研究内容针对当前我国农业灌溉中电力供应和水资源短缺的问题，特别是农业灌溉用水利用效率低下，以及长期以来开发利用石油、天然气和煤炭等化石能源带来的一系列问题提出了一种太阳能微灌供水系统。该系统利用资源丰富、清洁无污染的太阳能作为动力来源，并与现代节水灌溉技术相结合，实现水资源的节约利用。系统以单片机为控制核心，采用光辐射传感器和温度传感器对气象条件进行检测，达到充分利用太阳能的目的。本文所做的主要工作是：(l)简述了现代微管技术技的发展状况以及发展趋势，介绍了微灌系统的种类、优缺点和基本组成，对微灌系统中的喷灌系统进行了重点介绍。(2)介绍了太阳能光伏发电系统的组成和发电原理。(3)为实现系统太阳能高效利用，利用单片机对系统的运行状态进行实时监控。对系统中所需的单片机、光辐射传感器、温度传感器等元器件进行选型，并对系统的控制电路和控制流程进行设计。建立了太阳能微灌供水单片机控制系统，优化后的系统采用光辐射传感器和温度传感器对气象条件进行实时检测，并将检测到的结果进行显示，还可人为地对系统中水泵工作时间及光辐射预置值进行设定，系统自动化程度高。2 微灌系统的概述2.1 微灌及其特点2.1.1 微灌的种类微灌是利用微灌设备组装成微灌系统，将有压水输送分配到田间，通过灌水器以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种灌水技术。微灌按灌水器及出流形式的不同，主要有滴灌、微喷灌、小管出流、渗灌等形式。（1）滴灌滴灌是利用安装在末级管道（称为毛管）上的滴头，或与毛管制作成一体的滴灌带（或滴灌管）将压力水以水滴状湿润土壤，在灌水器流量较大时，形成连续细小水流湿润土壤。通常将毛管和灌水器放在地面，也可以把毛管和灌水器埋入地面以下30cm左右。前者称为地表滴灌，后者称为地下滴灌。滴灌灌水器的流量通常为1.1410L/h。（2） 喷灌喷灌是利用直接安装在毛管上或与毛管连接的喷头将压力水以喷洒状湿润土壤。喷头有固定式和旋转式两种。前者喷射范围小，水滴小；后者喷射范围较大，水滴也大些，故安装的间距也比较大。喷头的流量通常为20250L/h。另外还有喷带也属于喷灌系列，喷带又称多孔管、喷水带，是在可压扁的塑料软管上采用机械或激光直接加工出水小孔,进行喷灌的设备。（3）小管出流小管出流是利用4的小塑料管与毛管连接作为灌水器，以细流（射流）状局部湿润作物附近的土壤，小管出流的流量常为40250L/h。对于高大果树通常围绕树干修一渗水小沟，以分散水流，均匀湿润果树周围土壤。在国内，为增加毛管的铺设长度，减少毛管首末端流量的不均匀，通常在小塑料管上安装稳流器，以保证每个灌水器流量的均匀性。（4） 渗灌渗灌是利用一种特别的渗水毛管埋入地表以下30cm左右，压力水通过渗水毛管管壁的毛细孔以渗流的形式湿润其周围土壤。由于渗灌能减少土壤表面蒸发，从技术上来讲，是用水量很省的一种微灌技术，但目前使用起来，渗灌管常埋于地下，由于作物根系有向水性，渗灌管经常遭受堵塞问题困扰。渗灌管的流量常为23L/(hm)。2.1.2 微灌的优缺点（1）优点微灌可以非常方便地将水灌到每一株植物附近的土壤中，经常维持较低的水压力满足作物生长需要。微灌具有以下诸多优点：省水、省工、节能。微灌是按作物需水要求适时适量地灌水，仅湿润根区附近的土壤，因而显著减少了水的损失。微灌是管网供水，操作方便，劳动效率高，而且便于自动控制，因而可明显节省劳力。同时微灌大部分属局部灌溉，大部分地表保持干燥，减少了杂草的生长，也就减少了用于除草的劳力和除草剂费用。肥料和药剂可通过微灌系统与灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中，不需人工作业，提高了施肥、施药的效率和利用率。灌水均匀。微灌系统能够做到有效地控制每个灌水器的出水流量，灌水均匀度高，一般可达80%90%。增产。微灌能适时适量地向作物根区供水供肥，为作物根系活动层土壤创造了很好的水、热、气、养分状况，因而可实现稳产，提高产品质量。对土壤和地形的适应性强。微灌的灌水强度可根据土壤的入渗特性选用相应的灌水器，并对其调节，不产生地表径流和深层渗漏。