智能节水灌溉系统的设计

1、目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 摘要I HYPERLINK l bookmark8 ABSTRACTII HYPERLINK l bookmark10 第一章引言1 HYPERLINK l bookmark12 1.1研究背景1 HYPERLINK l bookmark14 L2国内外研究状况3 HYPERLINK l bookmark16 1.2.1国内外研究状况背景3 HYPERLINK l bookmark18 1.2.2国外研究状况3 HYPERLINK l bookmark20 1.2.3国内研究状况4 HYPERLINK l bookma

2、rk22 1.3本课题的研究工作4 HYPERLINK l bookmark24 第二章方案研究与论证6 HYPERLINK l bookmark26 2.1研究方案选择6 HYPERLINK l bookmark28 1.1专家系统6 HYPERLINK l bookmark30 1.2微机测控技术7 HYPERLINK l bookmark32 2设计方案8 HYPERLINK l bookmark34 第三章系统设计11 HYPERLINK l bookmark36 3.1土壤水分的测量11 HYPERLINK l bookmark38 1测量方法的选择11 HYPERLINK l bo

3、okmark40 1.2传感器的改进15 HYPERLINK l bookmark42 2土壤温度测量22 HYPERLINK l bookmark44 2.1传感器的选择22 HYPERLINK l bookmark46 2.2温度测量电路设计23 HYPERLINK l bookmark48 3控制仪器设计24 HYPERLINK l bookmark50 3.1仪器设计方案24 HYPERLINK l bookmark52 3.2测控仪设计26 HYPERLINK l bookmark56 3.3设显仪设计36 HYPERLINK l bookmark58 第四章实验40 电阻有钳热电阻

4、和铜热电阻。销热电阻的特点是物理化学性能稳定，尤其是耐氧化能力强、测量精度高、测温范围宽，有很好的重现性，但价格较贵。而铜热电阻虽然价格便宜，但测温范围小，测温精度不高，电路设计也比较复杂。热敏电阻传感器是利用半导体的电阻随温度显著变化这一特性测温的，它的体积小、灵敏度高、稳定性好，但是它的互换性差，而且价格昂贵。半导体温度传感器是利用半导体PN结的温度特性制成的。这种传感器的优点是小型化、线性好、高灵敏度、稳定性好、重复性好，互换性好，低成本，易于电路设计或控制电路接口。从以上分析可以看出，半导体温度传感器由于具有小型化、线性好，低成本，易于电路设计或控制电路接口的优点是最适合用在控制系统中

5、测量土壤温度的。LM35是集成的半导体精密温度传感器，与传统的热敏电阻、热电阻、热电偶等相比较，与热敏电阻、热电偶等传统传感器相比，具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价格低等特点，非常适合于常温测量工作。因此，在控制系统设计中选用LM35来测量土壤温度。322温度测量电路设计LM35是电压输出，它的外型很小，只有3个弓I脚（如图3.6所示）Vout是输出电压端,Vs是电源端。在一定的工作条件下，传感器的输出电压V。与被测温度成线性关系。使用中无须作0或20校准，其工作灵敏度为10mV/C,工作电流5680uA,自身精度为0.4（25时），传感器输出电阻为0.1,工作电源电压范围430V。L

6、M35的基本电路十分简单，遥测环境温度电路如图3.6所示，其测温范围为20-150o输出电压从并联的电阻上获得，输出电压与温度的关系式3-4决定：匕环境+1）（3一4）由于遥测的距离较长，从传感器到并联的电阻见的导线应绞合。200c1%图3.6LM35及其遥测电路控制仪器设计仪器设计方案控制仪器的设计方向是具有广泛的适用性，同时尽量小型化、简单化、易操作及低成本,实时监测土壤墙情，按照作物需水特性精确灌溉。.土壤墙情监测与判断自动化节水灌溉控制设备研究的主要目的是为解决我国水资源紧缺问题，即节水，实现作物按需精确灌溉，因此，土壤水分是自动化设备主要监测的土壤参数。同时，考虑到土壤温度对作物生长

