1、目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 摘要I HYPERLINK l bookmark8 ABSTRACTII HYPERLINK l bookmark10 第一章引言1 HYPERLINK l bookmark12 1.1研究背景1 HYPERLINK l bookmark14 L2國內外研究狀況3 HYPERLINK l bookmark16 1.2.1國內外研究狀況背景3 HYPERLINK l bookmark18 1.2.2國外研究狀況3 HYPERLINK l bookmark20 1.2.3國內研究狀況4 HYPERLINK l bookma

2、rk22 1.3本課題的研究工作4 HYPERLINK l bookmark24 第二章方案研究與論證6 HYPERLINK l bookmark26 2.1研究方案選擇6 HYPERLINK l bookmark28 1.1專家系統6 HYPERLINK l bookmark30 1.2微機測控技術7 HYPERLINK l bookmark32 2設計方案8 HYPERLINK l bookmark34 第三章系統設計11 HYPERLINK l bookmark36 3.1土壤水分的測量11 HYPERLINK l bookmark38 1測量方法的選擇11 HYPERLINK l bo

3、okmark40 1.2傳感器的改進15 HYPERLINK l bookmark42 2土壤溫度測量22 HYPERLINK l bookmark44 2.1傳感器的選擇22 HYPERLINK l bookmark46 2.2溫度測量電路設計23 HYPERLINK l bookmark48 3控制儀器設計24 HYPERLINK l bookmark50 3.1儀器設計方案24 HYPERLINK l bookmark52 3.2測控儀設計26 HYPERLINK l bookmark56 3.3設顯儀設計36 HYPERLINK l bookmark58 第四章實驗40 電阻有鉗熱電阻

4、和銅熱電阻。銷熱電阻的特點是物理化學性能穩定，尤其是耐氧化能力強、測量精度高、測溫范圍寬，有很好的重現性，但價格較貴。而銅熱電阻雖然價格便宜，但測溫范圍小，測溫精度不高，電路設計也比較復雜。熱敏電阻傳感器是利用半導體的電阻隨溫度顯著變化這一特性測溫的，它的體積小、靈敏度高、穩定性好，但是它的互換性差，而且價格昂貴。半導體溫度傳感器是利用半導體PN結的溫度特性制成的。這種傳感器的優點是小型化、線性好、高靈敏度、穩定性好、重復性好，互換性好，低成本，易于電路設計或控制電路接口。從以上分析可以看出，半導體溫度傳感器由于具有小型化、線性好，低成本，易于電路設計或控制電路接口的優點是最適合用在控制系統中

5、測量土壤溫度的。LM35是集成的半導體精密溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻、熱電阻、熱電偶等相比較，與熱敏電阻、熱電偶等傳統傳感器相比，具有線性好、精度高、體積小、校準方便、價格低等特點，非常適合于常溫測量工作。因此，在控制系統設計中選用LM35來測量土壤溫度。322溫度測量電路設計LM35是電壓輸出，它的外型很小，只有3個弓I腳（如圖3.6所示）Vout是輸出電壓端,Vs是電源端。在一定的工作條件下，傳感器的輸出電壓V。與被測溫度成線性關系。使用中無須作0或20校準，其工作靈敏度為10mV/C,工作電流5680uA,自身精度為0.4（25時），傳感器輸出電阻為0.1,工作電源電壓范圍430V。L

6、M35的基本電路十分簡單，遙測環境溫度電路如圖3.6所示，其測溫范圍為20-150o輸出電壓從并聯的電阻上獲得，輸出電壓與溫度的關系式3-4決定：匕環境+1）（3一4）由于遙測的距離較長，從傳感器到并聯的電阻見的導線應絞合。200c1%圖3.6LM35及其遙測電路控制儀器設計儀器設計方案控制儀器的設計方向是具有廣泛的適用性，同時盡量小型化、簡單化、易操作及低成本,實時監測土壤墻情，按照作物需水特性精確灌溉。.土壤墻情監測與判斷自動化節水灌溉控制設備研究的主要目的是為解決我國水資源緊缺問題，即節水，實現作物按需精確灌溉，因此，土壤水分是自動化設備主要監測的土壤參數。同時，考慮到土壤溫度對作物生長