微灌是采用压力管道将水输送到每棵作物的根部附近，可以在任何复杂的地形条件下有效工作，甚至在某些很陡的土地或在乱石滩上种的树也可以采用微灌。（2）缺点微灌系统投资一般要高于地面灌；微灌灌水器出口很小，易被水中的矿物质或有机物堵塞，减少系统水量分布均匀度，严重时会使整个系统无法正常工作，甚至报废；微灌毛管一般铺设在地面，使用中会影响田间管理，有时会被拉断、割破，发生漏水，增加了后期维护费用。2.2 微灌系统的组成微灌系统由水源、首部枢纽、输配水管网和灌水器以及流量、压力控制部件和量测仪表等组成，如图2-1所示。1.水源 5.变频系统 9. 螺翼水表 13.内丝接头 17.球阀 21.干管2.水泵 6.止回阀 10.压差式施肥罐 14.筛网过滤器 18.压力表 22.干支管3.闸阀 7.弯头 11.施肥阀 15.正三通 19.外丝接头 23.支管4.法兰盘 8.离心过滤器 12.活接头 16.异径三通 20.进排气阀 24.毛管及灌水器图2-1微灌系统示意图（1）水源 河流、渠道、湖泊、水库、井、泉等均可作为微灌水源，但其水质需符合微灌要求。（2）首部枢纽首部枢纽包括水泵、动力机、肥料和化学药品注入设备、过滤设备、控制阀、进排气阀、压力流量量测仪表等。其作用是从水源取水增压并将其处理成符合微灌要求的水流送到微灌系统中去。微灌常用的水泵有潜水泵、深井泵、离心泵等，动力机可以是柴油机、电动机等。在供水量需要调蓄或含砂量很大的水源，常要修建蓄水池和沉淀池。沉淀池用于去除灌溉水源中的大固体颗粒，为了避免在沉淀池中产生藻类植物，应尽可能将沉淀池或蓄水池加盖。过滤设备的作用是将灌溉水中的固体颗料滤去，避免污物进入系统，造成系统堵塞。过滤设备应安装在输配水管道之前。肥料和化学药品注入设备用于将肥料、除草剂、杀虫剂等直接施入微灌系统，注入设备应设在过滤设备之前。流量压力量测仪表用于测量管线中的流量或压力，包括水表、压力表等。水表用于测量管线中的流过的总水量，根据需要可以安装于首部，也可以安装于任何一条干、支管上，如安装在首部，须设于施肥装置之前，以防肥料腐蚀。压力表用于测量管线中的内水压力，在过滤器和密封式施肥装置的前后各安设一个压力表，可观测其压力差，通过压力差的大小能够判定施肥量的大小和过滤器是否需要清洗。控制器用于对系统进行自动控制，一般控制器具有定时或编程功能，根据用户给定的指令操作电磁阀或水动阀，进而对系统进行控制。阀门是直接用来控制和调节微灌系统压力流量的操纵部件，布置在需要控制的部位上，其型式有闸阀、逆止阀、空气阀、水动阀、电磁阀等。（3）输配水管网输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器，输配水管网包括干、支管和毛管三级管道。毛管是微灌系统的最末一级管道，其上安装或连接灌水器。（4）灌水器灌水器是微灌设备中最关键的部件，是直接向作物施水的设备，其作用是消减压力，将水流变为水滴或细流或喷洒状施入土壤，包括滴头、滴灌带、滴灌管、微喷头、微喷带、渗灌管等，灌水器多数是用塑料制成的。2.3喷灌系统喷灌系统是从水源取水并输送、分配到田间，实行喷洒灌溉的水利设施。由水源工程、输配水渠道或管道和喷洒机具等三部分组成。2.3.1 喷灌系统简介喷灌系统有多种类型。按水流获得的压力方式可 分为机压式、自压式和提水蓄能式喷灌系统；按喷灌 设备的形式可分为管道式和机组式喷灌系统；按喷洒 方式可分为定喷式和行喷式喷灌系统。中国一般将喷 灌系统划分为移动式、固定式和半固定式三种类型。 移动式喷灌系统从田间渠道、井、塘直接吸水、其动力、水泵、管道和喷头全部可以移动，这种系统 的机械设备利用率高，应用最为广泛。如20世纪60年代以前苏联等国采用较多的双悬臂式喷灌机，是一种由拖拉机拖带的单喷头远射程喷灌机；70年代以来，美、苏等国采用的配带动力水泵的时针式喷灌机和平 移式喷灌机，中国采用的小型喷灌机组；由多级管道 组成的全移动管道式喷灌机组和有动力水泵配套的绞 盘式喷灌机等。固定式喷灌系统动力、水泵固定，输(配)水干管(分干管)及工作支管均埋入地下。