基于單片機的棉花自動灌溉施肥系統設計

張 艷 李德勝

新疆天業（集團）有限公司，新疆 石河子 832000

基于單片機的棉花自動灌溉施肥系統設計

張 艷 李德勝

新疆天業（集團）有限公司，新疆 石河子 832000

文章介紹一種適合新疆實際情況的自動灌溉及施肥系統。該系統可以人工或自動控制灌溉、施肥時間, 自動控制肥液濃度。灌溉量、施肥量均采用閉環控制。該系統設計合理, 操作簡單、價格低廉, 控制效果能夠滿足實際要求。

可編程控制器；單片機；施肥系統；節水灌溉

1.自動灌溉施肥技術概況

新疆是一個水資源嚴重缺乏的地區，農業用水量約占總用水量的80%左右,由于農業灌溉用水的利用率普遍低下,就全國范圍而言,水的利用率僅為45%,水資源利用率高的國家已達70%～80%,因而,解決農業灌溉用水的問題,對于緩解水資源的緊缺至關重要。本文介紹一套用單片機實現的作物自動灌溉、自動施肥及肥液濃度自動控制的灌溉系統, 該系統能夠按作物所需灌溉水量、施肥量自動灌溉、施肥及按作物所需肥液濃度自動進行混合。并且可以通過用戶界面輸入控制指令、監控系統工作、查詢系統信息等。

2.系統組成及原理

現代化灌溉系統中農作物所需養分來自肥液, 所以在灌溉過程中不但要根據作物需求灌溉水, 還要將適宜作物生長的一定濃度的肥液通過灌溉水提供給作物。而肥液與水的混合是在灌溉過程中進行, 因此, 肥料的混合、檢測和控制是一個實時控制系統。自動灌溉與施肥系統的組成如圖1所示。系統由單片機控制器、灌溉管路、肥液混合系統等幾部分組成。其中肥液混合系統包括混合罐、抽吸肥液用的文丘里閥、電磁閥(根據施加肥料種類的不同可有多個),PH值、EC值傳感器等。

系統運行時，進水管與各個肥液罐的電磁閥通過單片機控制開啟，肥液由文丘里閥輸送至混肥液儲存罐與灌溉用水充分混合，當肥液儲存罐液位達到要求時，通過肥液泵輸送至混肥管道，灌溉施肥時主電磁閥開啟，充分混合后的肥液輸送至灌溉系統主管道并輸送至大田作物及肥水采樣器，對農作物進行灌溉與施肥。當肥水混合液中離子濃度（EC值）或PH值過高，肥水采樣器采樣得到數值高于單片機內部控制程序設置的作物生長適合濃度數值，此時，單片機控制相應肥液罐電磁閥關閉，肥液儲存罐內的肥液被主管道內的灌溉用水稀釋，從而避免離子濃度或酸堿度過高對作物根系造成傷害。反之，當肥水混合液中EC值與PH值過低，肥水采樣器采樣得到數值低于單片機內部控制程序設置的作物生長適合濃度數值，單片機控制進水管電磁閥關閉，肥液儲存罐內的肥液濃度上升，從而達到作物生長合適的濃度。使用此種控制能是肥液的濃度始終保持在作物生長合適的范圍內。無需人工干預，修改單片機控制程序內的預設值，可對不同作物的施肥灌溉進行控制。

系統使用流量管傳感器檢測輸入農田的肥液總量，灌溉的水量控制和施肥控制是分別獨立的, 水量控制由單片機控制電磁閥開關時間, 采用閉環控制。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序控制, 由用戶輸入施肥時間及周期, 或直接手動控制施肥。按作物所需肥液濃度,自動進行肥液的混合。

3.上位機軟件設計

使用VB6.0編寫上位機軟件，具有良好的人機交互界面。上位機通過用戶界面輸入控制指令、實時監控系統工作、查詢系統信息等。根據滴灌施肥過程中對施肥參數的控制需要，編寫軟件程序。主要是用戶實時監控程序。通過單片機實現對施肥液中的EC/PH值、流量、混肥罐液位等信號的采集和處理，并將信號反饋給上位PC機，同時能夠接收并輸出上位機的控制指令，驅動執行機構，執行相應操作；用戶實時監控程序能夠將滴灌施肥過程中的狀態參數，通過數據和曲線兩種方式實時顯示在上位PC機的用戶界面上，并能夠對所監控的數據進行保存。

上位PC機通過RS-232串口與單片機通信，下位機采用PIC18F45J10單片機作為現場核心控制器，負責采集傳感器信號，輸出控制指令，控制執行機構運行。

4.系統測試與結論

經過實際的測試, 系統完全可以滿足在功能方面的需求, 在對由達林頓管驅動的電磁閥的控制可靠性的測試中取得了比較理想的結果。目前自動灌溉系統在國內還處于研發階段,自動化程度較低,智能型控制器的應用還很少。本文介紹的由單片機控制的自動灌溉及施肥控制系統設計合理, 結構簡單, 使用方便。其中EC和PH值傳感器可對多種不同性質的肥料、酸液等進行濃度閉環控制, 控制精度和實時性較好。同時,由于用開關式電磁閥代替價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的成本,而且還能夠簡化驅動電路及控制電路, 使系統的可靠性及維護的方便性得到改善。實驗結果表明,本系統工作可靠, 控制精度能夠滿足農藝要求,不但對于灌溉系統中的自動施肥系統設計,而且對于液體中混合物的濃度及酸堿度控制系統都具有參考價值。

圖1

[1]節水灌溉編委會.節水灌溉技術手冊[M].北京：中國大地出版社，2007：62～70

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[3]劉湘濤，江士明.單片機原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2007：134～139，142～148

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.033

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