7、及灌溉都有影響，因此也需要對土壤溫度進行監測。土壤水分通過負壓式土壤水分傳感器測量土壤水吸力獲得，土壤溫度則由半導體集成精密溫度傳感器LM35測量。至于其他的參數，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在測量參數己足夠和簡化系統降低成本的前提下，可以不用考慮測量。因此，自動化節水灌溉控制儀器的主要工作就是對土壤水分和溫度進行監測，并根據土壤水分傳感器與溫度傳感器傳送的當前土壤水分與溫度信息進行判斷，在適宜澆水的溫度范圍內，若土壤處于缺水狀態，就給出控制信號，控制灌溉設備進行澆灌，若是土壤不缺水就不澆灌或是給出停止澆灌的控制信號。在控制儀器的工作中，判斷土壤是否缺水是一個難點。負壓式土壤水分傳感器測出來

8、的是土壤的水吸力。土壤水吸力與土壤水分具有一定的關系，土壤吸力越大，土壤含水量越小；土壤吸力越小，土壤含水量越多。由于負壓式土壤水分傳感器經過多年使用累積經驗，已經掌握了大部分作物需水狀態對應的土壤水吸力范圍，因此，可以直接用土壤水吸力來判斷作物的缺水狀況。但是，不同的作物對水分的需求是不一樣的，同一作物在不同的時期對分的需求也是不一樣的，就算是同一作物在同一時期它對水分的需求也是會隨著環境的不同而變化的，判斷土壤缺水沒有統一的標準。為實現自動控制、按需灌溉，控制儀器就必須能夠根據不同的作物，不同的生長期以及不同的環境改變判斷土壤缺水的標準。因此，控制儀器在設計時就必須具有允許操作者通過鍵盤設

9、定判斷土壤缺水標準的功能，對不同作物農業專家就可以憑經驗設定不同的判斷值來實現作物按需灌溉，這樣，不僅能充分利用農業專家的經驗，還可以使自動化節水灌溉控制儀器適用于許多不同作物，提高了儀器的通用性。.灌溉控制(1)控制方式目前我國設施農業中裝配的灌溉系統設備差異很大，這主要使由于各地方的條件和資金差異造成的。有的使用電機輸水，有的通過水泵加壓，有的是電磁閥控制等等。要使控制系統具有通用性，就要使其給出的控制信號能夠控制這些不同的輸水設備，這就要找出它們的共同點。通過觀察不難發現，這些輸水設備都是通過接通電源工作的，如果給這些輸水設備的電源線上加一個開關，由控制系統來控制開關的閉合，那么控制系統

10、就可以控制這些設備工作了，也即控制系統實現了灌溉的控制。這樣，控制系統給出的控制信號也就具有了通用性。(2)灌溉方式不同的土壤滲水能力是不一樣的，比如砂土滲水能力很強，水分能很快的滲入土壤深層，而粘土滲水能力就較弱，需要經過一段時間水才能滲入土壤深層。對于滲水能力強的土壤，灌溉效果能夠很快的顯現出來，控制儀器能夠通過土壤水吸力傳感器很快的檢測到土壤缺水狀態已得到緩解，可以停止澆水。而對于滲水能力弱的土壤，就會出現這種情況:實際澆水量己經足夠，只是由于土壤滲水能力弱，水分不能及時滲入土壤深層,土壤水吸力傳感器測出土壤仍然缺水，控制儀控制灌溉設備繼續澆水，等到土壤水吸力傳感器測出土壤已不缺水并停止

11、澆水后，這時的澆水量己遠超過作物的需求量。這不僅沒有實現節水反而浪費了水，同時對需水量敏感的作物生長也不利。因此，為使控制系統能適應不同土壤的灌溉要求，就需要設計幾種不同的灌溉方式，針對不同的土壤選擇不同的與之相適應的灌溉方式，以保證能夠達到節水的目的。.控制儀整體低成本設計低成本是自動化節水灌溉控制儀設計的一個重要要求，它也是決定節水灌溉控制系統能否推廣的一個重要因素。控制儀的設計一般包括四個部分:檢測部分、控制部分、功能設定部分、工況顯示檢測部分檢測土壤水分與溫度并對檢測結果數據進行處理;控制部分判斷作物缺水狀況并給出灌溉控制信號;功能設定部分設定判斷作物缺水參數值和灌溉方式:工況顯示部分