喷头可常年安装 在与支管连接伸出地面的竖管上，也可按轮灌顺序轮换安装使用。这种形式虽然运行管理方便，并便于实现自动控制，但因设备利用率低，投资大，竖管妨碍 机耕，世界各国发展面积都不多。一般只用于灌水次 数频繁、经济价值高的蔬菜和经济作物的灌溉。水泵固定，输(配)水 干管(分干管)埋入地下，工作支管和喷头可以移动，由连接在干管(分干管)伸出地面的给水栓向支管供水。移动支管可以采用人工移动，也可以用机械移动。滚移式、端拖式、不配带动力水泵的时针式、平移式、绞盘式等，是世界各国采用较多的几种机械移管方式。由于半固定式喷灌系统设备利用率较高，运行管理比较方便，故为世界各国广泛采用。 2.3.2 喷灌系统设备构成作为一项为农业生产服务的工程措施，喷灌系统主要由水源工程、首部装置、输配水管道系统和喷头等部分构成。 （1）水源工程。包括河流、湖泊、水库和井泉等都可以作为喷灌的水源，但都必须修建相应的水源工程，如泵站及附属设施、水量调节池等。 （2）水泵及配套动力机。喷灌需要使用有压力的水才能进行喷洒。通常是用水泵将水提吸、增压、输送到各级管道及各个喷头中，并通过喷头喷洒出来。喷灌可使用各种农用泵，如离心泵、潜水泵、深井泵等。在有电力供应的地方常用电动机作为水泵的动力机。在用电困难的地方可用柴油机、拖拉机或手扶拖拉机等作为水泵的动力机，动力机功率大小根据水泵的配套要求而定。 （3）管道系统及配件。管道系统一般包括干管、支管两级，竖管三级，其作用是将压力水输送并分配到田间喷头中去。干管和支管起输、配水作用，竖管安装在支管上，末端接喷头。管道系统中装有各种连接和控制的附属配件，包括闸阀、三通、弯头和其他接头等，有时在干管或支管的上端还装有施肥装置。 （4）喷头。喷头将管道系统输送来的水通过喷嘴喷射到空中，形成下雨的效果撤落在地面，灌溉作物。喷头装在竖管上或直接安装于支管上，是喷灌系统的关键设备。 （5）田间工程。移动式喷灌机在田间作业，需要在田间修建水渠和调节池及相应的建筑物，将灌溉水从水源引到田间，以满足喷灌的要求。2.3.3 常用喷灌系统类型及特点虽然喷灌系统的类型较多，但根据其设备的组成，喷灌系统可分成机组式喷灌系统和管道式喷灌系统两大类。机组式喷灌系统又可分为轻小型机组式喷灌系统、大中型机组式喷灌系统等。 （1）机组式喷灌系统喷灌机是将喷灌系统中有关部件组装成一体，组成可移动的机组进行作业。其组成一般是在手抬式或手推车拖拉机上安装一个或多个喷头、水泵、管道，以电动机或柴油机为动力，进行喷洒灌溉的，其结构紧凑、机动灵活、机械利用率高，能够一机多用，单位喷灌面积的投资低。轻小型喷灌机是目前我国农村应用较为广泛的一种喷灌系统，特别适合田间渠道配套性好或水源分布广、取水点较多的地区。 （2）管道式喷灌系统管道式喷灌系统是指以各级管道为主体组成的喷灌系统，按照可移动的程度，可分成全固定式、全移动式和半固定式三种。 全固定管道式喷灌系统它由水源、水泵、管 道系统及喷头组成。除喷头外喷灌系统的各个组成部分在整个灌溉季节甚至常年固定不动。水泵和动力机械固定，干管和支管多埋于地下，喷头装在固定的竖管上并可轮流在各个田块中使用。固定式喷灌系统操作管理方便，易于实行自动化控制，生产效率高，但投资大，亩投资约在1000元左右(不含水源)，竖管对机耕及其它农业操作有一定的影响，设备利用率低，一般适用于经济条件较好的城市园林、花卉和草地的灌溉，或灌水次数频繁、经济效益高的蔬菜和果园等，也可在地面坡度较陡的山丘和利用自然水头喷灌的地区使用。 全移动管道式喷灌系统系统组成与固定式相同，它的各个部分，水泵、动力机、各级管道和喷头等都可拆卸，在多个田块之间轮流喷洒作业，因此系统的设备利用率高、投资小，但由于所有设备(特别是动力机和水泵)都要拆卸、搬运，劳动强度大，生产效率低，设备维修保养工作量大，有时还容易损伤作物，一般适用于经济较为落后的地区。 半固定管道式喷灌系统系统组成与固定式相同，其中动力机、水泵及输水干管等常年或整个灌溉季节固定不动，支管、竖管和喷头等可以拆卸移动，安装在不同的作业位置上轮流喷灌。