李 蕊,孫敬姝,李志有,馬 琳,王 微,張彩虹,付成偉,梁 浩

(吉林大學(xué)物理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130012)

1 引 言

在我國(guó),水資源嚴(yán)重不足,采用傳統(tǒng)的漫灌造成用水浪費(fèi)十分驚人,因而將有限的水資源管好、用好,發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),是我國(guó)一項(xiàng)根本性的戰(zhàn)略措施.而太陽能又是人類取之不盡用之不竭的可再生能源,也是清潔能源,不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染.本文設(shè)計(jì)的是集機(jī)電自動(dòng)化于一體的綜合型演示實(shí)驗(yàn)裝置,它模擬了太陽能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的工作過程,并能最大程度地節(jié)水、節(jié)電、節(jié)約勞動(dòng)力.

本裝置可推廣用于溫室大棚、城市綠化和家庭養(yǎng)花的自動(dòng)澆水,可控制滴灌、噴灌、滲灌,也可用于露地農(nóng)作物的自動(dòng)灌水及施肥和溫室養(yǎng)殖業(yè),還可用于教學(xué),可培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由太陽能發(fā)電裝置、自動(dòng)控制電路、灌節(jié)水裝置、模擬環(huán)境裝置、移動(dòng)車5部分組成,如圖1所示.其中:太陽能發(fā)電裝置由太陽能電池板(400 mm×600 mm)、蓄電池(12 V)和控制器組成,為單片機(jī)、自動(dòng)控制電路和水泵供電.模擬環(huán)境裝置為500 mm×500 mm×500 mm的有機(jī)玻璃箱和500 mm×500 mm×200 mm的水槽組成.在水槽上放置帶孔塑料板和綠草坪,箱內(nèi)放置可調(diào)節(jié)的加濕加熱設(shè)備,并利用可控?zé)裟M太陽光照射強(qiáng)度的變化.微灌節(jié)水裝置包括水泵、主干管、支管等,放在草坪上.用25 W 12 V直流無刷水泵將水源(水槽內(nèi)的水)輸送到主干管、支管中,進(jìn)行噴灌,供作物(草坪)吸收水分.當(dāng)測(cè)得的濕度小于70%,溫度在10～35℃之間,或溫度高于35℃但光強(qiáng)小于15 000 lx時(shí),水泵自動(dòng)打開,進(jìn)行噴灌,并可循環(huán)使用水槽內(nèi)的水.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 自動(dòng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制電路框圖如圖2所示.

圖2 自動(dòng)控制電路框圖

1)單片機(jī):選用16位MSP430F149(TI公司)單片機(jī)作為自動(dòng)控制電路的核心.該單片機(jī)硬件集成度高,為單片機(jī)與傳感器、固態(tài)繼電器、顯示屏連接提供了充足的I/O端口,方便數(shù)據(jù)采集與信號(hào)傳輸.MSP430提供了多種晶振方案,可以為不同模塊選擇不同的時(shí)鐘源.超低功耗是MSP430突出特性,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)而不會(huì)消耗大量的電能.本設(shè)計(jì)采用8 MHz的晶振配置為主系統(tǒng)工作時(shí)鐘,32.768 kHz的晶振配置為外圍系統(tǒng)工作時(shí)鐘.

2)溫濕度傳感器:采用SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器芯片,傳感器包括1個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、1個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件,并在同一芯片上,與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接.提供全標(biāo)定的兩線數(shù)字輸出,即采用IIC傳輸模式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.濕度測(cè)量范圍0～100%,溫度測(cè)量范圍-40～+123℃.測(cè)濕精度±4.5%,測(cè)溫精度在25℃為±0.5%.

3)光強(qiáng)傳感器:選用的TSL230光強(qiáng)傳感器在單片電路中集成了1個(gè)可配置的硅光電二極管和1個(gè)電流/頻率轉(zhuǎn)換器,可直接輸出正比于入射光強(qiáng)度的頻率信號(hào),該器件與單片機(jī)接口相接,采用單總線通訊模式,方便與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

4)L ED顯示屏:采用SITRONIX電子公司生產(chǎn)的中文圖形ST7920控制芯片,最多可以驅(qū)動(dòng)256×32個(gè)液晶點(diǎn).單片機(jī)的I/O端口與ST7920相連接,通過IIC總線通訊模式,實(shí)現(xiàn)命令傳輸與數(shù)據(jù)傳輸.ST7920具有低功耗特點(diǎn),滿足省電需求.