12、顯示土壤水分和溫度檢測結果及當前控制儀工作狀態。一般控制儀的設計都會將這四部分合在一起做成一臺儀器，但是這樣做會增加單臺儀器的體積和成本，而對于在田間工作的節水灌溉控制儀來說，檢測控制和設定顯示是可以分開設計的。這是因為節水灌溉控制系統是整天整夜不間斷地在田間工作的，如無特殊要求是不要需要操作者守在儀器旁邊監視其工作的，特別是晚上，控制儀可以自己自動工作，因此在控制儀工作的大部分時間里工況顯示是沒有必要的，而土壤缺水判斷標準和灌溉方式在一開始設定好后，在一段長時間內也不需要改變。這樣，檢測控制與設定顯示設計成一體就沒有必要。如果將檢測控制和設定顯示分開設計成兩臺儀器，不僅可以減小單臺儀器的體積

13、，還可以降低單臺儀器的成本。同時，一臺功能為設定顯示的儀器可以搭配許多臺檢測控制的儀器，在購買節水灌溉控制系統時，就可以買許多臺的檢測控制的儀器，而只買一臺或是少量的設定顯示的儀器，這樣就會大大降低實現節水灌溉自動控制的成本，有利于節水灌溉自動控制系統的推廣。檢測控制與設定顯示分開的儀器可以分別叫做測控儀和設顯儀，在需要觀察當前土壤情況或進行參數設定時，可以通過一個通訊接口將設顯儀與測控儀連接起來，通過設顯儀顯示測控儀所測當前土壤狀況，或設定新的參數。將儀器分開設計后，儀器的體積就可以設計得很小，特別是設顯儀的體積很小，隨身攜帶很方便。這樣，種植人員可以隨身攜帶一個設顯儀去巡查所有作物的種植生

14、長狀況，十分方便。以上是控制儀設計方案的總體構思，下面就對自動節水灌溉控制儀設計進行具體介紹。.3.2測控儀設計測控儀的功能主要是實時監測土壤水分和土壤溫度，對檢測結果進行處理，并判斷當前作物的生長狀況是否處于缺水狀態，若缺水就給出澆水信號進行澆水，若是作物處于不缺水狀態就不澆水或是停止澆水。.測控儀功能設計(1)檢測結果處理測控儀的首要工作就是要將土壤水分傳感器和溫度傳感器傳送來的信號進行處理，轉換為單片機能夠識別的數字信號。一般的信號轉換都采用A/D轉換器，但是A/D轉換器比較貴，需要根據轉換精度來選擇且轉換數據間的關系計算比較復雜。除A/D轉換器外，V/F轉換也是近年來使用得較多的信號轉

15、換方法。LM331是用得較多的一種V/F轉換芯片，它的體積小，成本低，精度高，所需外圍元件少且輸入與輸出即V,F成線性關系,轉換關系簡單。基于LM331的上述優點，在測控儀檢測結果的處理中使用LM331進行信號轉換。LM331與溫度傳感器LM35只需使用少量元器件就能構成線性關系很好的V/F轉換。土壤水分傳感器傳送過來的是標準的4-20mA電流，只要經過250歐姆的標準電阻取樣就能轉換為相應的電壓，與LM331也能夠成線性關系很好的V/F轉換。LM331的線性轉換電路如圖3.7所示。輸入電壓與輸出頻率的關系如式3-5所示：Font=Rs2.09此RFont=Rs2.09此RCTVin(3-5)

16、Vm圖3.7LM331V/F轉換電路式中，Rs是Rsl和Rs2的電阻之和，Vin的單位為伏特，輸出頻率Fout的單位是Hz。從上面的公式可以看出，只要選擇好Rs,RL,Rt,Ct的參數值，輸入和輸出就會有很好的線性關系。(2)灌溉的控制在第三節中提到過，目前我國各設施農業中灌溉輸水控制設備很不統一，有電機、水泵、電磁閥等，要使測控儀的控制信號具有通用性就要用測控儀的控制信號去控制一個開關，而這個開關去控制灌溉輸水控制設備的電源的通斷，從而達到測控儀控制灌溉的目的。繼電器是目前使用得最廣泛的可控開關，性能也比較可靠，因此在測控儀設計時就選用繼電器來控制灌溉輸水控制設備電源的開關。繼電器有大有小，