这种方式综合了全固定和全移动管道式喷灌系统的优缺点，投资适中(亩投资约650元800元)，操作和管理也较为方便，是目前国内使用较为普遍的一种管道式喷灌系统。全移动管道式喷灌系统的各个部分，水泵、动力机、各级管 道和喷头等都可拆卸，在多个田块之间轮流喷洒作业，因此系统的设备利用率高，投资小，但由于所有设备(特别是动力机和水泵)都要拆卸、搬运，劳动强度大，生产效率低，设备维修保养工作量大，有时还容易损伤作物，一般适用于经济较为落后的地区。管道式喷灌系统比较适用于水源较为紧缺，取水点少的我国北方地区。2.3.4 喷灌系统规则喷灌系统规划是在综合分析设计资料的基础上，通过技术经济比较确定的喷灌系统总体设计方案。喷灌系统规划应遵循以下原则:以地区性农业区划和水利规划为基础；贯彻有灌有排的原则，密切与排水、道路、林带、供电等系统，以及居民点的规划相结合，并注意充分利用原有的水利及其它工程 设施；注意经济效益，在保证喷洒质量、运行安全可靠和管理方便的前提下，尽量降低投资和运行费用； 注意节省能源，在有自然水头可利用的地方尽量发展自压或部分自压喷灌；尽可能考虑喷灌设备的综合利用，使其发挥更大的效益。 喷灌系统规划大致包括以下内容:喷灌可行性分析:根据灌区自然与社会经济条件，从技术和经济两个方面论证发展喷灌的必要性和可能性。把水源可靠，能源有保证，材料、资金落实，有质量较好的设备和能获得明显的经济效益，作为发展喷灌必须具备的基本条件。水源工程规划:包括选择取水方式与取水位置，选择蓄水工程的类型、数量、位置，以及确定蓄水工程容积等内容。规划时应综合考虑水源类型、地块分布、地形、地质，以及施工、管理等因素，做到规划合理、经济、安全。确定蓄水工程容积的原则，是在按设计标准满足喷灌用水要求的前提下，尽量节省工程量，故应通过来水和用水的水量平衡计算确定。喷灌系统选型:根据灌区具体情况和设备供应条件选择几种类型，从技术和经济上加以分析比较，择优选定。压力规划:喷灌系统中压力水头的分布直接影响到喷灌质量和能量的消耗，应综合考虑水源水位、灌区地形、输水距离、地块分布以及可供选择的设备规格等因素，对全灌区进行压力规划，必要时做出压力分区。喷灌系统规划布置:在地形图上绘出喷灌系统规划布置图。图中应标明水源及水源工程，泵站及输电线路、压力分区，管(渠)道的级数及布置。在进行管系布置时，应综合考虑以下因素，并进行方 案比较:力求使管线最短，并减少能量损失；在地面坡度较大的山丘地区，干管应沿主坡度方向布置，支管(末级管)则布置成与等高线平行，在地形起伏不平而支管又不能布置成水平时，应尽量使干管走在高处，支管则由高处向低处布置；支管方向应与作物种植和耕作方向相一致，以便利操作移动，减少固定竖管对 机耕的影响；有条件时宜将支管布置成垂直于主风向，以便增大支管间距，减少支管用量；充分考虑地块形 状，力求使更多的支管长度一致，规格统一；管系布 置应便于施工和运行管理。投资概算和经济效益估算。2.3.5 喷灌机的选用喷灌机是一种将动力机、泵、管路、喷头、移动装置等设施,按喷灌方式组合配套成具有整体性的喷灌设备,将压力水喷射到低空,经雾化后像雨滴一样均匀地降落到作物和地表面。常用的喷灌机有小型喷灌机、大型喷灌机、平移式喷灌机、移动式喷灌机、卷盘式喷灌机、指针式喷灌机、中心支轴喷灌机、圆型喷灌机、双悬臂式喷灌机等多种类型。喷灌的用途很多,主要用于农作物、林业苗圃、牧业草场、蔬菜果树、经济作物、园林草皮和花卉等。此外,还用于环境控制(如防尘、防风、防干热风、防霜冻降温等)、污水处理、鱼塘增氧,以及综合喷施液肥、除草剂、化学剂、农药、杀虫剂等。喷灌的适应性很强,几乎对于任何作物、土质、地形、地区、气候条件都适用。在购买喷灌机时应注意(1)喷灌机必须满足标准要求:选购喷灌机时,应首先查看其产品是否符合国家标准、行业标准或地方标准。没有国家标准、行业标准或地方标准的喷灌机,应具有省级以上技术监督部门备案的企业标准。(2)喷头和管道压力必须符合使用要求:应根据喷灌使用要求科学合理选用喷头和管道,喷灌作业的质量不仅取决于喷头的性能,更重要的是取决于决定喷头组合工作压力的管道及支管压力,确定合理的喷头和管道及支管入口压力是喷灌区设计的基础。