自动喷灌控制器

课题名称：自动喷灌控制器

姓 名：代培培

学 号：20100885

班 级：10级4班

指导教师：苑进

目录

第一章 自动喷灌控制器设计......................................3

1.1喷灌系统的组成...........................................3

1.2喷灌的特点...............................................4

1.3灌溉需水量的确定.........................................5

第二章 自动灌溉控制器原理......................................5

2.1工作原理.................................................5

2.2元器件选择...............................................7

第三章 湿度传感器.............................................7

3.1选择测量范围.............................................8

3.2选择测量精度.............................................8

3.3考虑时漂和温漂...........................................9

3.4 A/D转换器...............................................10

3.5电磁阀...................................................10

第四章 灌溉系统的自动控制......................................12

4.1时序控制灌溉系统..........................................12

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4.2 ET只能灌溉系统...........................................13

4.3中央计算机控制灌溉系统....................................13

第五章 总结.....................................................14

第六章 参考文献.................................................15

第一章 自动喷灌控制器设计

喷灌是利用喷头等专用设备把有压水喷洒到空中，形成水滴落到地喷灌面和作物表面的灌水方法。

1.1喷灌系统的组成

一个完整的喷灌系统一般由喷头、管网、首部和水源组成。

（1）喷头：喷头用于将水分散成水滴，如降雨一般比较均匀地喷洒在种植区域。

（2）管网：其作用是将压力水输送并分配到所需灌溉的种植区域。由不同管径的管道组成，分干管、支管、毛管等，通过各种相应的管件、阀门等设备将各级管道连接成完整的管网系统。现代灌溉系统的管网多采用施工方便、水力学性能良好且不会锈蚀的塑料管道，如PVC管、PE

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管等。同时，应根据需要在管网中安装必要的安全装置，如进排气阀、限压阀、泄水阀等。

（3）首部：其作用是从水源取水，并对水进行加压、水质处理、肥料注入和系统控制。一般包括动力设备、水泵、过滤器、施肥器、泄压阀、逆止阀、水表、压力表，以及控制设备，如自动灌溉控制器、衡压变频控制装置等。首部设备的多少，可视系统类型、水源条件及用户要求有所增减。如在利用城市供水系统作为水源的情况下，往往不需要加压水泵。

（4）水源：井泉，湖泊、水库，河流及城市供水系统均可作为喷灌水源。在整个生长季节，水源应有可靠的供水保证。同时，水源水质应满足灌溉水质标准的要求。

1.2喷灌的特点

（1）省水：由于喷灌可以控制喷水量和均匀性，避免产生地面径流和深层渗漏损失，使水的利用率大为提高，一般比地面灌溉节省水量30一50%，省水还意味着节省动力，降低灌水成本。

（2）省工：喷灌便于实现机械化、自动化，可以大量节省劳动力。由于取消了田间的输水沟渠,不仅有利于机械作业，而且大大减少了田间劳动量。喷灌还可以结合施入化肥和农药，又可以省去不少劳动量，据统计，喷灌所需的劳动量仅为地面灌溉的l/5。

（3）提高土地利用率：采用喷灌时，无需田间的灌水沟渠和畦埂，比地面灌溉更能充分利用耕地，提高土地利用率，一般可增加耕种面积7一10%。

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（4）增产：喷灌便于严格控制土壤水分,使土壤湿度维持在作物生长最适宜的范围。而且在喷灌时能冲掉植物茎叶上尘土,有利于植物呼吸和光合作用。另外喷灌对土壤不产生冲刷等破坏作用，从而保持土壤的团粒结构，使土壤疏松多孔，通气性好，因而有利于增产， 特别是蔬菜增产效果更为明显。

（5）适应性强：喷灌对各种地形适应性强，不需要像地面灌溉那样整平土地，在坡地和起伏不平的地面均可进行喷灌。特别是在土层薄、透水性强的沙质土，非常适合采用喷灌。此外，喷灌不仅适应所有大田作物，而且对于各种经济作物、蔬菜、草场都可以获得很好的经济效果。

