自动喷灌控制器电路设计

传感器大型作业课题名称：自动喷灌控制器电路设计 姓 名:学 号:班 级: 指导教师:设计任务书设计目的：1. 通过设计，进一步掌握传感器的原理与应用，熟悉传感器 的测量电路的设计方法。达到根据设计要求，能借助参考书 和网络查阅相关资料，独立完成设计任务。2. 培养学生分析问题和解决实际问题的能力。设计要求：1.测量土壤湿度，当湿度低于设定值时，打开电路磁阀。2喷灌时间可预设，当喷灌达到预定时间时自动断开。设计任务：1.熟悉有关资料。2确定设计方案，绘制测量电路原理图。3编写设计说明书，5000字以上：(1) 设计思想与方案论证；(2) 系统工作原理说明；(3) 电路计算；(4) 电路元器件计算与选择；(5) 元器件明细表。目录设计任务书2第一章自动喷灌控制器设计41.1喷灌系统的组成41.2喷灌的特点51.3灌溉需水量的确定5第二章自动喷灌控制器工作原理62.1工作原理62.2元器件选择8第三章湿度传感器93.1选择测量范围93.2选择测量精度93.3考虑时漂和温漂103.4A/D转换器 113.5电磁阀12第四章灌溉系统的自动控制134.1时序控制灌溉系统134.2 ET智能灌溉系统144.3中央计算机控制灌溉系统14第五章自动喷灌控制器的安装15第六章总结17第七章参考文献18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。11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。12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 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1/5。(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%。(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。13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）2.5-3.83.85.03.85.05.06.45.07.67.611.4表中，“冷”指仲夏最高气温低于21C； “暖”指仲夏最高气温在21 至32C之间；“热”指仲夏最高气温高于32C；“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，以使系统有足够的供水能力。第二章自动喷灌控制器工作原理21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Z示O电源电路由电源变压器T、整流二极管VD1VD4、滤波电容器C1C3 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。交流220V电压经T降压、VD1VD4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12mm）, 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。22元器件选择R1选用功率为1/2W碳膜电阻器：R2R5均选用1/4W碳膜电阻器。RP1RP3均选用小型合成膜电位器。C1C4均选用耐压值为25V的铝电解电容器。VD1VD4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5lOW、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（）,从 而得到土壤容积含水量（Gv），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。31选择测量范和测量重量、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。32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）为土2%RH，而高湿段（80100%RH）为土4%RH。而且此精度 是在某一指定温度下（如25C）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.lc。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一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，再选用土3%RH以上精度的湿 度传感器。与此相对应的温度传感器.其测温精度须足土0.3C以上， 起码是土0.5C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2025C下，要达到 2%RH的准确度仍是很困难的。”33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a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a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，5-25C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 lLSB(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6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。女如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。女如SLA，DF（15 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。43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。第五章自动喷灌控制器的安装1. 在已有的喷灌地块内施工，除尽量保护现有喷灌外，要特别注意管沟 弃土的处理。弃土须分层放置，埋管时须按与开挖时相反的顺序分层回 填，以保证沿管线种植层内的土壤与原有土壤一致。2. 在干管和每条支管上应安装放水装置，以便于冲洗管道以及冬季防 冻。即使在无冻害的南方地区，在非灌溉季节一般也应放空管道，防止 水长期滞留在管道中产生微生物，附着在管壁和喷头上影响喷灌效果。 放水装置除常见的闸阀、球阀外，还有自动泄水阀，可在灌水停止后自 动排出管道中的水。3. 对于系统压力变化或地形起伏较大的情况，支管阀门处应安装压力调 节设备，如亨特公司生产的与电磁阀相配套的Accu-Set型压力调节器， 使支管进口处压力均衡，保证系统的喷洒均匀度。另外，在必要的管段 还应安装进排气阀、泄压阀等，用以保护系统的安全。4为便于临时取水，或对喷灌不易控制的边角地段进行人工灌溉，在主 管道上一般需安装一定数量的快速取水阀（方便体），如亨特HQV型快 速取水阀。这种快速取水阀与所配套的钥匙配合使用，插入钥匙，阀门 即可自动开启供水；若要停止灌水，只需取下钥匙，阀门会自动关闭。5地埋式喷头的安装（1）安装前须对喷头进行预置。可调喷洒扇形角度的喷头，出厂时大 多设置在180度，因此在安装前应根据实际地形对喷洒扇形角度的要求， 把喷头调节到所需角度。（2）喷头的顶部应与最后的地面相平。这就要求在安装喷头时喷头顶 部要低于松土地面，为以后的地面沉降留有余地；或在地面不再沉降时 再安装喷头。（3）喷头与支管的连接，最好采用交接接头（Swing Joint），也称千 秋架。如亨特的SJ-512千秋架、SJ-712千秋架，可有效防止由机械冲 击，如剪草机作业或人为活动而引起的管道和喷头损坏。同时，采用铰 接接头，便于施工时调整喷头的安装高度。（4）在管理不便的地区，可安装具有一定防盗性能的喷头，第六章总结本次实训，翻阅了大量的相关资料，巩固了传感 器的基本知识，加深了传感器的应用能力，了解了自动喷 灌控制器的工作原理，提高了分析问题和解决问题的能 力。我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于 以后的竞争，同时在查找资料的过程中我也学到了许多新 的知识，在和同学协作过程中增进同学间的友谊，使我对 团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。本次的设计使我从中学到了如何从理论到实践的转 化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在 大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应 把所学的用到我们现实的生活中去，此次的设计给我奠定 了 一个实践基础。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