7、及灌溉都有影响，因此也需要对土壤温度进行监测。土壤水分通过负压式土壤水分传感器测量土壤水吸力获得，土壤温度则由半导体集成精密温度传感器LM35测量。至于其他的参数，如土壤盐分、作物叶面蒸腾量等，在测量参数己足够和简化系统降低成本的前提下，可以不用考虑测量。因此，自动化节水灌溉控制仪器的主要工作就是对土壤水分和温度进行监测，并根据土壤水分传感器与温度传感器传送的当前土壤水分与温度信息进行判断，在适宜浇水的温度范围内，若土壤处于缺水状态，就给出控制信号，控制灌溉设备进行浇灌，若是土壤不缺水就不浇灌或是给出停止浇灌的控制信号。在控制仪器的工作中，判断土壤是否缺水是一个难点。负压式土壤水分传感器测出来

8、的是土壤的水吸力。土壤水吸力与土壤水分具有一定的关系，土壤吸力越大，土壤含水量越小；土壤吸力越小，土壤含水量越多。由于负压式土壤水分传感器经过多年使用累积经验，已经掌握了大部分作物需水状态对应的土壤水吸力范围，因此，可以直接用土壤水吸力来判断作物的缺水状况。但是，不同的作物对水分的需求是不一样的，同一作物在不同的时期对分的需求也是不一样的，就算是同一作物在同一时期它对水分的需求也是会随着环境的不同而变化的，判断土壤缺水没有统一的标准。为实现自动控制、按需灌溉，控制仪器就必须能够根据不同的作物，不同的生长期以及不同的环境改变判断土壤缺水的标准。因此，控制仪器在设计时就必须具有允许操作者通过键盘设

9、定判断土壤缺水标准的功能，对不同作物农业专家就可以凭经验设定不同的判断值来实现作物按需灌溉，这样，不仅能充分利用农业专家的经验，还可以使自动化节水灌溉控制仪器适用于许多不同作物，提高了仪器的通用性。.灌溉控制(1)控制方式目前我国设施农业中装配的灌溉系统设备差异很大，这主要使由于各地方的条件和资金差异造成的。有的使用电机输水，有的通过水泵加压，有的是电磁阀控制等等。要使控制系统具有通用性，就要使其给出的控制信号能够控制这些不同的输水设备，这就要找出它们的共同点。通过观察不难发现，这些输水设备都是通过接通电源工作的，如果给这些输水设备的电源线上加一个开关，由控制系统来控制开关的闭合，那么控制系统

10、就可以控制这些设备工作了，也即控制系统实现了灌溉的控制。这样，控制系统给出的控制信号也就具有了通用性。(2)灌溉方式不同的土壤渗水能力是不一样的，比如砂土渗水能力很强，水分能很快的渗入土壤深层，而粘土渗水能力就较弱，需要经过一段时间水才能渗入土壤深层。对于渗水能力强的土壤，灌溉效果能够很快的显现出来，控制仪器能够通过土壤水吸力传感器很快的检测到土壤缺水状态已得到缓解，可以停止浇水。而对于渗水能力弱的土壤，就会出现这种情况:实际浇水量己经足够，只是由于土壤渗水能力弱，水分不能及时渗入土壤深层,土壤水吸力传感器测出土壤仍然缺水，控制仪控制灌溉设备继续浇水，等到土壤水吸力传感器测出土壤已不缺水并停止

11、浇水后，这时的浇水量己远超过作物的需求量。这不仅没有实现节水反而浪费了水，同时对需水量敏感的作物生长也不利。因此，为使控制系统能适应不同土壤的灌溉要求，就需要设计几种不同的灌溉方式，针对不同的土壤选择不同的与之相适应的灌溉方式，以保证能够达到节水的目的。.控制仪整体低成本设计低成本是自动化节水灌溉控制仪设计的一个重要要求，它也是决定节水灌溉控制系统能否推广的一个重要因素。控制仪的设计一般包括四个部分:检测部分、控制部分、功能设定部分、工况显示检测部分检测土壤水分与温度并对检测结果数据进行处理;控制部分判断作物缺水状况并给出灌溉控制信号;功能设定部分设定判断作物缺水参数值和灌溉方式:工况显示部分