1.3灌溉需水量的确定

需水量包括土壤与地表的蒸发量和植物本身消耗的蒸腾量，也称作植物腾发量。影响需水量的因素有气象条件（温度、湿度、辐射及风速等）、土壤性质及其含水状况、植物种类及生育阶段等。由于上述这些影响因素错综复杂，确定灌溉需水量最可靠的办法是进行实际观测。但往往在规划设计阶段缺乏实测资料，这时就需要根据影响需水量的因素进行估算。估算灌溉需水量的方法很多，可通过公式进行计算，或参照下列经验数据选取： 气象条件 湿冷 干冷 湿暖 干暖 湿热 干热 日需水量（mm） 2.5-3.8 3.8-5.0 3.8-5.0 5.0-6.4 5.0-7.6 7.6-11.4 表中，“冷”指仲夏最高气温低于21℃；“暖” 指仲夏最高气温在21至32℃之间；“热” 指仲夏最高气温高于32℃；“湿”指仲夏平均相对湿度大于50%；“干” 指仲夏平均相对湿度低于50%。 灌溉系统的设计，应满足需水高峰期的日需水量，即按最不利的条件设计，选取特定气象条件下的最高日需水量，以使

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系统有足够的供水能力。

第二章 自动喷灌控制器工作原理

2.1工作原理

该自动喷灌控制器电路由电源电路和湿度检测控制电路组成，如图所示。

电源电路由电源变压器T、整流二极管VD1～VD4、滤波电容器C1～C3和三端集成稳压器ICl、IC2等组成。

湿度检测控制电路由湿度传感器、非门集成电路IC3（Dl、D2）、晶体管V、继电器K及有关外围元器件组成。

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交流220V电压经T降压、VD1～VD4整流、IC1和IC2稳压后，产生+12V电压和+9V电压，分别供给继电器K和IC3。

将湿度传感器两探头插人适当位置的土壤中（两探头相距1~2mm），对土壤的湿度进行检测。在土壤湿度较大、达到设定标准时，湿度检测器两探头之间的电阻值变小，使非门Dl的输人端变为高电平，输出端为低电平，V截止，继电器K不动作，水泵电动机M不工作。

当土壤湿度减小时，湿度传感器两探头之间的电阻值增大，使非门Dl的输人端变为低电平，输出端变为高电平，使V导通，K吸合，水泵电动机M通电工作，喷灌设施开始喷灌。

非门Dl输出的高电平还经二极管VD5、电阻器R5、电位器RP3对电容器C4充电。当C4充电结束后，非门D2的输人端变为高电平，输出端变为低电平，使二极管VD6导通，V截止，继电器K释放，水泵电动机M停止工作。若此时湿度传感器两探头之间的电阻值仍大于设定值，则V再次导通，重复上述工作过程，直到两探头之间的电阻值低于设定值。

电位器RP1、RP2用来设置湿度传感器两探头间的电阻值。使非门Dl的输入端在高于该设定电阻值时为低电平，低于该设定电阻值时为高电平。

RP3用来设定自动喷水的时间。

2.2元器件选择

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R1选用功率为l/2W碳膜电阻器：R2～R5均选用l/4W碳膜电阻器。

RP1～RP3均选用小型合成膜电位器。

C1～C4均选用耐压值为25V的铝电解电容器。

VD1～VD4均选用1N5401型硅整流二极管；VD5、VD6均选用1N4148型硅开关二极管。

V选用3DG12、BC547、S8050或C8050等型号的硅NPN型晶体管。

IC1选用LM7809型三端集成稳压器；IC2选用LM7812型三端集成稳压器；IC3选用CD4069或CC4069、MC14069型非门集成电路。

K选用12V直流继电器（若用于控制较大功率的三相交流潜水泵，则应加装交流接触器，用K的常开触头控制交流接触器线圈，用交流接触器的控制触头控制三相交流潜水泵）。

T选用5～lOW、二次电压为15V的电源变压器。

湿度传感器的两探头可采用两根各长40cm的金属棒制作。

第三章 湿度传感器

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湿度传感器是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。

3.1选择测量范围

和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100％RH)测量。在当今的信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制拄术紧密结合着。测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。当然，对不需要搞测控系统的应用者来说，直接选择通用型湿度仪就可以了。

