張 艷 李德勝

新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司，新疆 石河子 832000

基于單片機(jī)的棉花自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 艷 李德勝

新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司，新疆 石河子 832000

文章介紹一種適合新疆實(shí)際情況的自動(dòng)灌溉及施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以人工或自動(dòng)控制灌溉、施肥時(shí)間, 自動(dòng)控制肥液濃度。灌溉量、施肥量均采用閉環(huán)控制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理, 操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉, 控制效果能夠滿足實(shí)際要求。

可編程控制器；單片機(jī)；施肥系統(tǒng)；節(jié)水灌溉

1.自動(dòng)灌溉施肥技術(shù)概況

新疆是一個(gè)水資源嚴(yán)重缺乏的地區(qū)，農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右,由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下,就全國(guó)范圍而言,水的利用率僅為45%,水資源利用率高的國(guó)家已達(dá)70%～80%,因而,解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題,對(duì)于緩解水資源的緊缺至關(guān)重要。本文介紹一套用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的作物自動(dòng)灌溉、自動(dòng)施肥及肥液濃度自動(dòng)控制的灌溉系統(tǒng), 該系統(tǒng)能夠按作物所需灌溉水量、施肥量自動(dòng)灌溉、施肥及按作物所需肥液濃度自動(dòng)進(jìn)行混合。并且可以通過(guò)用戶界面輸入控制指令、監(jiān)控系統(tǒng)工作、查詢系統(tǒng)信息等。

2.系統(tǒng)組成及原理

現(xiàn)代化灌溉系統(tǒng)中農(nóng)作物所需養(yǎng)分來(lái)自肥液, 所以在灌溉過(guò)程中不但要根據(jù)作物需求灌溉水, 還要將適宜作物生長(zhǎng)的一定濃度的肥液通過(guò)灌溉水提供給作物。而肥液與水的混合是在灌溉過(guò)程中進(jìn)行, 因此, 肥料的混合、檢測(cè)和控制是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。自動(dòng)灌溉與施肥系統(tǒng)的組成如圖1所示。系統(tǒng)由單片機(jī)控制器、灌溉管路、肥液混合系統(tǒng)等幾部分組成。其中肥液混合系統(tǒng)包括混合罐、抽吸肥液用的文丘里閥、電磁閥(根據(jù)施加肥料種類的不同可有多個(gè)),PH值、EC值傳感器等。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水管與各個(gè)肥液罐的電磁閥通過(guò)單片機(jī)控制開(kāi)啟，肥液由文丘里閥輸送至混肥液儲(chǔ)存罐與灌溉用水充分混合，當(dāng)肥液儲(chǔ)存罐液位達(dá)到要求時(shí)，通過(guò)肥液泵輸送至混肥管道，灌溉施肥時(shí)主電磁閥開(kāi)啟，充分混合后的肥液輸送至灌溉系統(tǒng)主管道并輸送至大田作物及肥水采樣器，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉與施肥。當(dāng)肥水混合液中離子濃度（EC值）或PH值過(guò)高，肥水采樣器采樣得到數(shù)值高于單片機(jī)內(nèi)部控制程序設(shè)置的作物生長(zhǎng)適合濃度數(shù)值，此時(shí)，單片機(jī)控制相應(yīng)肥液罐電磁閥關(guān)閉，肥液儲(chǔ)存罐內(nèi)的肥液被主管道內(nèi)的灌溉用水稀釋，從而避免離子濃度或酸堿度過(guò)高對(duì)作物根系造成傷害。反之，當(dāng)肥水混合液中EC值與PH值過(guò)低，肥水采樣器采樣得到數(shù)值低于單片機(jī)內(nèi)部控制程序設(shè)置的作物生長(zhǎng)適合濃度數(shù)值，單片機(jī)控制進(jìn)水管電磁閥關(guān)閉，肥液儲(chǔ)存罐內(nèi)的肥液濃度上升，從而達(dá)到作物生長(zhǎng)合適的濃度。使用此種控制能是肥液的濃度始終保持在作物生長(zhǎng)合適的范圍內(nèi)。無(wú)需人工干預(yù)，修改單片機(jī)控制程序內(nèi)的預(yù)設(shè)值，可對(duì)不同作物的施肥灌溉進(jìn)行控制。

系統(tǒng)使用流量管傳感器檢測(cè)輸入農(nóng)田的肥液總量，灌溉的水量控制和施肥控制是分別獨(dú)立的, 水量控制由單片機(jī)控制電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)間, 采用閉環(huán)控制。施肥控制包括施肥量控制及肥液濃度控制。施肥量控制同樣采用時(shí)序控制, 由用戶輸入施肥時(shí)間及周期, 或直接手動(dòng)控制施肥。按作物所需肥液濃度,自動(dòng)進(jìn)行肥液的混合。

3.上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

使用VB6.0編寫(xiě)上位機(jī)軟件，具有良好的人機(jī)交互界面。上位機(jī)通過(guò)用戶界面輸入控制指令、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作、查詢系統(tǒng)信息等。根據(jù)滴灌施肥過(guò)程中對(duì)施肥參數(shù)的控制需要，編寫(xiě)軟件程序。主要是用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控程序。通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥液中的EC/PH值、流量、混肥罐液位等信號(hào)的采集和處理，并將信號(hào)反饋給上位PC機(jī)，同時(shí)能夠接收并輸出上位機(jī)的控制指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行相應(yīng)操作；用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控程序能夠?qū)⒌喂嗍┓蔬^(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)和曲線兩種方式實(shí)時(shí)顯示在上位PC機(jī)的用戶界面上，并能夠?qū)λO(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

上位PC機(jī)通過(guò)RS-232串口與單片機(jī)通信，下位機(jī)采用PIC18F45J10單片機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)核心控制器，負(fù)責(zé)采集傳感器信號(hào)，輸出控制指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。

4.系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際的測(cè)試, 系統(tǒng)完全可以滿足在功能方面的需求, 在對(duì)由達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)的電磁閥的控制可靠性的測(cè)試中取得了比較理想的結(jié)果。目前自動(dòng)灌溉系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)階段,自動(dòng)化程度較低,智能型控制器的應(yīng)用還很少。本文介紹的由單片機(jī)控制的自動(dòng)灌溉及施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 使用方便。其中EC和PH值傳感器可對(duì)多種不同性質(zhì)的肥料、酸液等進(jìn)行濃度閉環(huán)控制, 控制精度和實(shí)時(shí)性較好。同時(shí),由于用開(kāi)關(guān)式電磁閥代替價(jià)格較為昂貴的流量控制閥, 不僅能夠顯著地降低了多種施加物灌溉系統(tǒng)的成本,而且還能夠簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路及控制電路, 使系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)的方便性得到改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)工作可靠, 控制精度能夠滿足農(nóng)藝要求,不但對(duì)于灌溉系統(tǒng)中的自動(dòng)施肥系統(tǒng)設(shè)計(jì),而且對(duì)于液體中混合物的濃度及酸堿度控制系統(tǒng)都具有參考價(jià)值。

圖1

[1]節(jié)水灌溉編委會(huì).節(jié)水灌溉技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)大地出版社，2007：62～70

[2]何立民.單片機(jī)初級(jí)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999：25～3 2.

[3]劉湘濤，江士明.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：134～139，142～148

[4]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999：30.

[5]徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)版社，2007：110～113，160～161.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.033

張艷（1982.2—），女 ，學(xué)士，新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司天辰化工公司儀控部助理工程師。