17、有交流控制也有直流控制，它的觸點開關既能通過直流也能通過交流。由于是測控儀直接控制繼電器開關的吸合，因此，要選用直流控制的繼電器。這種直流控制的繼電器功率一般較小，不能承受大電流交流電流過。對于交、直流供電且電流較小的灌溉輸水控制設備來說，可以直接用這種繼電器來控制。但是對于交流供電且電流較大的灌溉輸水控制設備來說，就不能直接用這種繼電器來控制電源。這時，可以再加一個可通過較大電流的交流繼電器，用宜流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器，大功率交流繼電器乂去控制灌溉輸水控制設備的交流電源，這樣測控儀同樣可以實現灌溉的控制。也就是說，測控儀給出的控制信號具有通用性。(3)傳感器的數量與工作方式。土

18、壤水分是灌溉控制的最重要參數，但是一個土壤水吸力傳感器只能測一個小范圍內的土壤水分，這一小范圍往往不能代表一大片土壤的含水情況，而一片大田里往往種有很多作物，要在每一株作物附近插一個傳感器測土壤水分乂是不現實的。由于設施農業中土壤比較平整均勻，具有一定的一致性，可以在一定面積范圍的土壤內設置幾個測試點，取幾個測試點的平均值來代表這一面積范圍土壤的含水狀況，這樣既可以不需要太多的成本去購置傳感器乂可以使土壤水分的測量比較平均準確。因此測控儀設計連接了三個負壓式土壤水分傳感器，用四個傳感器稍嫌太多，而兩個又太少，三個比較合適。對于溫度傳感器數量的選擇，考慮到一塊地的溫度不會有太大的差別，且土壤溫度

19、只是起參考的作用，因此在簡化系統、減少成本的前提下只需用一個溫度傳感器測土壤溫度就可以了。此外，對于三個土壤水分傳感器測控儀可以有兩種不同的控制方式。第一種方式，當測控儀用來控制較大一片土壤的灌溉時，可以將三個傳感器均勻分布埋設在這片土壤里，再取三個傳感器測量的平均值來表示整片土壤的含水狀況，根據這個平均值來控制灌溉。第二種方式，三個傳感器可以獨立的控制灌溉。測控儀設置了三組獨立的繼電器,在第二種控制方式下，每一組繼電器對應一個傳感器，每組繼電器可以獨立的設定不同的灌溉方式，根據對應的傳感器所測的土壤水分數據獨立的控制灌溉。這樣，在控制土壤面積不大的情況下，測控儀就可以獨立控制三塊地，這也就增

20、大了測控儀的工作量，從分發揮的測控儀的潛力。同時第二種控制方式還可以用于花卉、盆景等經濟植物的栽培中，分別將三個傳感器插在不同種類的花卉盆或盆景中，根據不同種類花卉或盆景對水分的不同要求設置不同的土壤缺水判斷標準和灌溉方式。一般花卉和盆景對水分的要求是比較苛刻的，用自動化節水灌溉控制儀來培養花卉或盆景，可以收到不錯的經濟效果。目前，國外也有一些專門針對花卉培養的自動控制灌溉設備，也都收到了不錯的經濟效果。(4)灌溉方式在第三節提到，針對不同的作物和不同的土壤測控儀需要有不同的土壤缺水判斷標準和灌溉方式。這里所說的土壤缺水判斷標準指的就是作物缺水或是不缺水狀態下土壤水吸力的界限值。測控儀根據要求

21、設置了三種灌溉方式以供操作者在面對不同土質時選擇使用。上下限澆灌方式在這種澆灌方式下，可以設定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)和溫度三個參數。當測控儀檢測到土壤水吸力大于上限值時，表示作物缺水，控制儀給出控制信號，控制澆水。當測控儀檢測到土壤水吸力低于下限值時，表示澆水足夠，停止澆水。測控儀在檢測土壤水吸力的同時還要檢測溫度，當發現溫度低于設定溫度時立即停止澆水，以免在低溫下澆水凍傷作物。這種灌溉方式是針對那些滲水快的土壤設計的，當灌溉后水能很快下滲，不需要延時等待。延時澆灌方式在這種澆灌方式下，可以設定土壤水吸力上限值(Pu)、延時時間(tl)和溫度(T)三個參數。當測控儀檢測到土壤