12、显示土壤水分和温度检测结果及当前控制仪工作状态。一般控制仪的设计都会将这四部分合在一起做成一台仪器，但是这样做会增加单台仪器的体积和成本，而对于在田间工作的节水灌溉控制仪来说，检测控制和设定显示是可以分开设计的。这是因为节水灌溉控制系统是整天整夜不间断地在田间工作的，如无特殊要求是不要需要操作者守在仪器旁边监视其工作的，特别是晚上，控制仪可以自己自动工作，因此在控制仪工作的大部分时间里工况显示是没有必要的，而土壤缺水判断标准和灌溉方式在一开始设定好后，在一段长时间内也不需要改变。这样，检测控制与设定显示设计成一体就没有必要。如果将检测控制和设定显示分开设计成两台仪器，不仅可以减小单台仪器的体积

13、，还可以降低单台仪器的成本。同时，一台功能为设定显示的仪器可以搭配许多台检测控制的仪器，在购买节水灌溉控制系统时，就可以买许多台的检测控制的仪器，而只买一台或是少量的设定显示的仪器，这样就会大大降低实现节水灌溉自动控制的成本，有利于节水灌溉自动控制系统的推广。检测控制与设定显示分开的仪器可以分别叫做测控仪和设显仪，在需要观察当前土壤情况或进行参数设定时，可以通过一个通讯接口将设显仪与测控仪连接起来，通过设显仪显示测控仪所测当前土壤状况，或设定新的参数。将仪器分开设计后，仪器的体积就可以设计得很小，特别是设显仪的体积很小，随身携带很方便。这样，种植人员可以随身携带一个设显仪去巡查所有作物的种植生

14、长状况，十分方便。以上是控制仪设计方案的总体构思，下面就对自动节水灌溉控制仪设计进行具体介绍。.3.2测控仪设计测控仪的功能主要是实时监测土壤水分和土壤温度，对检测结果进行处理，并判断当前作物的生长状况是否处于缺水状态，若缺水就给出浇水信号进行浇水，若是作物处于不缺水状态就不浇水或是停止浇水。.测控仪功能设计(1)检测结果处理测控仪的首要工作就是要将土壤水分传感器和温度传感器传送来的信号进行处理，转换为单片机能够识别的数字信号。一般的信号转换都采用A/D转换器，但是A/D转换器比较贵，需要根据转换精度来选择且转换数据间的关系计算比较复杂。除A/D转换器外，V/F转换也是近年来使用得较多的信号转

15、换方法。LM331是用得较多的一种V/F转换芯片，它的体积小，成本低，精度高，所需外围元件少且输入与输出即V,F成线性关系,转换关系简单。基于LM331的上述优点，在测控仪检测结果的处理中使用LM331进行信号转换。LM331与温度传感器LM35只需使用少量元器件就能构成线性关系很好的V/F转换。土壤水分传感器传送过来的是标准的4-20mA电流，只要经过250欧姆的标准电阻取样就能转换为相应的电压，与LM331也能够成线性关系很好的V/F转换。LM331的线性转换电路如图3.7所示。输入电压与输出频率的关系如式3-5所示：Font=Rs2.09此RFont=Rs2.09此RCTVin(3-5)

16、Vm图3.7LM331V/F转换电路式中，Rs是Rsl和Rs2的电阻之和，Vin的单位为伏特，输出频率Fout的单位是Hz。从上面的公式可以看出，只要选择好Rs,RL,Rt,Ct的参数值，输入和输出就会有很好的线性关系。(2)灌溉的控制在第三节中提到过，目前我国各设施农业中灌溉输水控制设备很不统一，有电机、水泵、电磁阀等，要使测控仪的控制信号具有通用性就要用测控仪的控制信号去控制一个开关，而这个开关去控制灌溉输水控制设备的电源的通断，从而达到测控仪控制灌溉的目的。继电器是目前使用得最广泛的可控开关，性能也比较可靠，因此在测控仪设计时就选用继电器来控制灌溉输水控制设备电源的开关。继电器有大有小，

17、有交流控制也有直流控制，它的触点开关既能通过直流也能通过交流。由于是测控仪直接控制继电器开关的吸合，因此，要选用直流控制的继电器。这种直流控制的继电器功率一般较小，不能承受大电流交流电流过。对于交、直流供电且电流较小的灌溉输水控制设备来说，可以直接用这种继电器来控制。但是对于交流供电且电流较大的灌溉输水控制设备来说，就不能直接用这种继电器来控制电源。这时，可以再加一个可通过较大电流的交流继电器，用宜流小功率继电器去控制大功率交流继电器，大功率交流继电器乂去控制灌溉输水控制设备的交流电源，这样测控仪同样可以实现灌溉的控制。也就是说，测控仪给出的控制信号具有通用性。(3)传感器的数量与工作方式。土