3.2选择测量精度

生产厂商往往是分段给出其湿度传感器的精度的。如中、低温段(0一80％RH)为±2％RH，而高湿段(80—100％RH)为±4％RH。而且此精度是在某一指定温度下(如25℃)的值。如在不同温度下使用湿度传感器．其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1℃。将产生0.5％RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。因为湿度随着温度的变化也漂忽不定的话，奢谈测湿精度将失去实际意义。所以控湿首先要控好温，这就是大量应用的往往是温湿度—体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。

多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，±5％RH的精度就足

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够了。对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用±3％RH 以上精度的湿度传感器。与此相对应的温度传感器．其测温精度须足±0.3℃以上，起码是±0.5℃的。而精度高于±2％RH的要求恐怕连校准传感器的标准湿度发生器也难以做到，更何况传感器自身了。国家标准物质研究中心湿度室的文章认为：“相对湿度测量仪表，即使在20—25℃下，要达到2％RH的准确度仍是很困难的。”

3.3考虑时漂和温漂

几乎所有的传感器都存在时漂和温漂。由于湿度传感器必须和大气中的水汽相接触，所以不能密封。这就决定了它的稳定性和寿命是有限的。

选择湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围，看所选传感器在指定温度下能否正常工作，温漂是否超出设计指标。要提醒使用者注意的是：电容式湿度传感器的温度系数α是个变量，它随使用温度、湿度范围而异。这是因为水和高分子聚合物的介电系数随温度的改变是不同步的，而温度系数α又主要取决于水和感湿材料的介电系数，所以电容式湿敏元件的温度系数并非常数。电容式湿度传感器在常温、中湿段的温度系数最小，5-25℃时，中低湿段的温漂可忽略不计。但在高温高湿区或负温高湿区使用时，就一定要考虑温漂的影响，进行必要的补偿或订正。

湿度测量在工业生产的诸多领域得到广泛的应用，HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器IH3605采用集成电路技术，可在集成电路内部完成对信号的调整。由于其具有精度高、线

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性好、互换性强等诸多优点，因此得到广泛的应用。

由于IH3605的输出电压较高且线性较好，因此，无需放大和非线性校正，可直接接到A/D转换器上，完成模拟量到数字量的转换。

3.4A/D转换器

模数转换器 ，即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。

通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。

TLC1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器，它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(CS低电平有效)，输入／输出时钟(I／OCLOCK)，数据输出(DATAOUT)。TLC1549引脚排列如图

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所示。TLC1549能以串行方式送给单片机，其功能结构如图所示。由于TLC1549采用CMOS工艺。内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1LSB(4.8mV)，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。

3.5电磁阀

追朔电磁阀的发展史，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类(即：直动式、分步童先导式)，而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类(直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构)。

（1）直动式电磁阀

有常闭型和常开型二种。常闭型断电时呈关闭状态，当线圈通电时产生电磁力，使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀，介质呈通路；当线圈断电时电磁力消失，动铁芯在弹簧力的作用下复位，直接关闭阀口，介质不通。结构简单，动作可靠，在零压差和微真空下正常工作.常开型正好相反.如小于φ6流量通径的电磁阀。（图一是典型结构图）

（2）分步直动式电磁阀

该阀采用一次开阀和二次开阀连在一体，主阀和导阀分步使电磁力和压差直接开启主阀口。当线圈通电时，产生电磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口开启而导阀口设在主阀口上，且动

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铁芯与主阀芯连在一起，此时主阀上腔的压力通过导阀口卸荷，在压力差和电磁力的同时作用下使主阀芯向上运动，开启主阀介质流通。当线圈断电时电磁力消失，此动力铁芯在自重和弹簧复位和压力的作用下关闭主阀，介质断流。结构合理，动作可靠，在零压差时工作也可靠，在零压差时工作也可靠。如：ZQDF，ZS，2W。（图二是典型结构图）

（3）间接先导式电磁阀

该系列电磁阀由先导阀和主阀芯联系着形成通道组合而成；常闭型在未通电时，呈关闭状态。当线圈参赛电时，产生的磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口打开，介质流向出口，此时主阀芯上腔压力减少，低于进口侧的压力，形成压差克服弹簧阻力而随之向上运动，达到开启主阀口的目的，介质流通。当线圈断电时，磁力消失，动铁芯在弹簧力作用下向下运动，关闭主阀口。常开式原理正好相反。如：SLA，DF（φ15以上口径），ZCZ等。（图三是典型结构图）