配套管材和管件必须选用合格产品:选用的配套管材和管件应满足相应的技术标,并具有由省级以上检测机构出具的全项检测报告。2.3.6喷灌机在使用过程中应注意事项(1)使用前的准备:采用三角皮带传动时,动力机主轴和水泵必须平行,皮带轮要对齐,其中心距不得小于两皮带轮直径之和的2倍。当水泵与动力机相连时,应配共同底盘,可采用爪型弹性连轴器,要注意动力机主轴和水泵轴的同心度。水泵安装高度(以吸水池水面为基准)应低于允许吸上真空高度12米。作业位置的土质应坚实,以防止崩塌或陷入地面。进水管路安装要特别注意防止漏气。滤网应完全淹没在水中,其深度在0.3米左右,并与池底、池壁保持一定距离,防止吸入泥沙等杂质和空气。铺设出水管道时,软管应避免与石子、树皮等物体摩擦,避免车轮碾压和行人践踏,切勿与运行机件接触。软管应卷成盘状搬动,切勿着地。硬管应拆成单节搬运,禁止多节联移,以防磨损和损坏管子及接头。管道应避免暴晒和雨淋,以防塑料管变形或老化。将喷架支撑在地面,喷架接头端面应尽量安置水平,然后固定喷架。把喷头安装在喷架上,检查喷头转动是否灵活,拉开摇臂看其松紧度是否合适,在转动部位加注适量机油。然后将快速接头擦抹干净连接好。起动前,检查泵轴旋转方向是否正确,转动速度是否均匀,不能有卡住、异声等不正常现象。离心泵起动前,应向泵内加满水,待充满进水管道及泵体后,方可起动。(2)使用时注意事项:水泵起动后,3分钟未出水,应停机检查。水泵运行中若出现不正常现象(杂音、振动、水量下降等),应立即停机,要注意轴承温升,其温度不可超过75度。观察喷头工作是否正常,有无转动不均匀,过快或过慢,甚至不转动的现象。观察转向是否灵活,有无异常现象。应尽量避免使用泥沙含量过高的水源进行喷灌,否则容易磨损水泵叶轮和喷头的喷嘴。调整喷头转速时,可用拧紧或放松摇臂弹簧来实现。摇臂是悬支在摇臂轴上的,可转动调位螺钉调整摇臂头部的入水深度来控制喷头转速。调整反转的位置可以改变转速。喷头转速调整好的标志是,在不产生地表径流的前提下,尽量采用慢的转动速度,一般小喷头为12分钟转1圈,中喷头34分钟转1圈,大喷头57分钟转1圈。3太阳能光伏发电系统3.1太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池吸收阳光，将太阳的光能直接变成电能输出。太阳能电池蓄电池控制电路光 源充放电电路光伏发电系统主要由太阳能光伏电池、储能电池、充放电电路、光源及控制电路等组成，系统的组成框图如图3-1所示：系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。图3-1 光伏发电系统组成框图太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。在白天光照条件下，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，输出端开路。蓄电池作为太阳能照明系统的储能环节，白天将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到负载。全天中智能控制器的电源一直由蓄电池供给。充放电电路是以电力电子器件级电容电感所组成的升、降压电路，可以起到调节电压和控制光源的作用。智能控制系统是以单片机为核心辅以逻辑控制电路来实现系统中太阳能电池最大功率点跟踪 (MPPT)、蓄电池容量预测和蓄电池充电精确控制，以满足太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求，从而提高太阳能照明系统效率，确保系统运行稳定，并延长蓄电池的寿命。3.2太阳能光伏电池太阳能光伏电池工作原理的基础是半导体P-N 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳照射P-N 结时，在半导体内就会产生电子空穴对，由于P-N 结势垒区存在较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴。在内建电场的作用下电子向N 型区扩散，空穴向P 型区扩散，并分别聚集于两个电极部分，结果使P 型区电势升高，N 型区电势降低，P-N 结两端形成光生伏打电动势，这就是P-N 结的光生伏打效应。如果用导线连接这两个电极，就构成短路电流。在P-N 结开路情况下，P-N 结两端建立起光生伏打电动势,这就是开路电压。如果将P-N 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，这样P-N 结起了电源的作用，这就是太阳能电池的基本工作原理。太阳能光伏电池的电流电压特性曲如图3-3所示图中：为短路电流，为开路电压，最大工作电流，最大工作电压，最大输出功率曲线显示了通过光伏电池传送的电流I与电压U在特定的太阳辐照度下的关系图3-2 太阳能光伏电池等效电路 图3-3 太阳能光伏电池电流-电压特性本系统所选用的太阳能电池的型号为Bn-10D的多晶硅电池，其在温度为25，光照强度为1000W/m2具体参数和指标如表3-1所示：表3-1 太阳能电池参数和指标名称参数型号Bn-10D制作材料多晶硅标称功率10W工作电压17.5V工作电流0.57A短路电流0.65A开路电压21.5V3.3蓄电池蓄电池的容量就是蓄电池的蓄电能力。通常以充足电后的蓄电池、放电至其端电压到终止电压时，电池所放出的总电量。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量(Ah)等于放电电流(A)与其持续时间(h)的乘积Q=It如果放电电流不是常数，那么蓄电池的输出容量为不同的放电电流与其持续时间的乘积之和:Q=I1t1+I2t2+I3t3+I4t4+Intn=It=0tIdt式中: t1、tn分别为放电持续时间；I1、In分别为t1、tn时间时的放电电流。本系统所选择的蓄电池的型号为NP100-12，其额定电压为12V,额定容量为100Ah。4控制系统设计4.1控制系统的建立和主要硬件控制系统以单片机为控制核心，接收来自光辐射强度传感器和温度传感器的信号，经处理后发出控制指今通过继电器控制水泵工作状态。检测到的实时光辐射强度、电池板温度和实时时钟可在LCD上显示出来，系统预置值可通过按键进行设定控制系统总体结构如图4-1所示，本文选用了AT89C52单片机、TSL230型可编程光/频转换器、DS1822型温度传感器等硬件。水泵1AT89C52DS1302DS1822LCD水泵2继电器2TSL230继电器1键盘报警图4-1控制系统总体结构图4.1.1ATsgc52单片机的性能及引脚功能ATMEL公司的AT89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位单片机，工作电压范围为2.7V-6V。片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器(ROM)和256bytes的随机数据存储器(RAM)，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS一51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时/数器，1可编程的全双工串行通信接口，能同时进行数据的接收和发送，通过RXD引脚和TXD引脚与外界进行通信，2个读写口线。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52引脚如图4-2所示。图4-2 AT89C52 引脚图主要性能:与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作:0Hz33Hz，3级加密程序存储器； 32个可编程I/O口线；3个16位定时器/计数器；8个中断源；全双工UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式； 掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符；软件设置睡眠和唤醒功能。4.1.2TS