18、壤水分是灌溉控制的最重要参数，但是一个土壤水吸力传感器只能测一个小范围内的土壤水分，这一小范围往往不能代表一大片土壤的含水情况，而一片大田里往往种有很多作物，要在每一株作物附近插一个传感器测土壤水分乂是不现实的。由于设施农业中土壤比较平整均匀，具有一定的一致性，可以在一定面积范围的土壤内设置几个测试点，取几个测试点的平均值来代表这一面积范围土壤的含水状况，这样既可以不需要太多的成本去购置传感器乂可以使土壤水分的测量比较平均准确。因此测控仪设计连接了三个负压式土壤水分传感器，用四个传感器稍嫌太多，而两个又太少，三个比较合适。对于温度传感器数量的选择，考虑到一块地的温度不会有太大的差别，且土壤温度

19、只是起参考的作用，因此在简化系统、减少成本的前提下只需用一个温度传感器测土壤温度就可以了。此外，对于三个土壤水分传感器测控仪可以有两种不同的控制方式。第一种方式，当测控仪用来控制较大一片土壤的灌溉时，可以将三个传感器均匀分布埋设在这片土壤里，再取三个传感器测量的平均值来表示整片土壤的含水状况，根据这个平均值来控制灌溉。第二种方式，三个传感器可以独立的控制灌溉。测控仪设置了三组独立的继电器,在第二种控制方式下，每一组继电器对应一个传感器，每组继电器可以独立的设定不同的灌溉方式，根据对应的传感器所测的土壤水分数据独立的控制灌溉。这样，在控制土壤面积不大的情况下，测控仪就可以独立控制三块地，这也就增

20、大了测控仪的工作量，从分发挥的测控仪的潜力。同时第二种控制方式还可以用于花卉、盆景等经济植物的栽培中，分别将三个传感器插在不同种类的花卉盆或盆景中，根据不同种类花卉或盆景对水分的不同要求设置不同的土壤缺水判断标准和灌溉方式。一般花卉和盆景对水分的要求是比较苛刻的，用自动化节水灌溉控制仪来培养花卉或盆景，可以收到不错的经济效果。目前，国外也有一些专门针对花卉培养的自动控制灌溉设备，也都收到了不错的经济效果。(4)灌溉方式在第三节提到，针对不同的作物和不同的土壤测控仪需要有不同的土壤缺水判断标准和灌溉方式。这里所说的土壤缺水判断标准指的就是作物缺水或是不缺水状态下土壤水吸力的界限值。测控仪根据要求

21、设置了三种灌溉方式以供操作者在面对不同土质时选择使用。上下限浇灌方式在这种浇灌方式下，可以设定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)和温度三个参数。当测控仪检测到土壤水吸力大于上限值时，表示作物缺水，控制仪给出控制信号，控制浇水。当测控仪检测到土壤水吸力低于下限值时，表示浇水足够，停止浇水。测控仪在检测土壤水吸力的同时还要检测温度，当发现温度低于设定温度时立即停止浇水，以免在低温下浇水冻伤作物。这种灌溉方式是针对那些渗水快的土壤设计的，当灌溉后水能很快下渗，不需要延时等待。延时浇灌方式在这种浇灌方式下，可以设定土壤水吸力上限值(Pu)、延时时间(tl)和温度(T)三个参数。当测控仪检测到土壤

22、水吸力大于上限值时，表示作物缺水，控制仪给出控制信号，控制浇水。当浇水时间达到延时时间tl后，表示浇水足够，测控仪停止浇水。同样，测控仪也需要检测土壤温度，当温度低于设定温度时立即停止浇水，以免在低温下浇水冻伤作物。这种灌溉方式是针对对灌溉系统比较熟悉，预先知道灌溉量的情况设计的。即管理人员对灌溉系统很熟悉，知道它一分钟能够浇多少水，同时也知道某种作物在缺水后需要补充多少水分，这时管理员就可以设定一定的延时时间，浇够确知的作物需水量后就停止浇灌。综合浇灌方式在这种浇灌方式下,可以设定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)、延时时间(tl,t2)和温度五个参数。当测控仪检测到土壤水吸力大于上限