对于电磁阀而言，我们可以用直流12V来控制水的流量。

第四章灌溉系统的自动控制

随着经济的发展，对绿化工程水平的要求越来越高。同时，为进一步解决水资源、能源的短缺和人工成本增加等问题，越来越多的绿化工程采用自动控制灌溉系统。目前常用的自动控制系统可分为时序控制灌溉系统、ET智能灌溉系统、中央计算机控制灌溉系统两大类。

4.1时序控制灌溉系统

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时序控制灌溉系统将灌水开始时间、灌水延续时间和灌水周期作为控制参量，实现整个系统的自动灌水。其基本组成包括：控制器、电磁阀，还可选配土壤水分传感器、降雨传感器及霜冻传感器等设备。其中控制器是系统的核心。灌溉管理人员可根据需要将灌水开始时间、灌水延续时间、灌水周期等设置到控制器的程序当中，控制器既通过电缆向电磁阀发出信号，开启或关闭灌溉系统。控制器的种类很多，可分为机电式和混合电路式，交流电源式和直流电池操作式等。其容量有大有小，最小的控制器只控制单个电磁阀，而最大的控制器可控制上百个电磁阀。电磁阀一般为交流24伏隔膜阀，通过电缆与控制器相连。电磁阀启闭时有一定时间的延迟，这一特性可有效防止管网中的水击现象，保护系统安全。 目前国内的自动控制灌溉系统，基本上均为时序控制灌溉系统。

4.2 ET智能灌溉系统

ET智能灌溉系统，将与植物需水量相关的气象参量（温度、相对湿度、降雨量、辐射、风速等）通过单向传输的方式，自动将气象信息转化成数字信息传递给时序控制器。使用时只需将每个站点的信息（坡度、作物种类、土壤类型、喷头种类等）设定完毕，无需对控制器设定开启、运行、关闭时间，整个系统将根据当地的气象条件、土壤特性、作物类别等不同情况，实现自动化精确灌溉。

4.3中央计算机控制灌溉系统

中央计算机控制灌溉系统，将与植物需水相关的气象参量（温度、相对湿度、降雨量、辐

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射、风速等）通过自动电子气象站反馈到中央计算机，计算机会自动决策当天所需灌水量，并通知相关的执行设备，开启或关闭某个子灌溉系统。在中央计算机控制灌溉系统中，上述时序控制灌溉系统可作为子系统。 美国亨特公司开发的IMMS中央计算机控制灌溉系统，可通过有线、无线、光缆、电话线、甚至手机网络等方式对无限量的子系统实现计算机远程控制，如对小到一个公园、大到一个城市甚至几个城市的所有园林灌溉系统，均可由一台中央计算机进行自动控制。 这种中央计算机控制灌溉系统是真正意义上的自动灌溉系统。目前在很多发达国家的园林绿地灌溉系统，以及高尔夫球场的灌溉系统中已被广泛采用。 例如，在美国拉斯维加斯城，只用了三套中央计算机控制系统，将所有和花卉实现自动灌溉，一套用于控制全城的公园绿地、、街道花卉等灌溉，另两套则用于130多所大学的所有绿地灌溉。

第六章 总结

关于自动灌溉控制器的设计，是本着节约的原则进行设计的。现在全球

水资源紧张，我国很多地方也出现了农田用水紧张、生活用水贫乏等情况。对此，各个领域的专家学者纷纷涉足于节水灌溉这个领域，以期缓解水紧张的局面。在节水灌溉系统中，土壤湿度传感器的使用是该系统能否达到节水目的的关建，所以土壤湿度传感器的选择就成为节水灌溉系统的首要任务。

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第七章 参考文献

1.传感器及应用 王煜东主编

2.红外线热释电与超声波遥控电路，肖景和、赵健编著

3.电子技术（模拟与数字）

4.光电技术，王庆有主编

5.红外探测与控制电路，陈永甫主编著

6.传感器与信号处理，吴兴惠，王彩君编著

7.传感器应用入门，郑国钦编著

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