5)水泵控制電路:使用25 W 12 V直流無刷水泵.單片機(jī)輸出的信號(hào)通過固態(tài)繼電器J GX-2FA進(jìn)行放大,控制水泵開關(guān).當(dāng)測(cè)得數(shù)據(jù)達(dá)到適當(dāng)條件時(shí),單片機(jī)輸出高電平,使水泵接通12 V電壓開始工作.

2.2 自動(dòng)控制電路的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示.

系統(tǒng)初始化后,調(diào)用溫度、濕度、光強(qiáng)測(cè)量程序.由于溫濕度傳感器的非線性,將傳感器測(cè)得的數(shù)值,經(jīng)過公式計(jì)算得到修正后的相對(duì)濕度、溫度.把測(cè)量到的光強(qiáng)傳感器輸入的脈沖信號(hào)周期換算為所測(cè)光強(qiáng).通過調(diào)用寫數(shù)據(jù)函數(shù),把溫度、濕度、光強(qiáng)顯示到屏上相應(yīng)位置.

圖3 程序流程圖

判斷溫度是否低于10℃,如果低于10℃不開啟水泵,否則繼續(xù)判斷濕度,濕度大于70%不開啟水泵,否則再次判斷溫度是否高于閾值35℃,如果低于閾值則開啟水泵,否則判斷光強(qiáng)是否高于閾值15 000 lx,高于閾值關(guān)水泵,低于閾值開水泵.到此,單片機(jī)完成1次數(shù)據(jù)測(cè)量與判斷.

如果水泵沒有打開,則返回系統(tǒng)初始化,進(jìn)行新一輪的數(shù)據(jù)測(cè)量,直到開啟水泵.水泵開啟后,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài),使能定時(shí)器中斷,定時(shí)為3 s.3 s后觸發(fā)中斷,返回系統(tǒng)初始化,進(jìn)行新一輪測(cè)量判斷.如果滿足灌溉條件,則水泵一直處于開啟狀態(tài),一旦條件不滿足,關(guān)閉水泵,進(jìn)行下一輪測(cè)量.

3 實(shí)驗(yàn)操作

系統(tǒng)工作時(shí),單片機(jī)時(shí)刻檢測(cè)環(huán)境變化,確定是否開水泵進(jìn)行噴灌.

a.光強(qiáng)控制旋鈕旋至低擋,LED顯示屏顯示濕度小于70%,植物處于缺水狀況,則需要進(jìn)行灌溉.

b.若溫度低于10℃不能進(jìn)行噴灌.

c.若溫度在10～35℃之間,開始自動(dòng)噴灌.

d.調(diào)節(jié)溫度控制旋鈕使溫度升高,屏幕顯示溫度大于閾值35℃,但光強(qiáng)小于閾值15 000 lx,繼續(xù)噴灌.

e.將光強(qiáng)控制旋鈕調(diào)大,當(dāng)屏幕顯示光強(qiáng)大于15 000 lx時(shí),噴灌停止.(模擬夏天10:00-15:00光照強(qiáng)度大,溫度高,不宜灌溉.)

f.將溫度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)小,屏幕顯示溫度小于35℃時(shí),又開始噴灌,以后無論如何調(diào)節(jié)光強(qiáng)照度,噴灌不停.

g.打開加濕器開關(guān),濕度大于70%(模擬土壤濕度飽和)時(shí),噴灌停止,不論怎樣調(diào)節(jié)溫度和光強(qiáng)控制開關(guān),都不再噴灌.

4 結(jié)束語

本演示系統(tǒng)以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),模擬了太陽能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的工作過程,有利于太陽能、自動(dòng)控制等綜合方面的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué),有利于促進(jìn)該系統(tǒng)的推廣使用,使太陽能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)早日在我國(guó)普及.

[1] 黃正佳.可編程光/頻轉(zhuǎn)換器TSL230[J].國(guó)外電子元器件,1999,(1):41-44.