23、值时，表示作物缺水，控制仪给出控制信号开始浇水。浇水时间达到延时时间tl后，停止浇水并等待水分渗入土壤，当等待时间达到t2后，再检测土壤水吸力，如果土壤水吸力低于下限值Pd则表示浇水己足够，测控仪就停止浇水。如果土壤水吸力大于下限值Pd则表示还需要浇水，则控制仪继续浇水，时间达到tl就停止，再等待，再检测，如此循环，知道土壤水吸力低于下限值Pd。同上面两种灌溉方式一样，这种灌溉方式也需要检测温度，当温度低于设定温度时立即停止浇水。这种灌溉方式是针对渗水较慢的土壤设计的，在灌溉后需要一定的下渗等待时间，操作人员可以根据不同土壤不同要求设定下渗等待时间。上述三种灌溉方式是基于可能遇到的土壤类型设置

24、的，基本上能够满足测控仪工作时的要求。.前面板测控仪的前面板如图3.8所示。由于测控与设显分开设计成两台仪器，测控仪上就没有工况显示，但是当种植者在田间巡查乂不必携带设显仪修改参数时，需要知道测控仪是否工作正常，或是测控仪处于哪种工作状态，这就需要在测控仪的前面板上设置指示灯，让种植者能够知道测控仪当前的工作状态。图3.8测控仪前面板从测控仪的前面板上可以看到测控仪的当前工作状态，如果测控仪工作正常则工作灯亮，如果正在浇水则浇水灯亮。测控仪当前的工作方式（方式1：取三个土壤水吸力传感器平均值控制操作；方式2：三个土壤水吸力传感器独立工作）和灌溉方式（上下限、延时、综合）也可以通过指示灯指示出来

25、。通讯接口用来与设显仪通讯，接受通过设显仪设定的各项参数。将通讯接口放在前面板，在与设显仪连接时就会比较方便。.测控仪后面板测控仪的后面板如图3.9所示。后面板上主要是传感器的检测信号输入和电磁阀的控制信号输出。这些信号输入通道放在测控仪的后面板也是处于习惯与方便连接的考虑。当测控仪工作于方式1时，只有第一路输出控制信号控制灌溉，当测控仪工作于方式2时，三路分别独立的输出控制信号控制灌溉。控制信号123路ooOOootoJoOOOO压力1压力2压力3温度图3.9测控仪后面板.测控仪的电路设计测控仪采用单片机控制，它的电路设计主要包括四部分，即对传感器检测结果的处理电路、与设显仪的通讯电路、继电

26、器控制电路及数据存储电路。土壤水分传感器和温度传感器的检测结果信号转换处理采用LM331进行V/F转换，这在第三节节中己经提到。但是土壤水分传感器与温度传感器加起来一共有四路检测结果需要进行V/F变换，如果使用四个LM331显得有些累赘。由于四个传感器的V/F转换可以使用相同的转换关系，因此，为减少器件，只用一个LM331进行V/F转换，采用一个模拟开关进行切换，这样四路传感器信号就可以实现分时检测转换。与设显仪的通讯采用232串行通讯，这样，测控仪即能与设显仪通讯也能与上位机通讯。测控仪的灌溉控制部分采用继电器来控制，继电器相当于一个开关，通过这个开关控制灌溉，而它的闭合与断开由测控仪控制。

27、由于有三个土壤水吸力传感器，所以就需要三个继电器，当工作于控制方式1时，只用一个继电器去控制灌溉;当工作于控制方式2时，三个继电器就分别独立地控制三个灌溉系统。数据存储采用28c64,它能实现掉电保存，且容量较大，能存较多数据，利于仪器功能扩展。需要存储的数据主要是设定的控制方式、灌溉方式及其灌溉参数等。测控仪的硬件电路设计示意图如图3.10所示。指示灯图3.10测控仪电路设计示意图.测控仪的软件设计检测控制就是监测土壤水分与温度，并根据设定定的灌溉方式及参数判断是否需要浇水，给出控制信号。通讯即是与设显仪通讯，接受设定的灌溉参数并发送经过处理后的土壤水分与温度数据给设显仪显示。(1)检测控制

28、程序流程图RI为通讯接收完数据后申请中断标志位，程序循环检测是否有数据发送过来。检测控制功能的流程图如图3.11所示。初始化分别根据压力1,2,3判别当前情况图3.n检测控制程序流程图通讯程序将温度压力值分别发至设显仪控制方式2通讯程序流程图测控仪通讯程序流程图如图3.12所示。在通讯程序中，接收到第一个数据后对其进行判断，为OFFH表示设显仪己接入测控仪请求通讯，测控仪则把存储的各项设定参数及当前检测结果发送给设显仪。图3.12测控仪通讯程序流程图3.12测控仪通讯程序流程为OFEH表示设显仪重新设定了灌溉方式及其参数要求测控仪接收;UFDH表示接收新的控制方式:若接收的第一个数据不是上述三

29、个则表示接收出错，请求设显仪重新发送。333设显仪设计设显仪的功能就是对测控仪的检测结果、工作状况进行显示，并设定测控仪的控制方式、灌溉方式及与灌溉方式对应的参数。简单的说，设显仪就是人工与测控仪交互的工具，因此，设显仪的设计最主要就是按键与显示器的设计。由于按键与显示器要在面板上，面板就成为设显仪设计的最重要内容。.设显仪面板设计设显仪是本着简单化、小型化，便于携带的宗旨设计的，因此它的面板设计也是尽量简单、直观、操作方便。由于测控仪所测的土壤参数只有土壤水吸力和温度，要显示的数据不多，所以设显仪的面板只用了一个四位的数码显示。在设计时曾考虑用三位半的液晶显示，可以减小功耗，同时用担心显示亮

30、度问题，但考虑到使用液晶显示它的驱动会比较复杂，这会增加电路的复杂性，同时液晶显示器的成本要比数码管高很多，因此，在不是必须要适用液晶显示的情况下选择了适用数码管来显示。土壤水吸力的检测范围是OTOOKPa,温度的测量范围是2-150C,为了增加检测数据的显示精度所以用了四位显示。显示器具体显示的参数有测控仪实时检测的三路土壤水吸力，即压力1、压力2、压力3及土壤温度，设定的各个灌溉方式的参数，即Pu,Pd,tl,t2,To每当显示器显示相应的参数时，该参数对应的指示灯就会亮，以说明当前显示的是什么参数。设显仪设置了七个键来完成其设定与显示的功能。检查键用来检查三个土壤水吸力传感器与一个温度传

31、感器的检测结果。由于只有一个显示器，因此不能同时显示四个数据，设置了检查键就可以循环显示压力1.压力2、压力3及温度的检测值，操作者就可以观察四个传感器的工作情况。方式键可以选择测控仪的控制方式。当设定控制方式为方式1时，方式1指示灯就亮，方式2指示灯灭：当设定控制方式为方式2时，方式2指示灯亮，方式指示灯灭。功能键、加减键和确定键用来设定测控仪的灌溉方式以及与各灌溉方式对应的参数(CP,Pd,tl.t2.T)o在控制方式1下，按一下功能键进入设定状态，按一下方式键设定上下限灌溉方式，按两下设定延时灌溉方式，按三下设定综合灌溉方式，按四下设定温度。在控制方式2下，按一下功能键进入压力1设定状态

32、，按两下进入压力2设定状态，按三下进入压力3设定状态;在各压力设定状态下，按方式键设定灌溉方式，与控制方式1相同。锁定键可以用来锁定显示某一检测值。当操作者需要单独观察某一个传感器的工作情况与检测结果时，可以适用锁定键来选择，这时设显仪就会只显示选定的这一路的传感器的检测结果。.设显仪电路设计设显仪采用单片机控制，它的电路设计比较简单，主要有三个部分，即按键设计、显示及与测控仪的通讯。按键一共有七个，采用一片优先编码器;显示采用四位数码管;通讯采用232串行通讯。设显仪不存储数据，所有设定参数都发送到测控仪存储。设显仪的电路设计示意图如图3.13所示。图3.13设显仪电路设计示意图.设显仪的软

33、件设计设显仪的软件设计主要的有三部分，显示、按键程序和通讯程序。（1）设显仪主程序流程图主程序里包括了显示程序和通讯程序。显示程序主要是将测控仪送来的当前土壤水分和温度检测结果通过数码管显示出来，便于工作人员观察。通讯程序则是将设定的各项参数值发送给测控仪，并接受测控仪发送来的检测数据。设显仪主程序流程图如图3.14所示。图3.14设显仪主程序流程图（2）按键程序流程图按键采用中断方式工作，在设定完控制方式或是灌溉方式及其参数后都要将设定值发送给测控仪。设显仪按键程序流程图如图3.15所示。图3.15设显仪按键程序流程图第四章实验系统实验模拟实验.实验目的与装置整个系统设计完成之后，不能马上拿

34、到现场进行实验，要在实验室内实验检查整个系统是否能按照设计的功能工作，即能否检测出土壤水吸力，能否根据检测结果判断土壤缺水并给出控制信号。若整个控制系统能够正常工作才能拿到现场做实验，否则系统还需调整改进。由于实验室内条件有限，因此用一个大塑料桶装满泥土来模拟田间的种植土壤，只选用一个负压式土壤水分传感器来测量其土壤水吸力，将传感器插在塑料桶的正中。温度传感器也插在水分传感器的旁边。传感器的输出信号经导线接到测控仪上，设显仪也接到测控仪上。至此，整个控制系统的试验装置准备完毕。.水分传感器的安装与埋没负压式土壤水分传感器的安装与埋设是有一定要求的，不能随随便便的插入土壤中。在需要测量土壤水吸力

35、的地方，要以一直径相当于陶土头的钻孔器开孔到待测深度.倒入少许泥浆.垂直插入仪器.使陶土头和土壤紧密接触，然后将周围填土捣实。以免雨水沿管周松土下渗而失去代表性。仪器的埋设深度通常根据土壤的作物种植情况而定.对于旱田作物一般采用380,的集气管，通常将陶土头埋入地下约30cm处;而对于水田作物一般采用580或780mm的集气管，分别将陶土头埋入地下约50或70cm处。.实验经过与结果传感器安装好后，控制系统便可通电工作。通电后，设显仪能够显示测量数据，也可以通过设显仪设定参数。这次实验主要做了以下四个方面的工作：（1）检查上下限灌溉方式工作是否正常。通过设显仪设定测控仪的灌溉方式为上下限方式。

36、当设显仪显示的土壤水吸力测量值大于上限时，浇水灯亮，同时用电表测量第一路继电器的常开端，发现两端导通，说明测控仪处于控制浇水状态。当显示值低于下限时，浇水灯灭，测量继电器的常开端不通，说明测控仪已经停止浇水。试验结果表明上下限灌溉方式工作。（2）检查延时灌溉方式工作是否正常。设定测控仪的灌溉方式为延时方式。当设显仪显示的土壤水吸力测量值大于上限时，浇水绿灯亮，同时用电表测量第一路继电器的常开端为导通状态，测控仪处于浇水状态。经过一段时间浇水灯灭，测量继电器的常开端为断开状态，测控仪停止浇水。浇水灯亮时用秒表计时，到浇水灯灭时停止计时。计时时间与设定的延时时间基本一致，误差不超过十秒。说明延时方

37、式也能正常工作。（3）检查综合灌溉方式工作是否正常。设定测控仪的灌溉方式为综合方式。当显示值大于上限时，浇水灯亮，继电器常开端导通。经过一段时间浇水灯乂亮，此时，显示值大于上限。如此反复，当显示值低于下限后，浇水灯未再亮。对浇水时间和等待时间计时，发现计时时间与设定时间基本一致，误差不超过十秒。说明综合方式也能正常工作。（4）检查温度能否控制灌溉。当测量温度高于设定值时，控制仪能正常工作。将每个灌溉方式的温度值设到低于土壤温度，当显示测量值大于上限时，浇水灯不亮，继电器常开端断开，测控仪不浇水。说明测控仪能实现温度过低不浇水的功能。从上面实验可以知道，传感器能够测出土壤的水分和温度，控制仪能够

38、根据设定值控制灌溉，整个控制系统能够正常工作，可以拿到现场进行实验。4.1.2现场实验在完成室内实验对控制系统的检查后，节水灌溉自动控制系统拿到了农业科技园进行现场实验。.现场描述与系统安装节水灌溉控制系统在漂水县的傅家边农业科技园进行了实验，实验场地选择了大棚里的一块种植地，种植了从国外引进的芦荟，芦荟一列一列的排列种植。地里采取的灌溉方式是滴灌。它在每一列芦荟旁边铺有一条灌溉带，在每一株芦荟旁的灌溉带上都有一个小孔，水在灌溉带里流动时就会从孔中滴下，滴入芦荟根部的土壤里。灌溉带里的水是循环流动的，滴不完的水乂会随着循环带流回来重新进行滴灌，不会造成浪费。由于灌溉带里的水压不够，所以灌溉水的

39、控制是先用水泵给水加压，再由电磁阀来控制水流入灌溉带。当给电磁阀通电时，电磁阀打开，水就可以通过电磁阀流入灌溉带进行灌溉，若不给电磁阀通电，阀就会关闭，水就不能流入灌溉带进行灌溉。控制系统可以通过控制电磁阀来控制灌溉。节水灌溉自动控制系统的安装示意图如图4,1所示。图中，灌溉控制器件是指水泵和电磁阀等控制水流通过的器件，它与灌溉管道、灌溉带一起构成了灌溉系统。电磁阀采用24V的直流电源。测控仪和设显仪放在种植地旁边的一个台子上，三个负压式土壤水分传感器比较均匀的分市在整块地上，传感器的埋设点要在靠近芦荟根部的地方，因为滴灌灌溉时只将水滴在芦荟根部附近的土壤。传感器埋设的方法与前面室内实验的埋设

40、方法一样，埋设深度为30cm左右。温度传感器则埋设在整块地靠近中部的地方，埋设点也在芦荟根部附近。土壤水分传感器与温度传感器的输出信号通过长导线传送到测控仪。同时，电磁阀的正电源线接到了测控仪第一路继电器的两个常开触点上，这样，测控仪通过控制第一路继电器的吸合就能控制电磁阀电源的通断，也控制了灌溉。土壤水吸力传感器设显仪图4.1控制系统实验示意图.实验经过由于在现场实验前进行了室内实验，验证了节水灌溉自动控制系统的三种灌溉方式均能正常工作，因此在现场实验中没有试用三种灌溉方式，而是通过观察土壤渗水能力来决定灌溉方式。经过观察发现，大棚里土壤的渗水能力不是很好，且传感器陶土头埋得较深，水分下渗至

41、芦荟根部需要一定得时间，因此设定控制系统综合灌溉方式。据科技园工作人员介绍，芦荟有一个特点，就是它的叶子颜色能反映出它是否缺水。当芦荟不缺水时，它的叶子颜色为绿色;当芦荟缺水时，它的叶子颜色就会变为灰紫色，而当给它补充水分使它不缺水后，它的叶子乂会恢复绿色。在进行前验前，大棚里的芦荟叶子大部分都呈现了灰紫色，而传感器检测到的土壤水吸力非常大，测控仪马上就处于浇水状态，这与芦荟缺水相吻合。因此，在设定时，浇水时间tl设得比较长。在浇了一段时间后，土壤水吸力有所下降。为了试验测控仪是否正常工作，将下限值设到高于测量值，在经过延时时间t2后，测控仪停止灌溉，仪器工作正常。于是乂将下限值设低,将测控仪

42、放在大棚里让其自动工作。.实验结果三天后，当再次到农业科技园检查测控仪工作情况时，发现测控仪控制灌溉的那块地的芦荟颜色明显变绿，与周围没有控制灌溉的芦荟形成鲜明对比。此时，控制仪已经停止灌溉，但仍在监测土壤水分与温度。为检查节水灌溉控制系统的长时间持续工作性能，将控制系统放在大棚里持续工作了一个多月的时间，控制系统工作仍然正常，并无任何异常现象，说明控制系统具有一定的耐用性。此外，控制仪器体积小，操作简单，科技园里的操作人员很快就掌握了它的操作过程。控制系统由于其简单、操作简单、低成本、工作可靠的特点在科技园受到了工作人员的普遍欢迎。第五章结论智能化设施农业节水灌溉控制系统的设计采用了传感技术与单片微机技术，将工业测控技术和农业种植与灌溉技术结合，依据对农作物生长土壤水分含量的不间断的实时检测的结果，根据作物需水特性，实现了适时，按需精确灌溉，达到了节水的目的