22、水吸力大于上限值時，表示作物缺水，控制儀給出控制信號，控制澆水。當澆水時間達到延時時間tl后，表示澆水足夠，測控儀停止澆水。同樣，測控儀也需要檢測土壤溫度，當溫度低于設定溫度時立即停止澆水，以免在低溫下澆水凍傷作物。這種灌溉方式是針對對灌溉系統比較熟悉，預先知道灌溉量的情況設計的。即管理人員對灌溉系統很熟悉，知道它一分鐘能夠澆多少水，同時也知道某種作物在缺水后需要補充多少水分，這時管理員就可以設定一定的延時時間，澆夠確知的作物需水量后就停止澆灌。綜合澆灌方式在這種澆灌方式下,可以設定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)、延時時間(tl,t2)和溫度五個參數。當測控儀檢測到土壤水吸力大于上限

23、值時，表示作物缺水，控制儀給出控制信號開始澆水。澆水時間達到延時時間tl后，停止澆水并等待水分滲入土壤，當等待時間達到t2后，再檢測土壤水吸力，如果土壤水吸力低于下限值Pd則表示澆水己足夠，測控儀就停止澆水。如果土壤水吸力大于下限值Pd則表示還需要澆水，則控制儀繼續澆水，時間達到tl就停止，再等待，再檢測，如此循環，知道土壤水吸力低于下限值Pd。同上面兩種灌溉方式一樣，這種灌溉方式也需要檢測溫度，當溫度低于設定溫度時立即停止澆水。這種灌溉方式是針對滲水較慢的土壤設計的，在灌溉后需要一定的下滲等待時間，操作人員可以根據不同土壤不同要求設定下滲等待時間。上述三種灌溉方式是基于可能遇到的土壤類型設置

24、的，基本上能夠滿足測控儀工作時的要求。.前面板測控儀的前面板如圖3.8所示。由于測控與設顯分開設計成兩臺儀器，測控儀上就沒有工況顯示，但是當種植者在田間巡查乂不必攜帶設顯儀修改參數時，需要知道測控儀是否工作正常，或是測控儀處于哪種工作狀態，這就需要在測控儀的前面板上設置指示燈，讓種植者能夠知道測控儀當前的工作狀態。圖3.8測控儀前面板從測控儀的前面板上可以看到測控儀的當前工作狀態，如果測控儀工作正常則工作燈亮，如果正在澆水則澆水燈亮。測控儀當前的工作方式（方式1：取三個土壤水吸力傳感器平均值控制操作；方式2：三個土壤水吸力傳感器獨立工作）和灌溉方式（上下限、延時、綜合）也可以通過指示燈指示出來

25、。通訊接口用來與設顯儀通訊，接受通過設顯儀設定的各項參數。將通訊接口放在前面板，在與設顯儀連接時就會比較方便。.測控儀后面板測控儀的后面板如圖3.9所示。后面板上主要是傳感器的檢測信號輸入和電磁閥的控制信號輸出。這些信號輸入通道放在測控儀的后面板也是處于習慣與方便連接的考慮。當測控儀工作于方式1時，只有第一路輸出控制信號控制灌溉，當測控儀工作于方式2時，三路分別獨立的輸出控制信號控制灌溉。控制信號123路ooOOootoJoOOOO壓力1壓力2壓力3溫度圖3.9測控儀后面板.測控儀的電路設計測控儀采用單片機控制，它的電路設計主要包括四部分，即對傳感器檢測結果的處理電路、與設顯儀的通訊電路、繼電

26、器控制電路及數據存儲電路。土壤水分傳感器和溫度傳感器的檢測結果信號轉換處理采用LM331進行V/F轉換，這在第三節節中己經提到。但是土壤水分傳感器與溫度傳感器加起來一共有四路檢測結果需要進行V/F變換，如果使用四個LM331顯得有些累贅。由于四個傳感器的V/F轉換可以使用相同的轉換關系，因此，為減少器件，只用一個LM331進行V/F轉換，采用一個模擬開關進行切換，這樣四路傳感器信號就可以實現分時檢測轉換。與設顯儀的通訊采用232串行通訊，這樣，測控儀即能與設顯儀通訊也能與上位機通訊。測控儀的灌溉控制部分采用繼電器來控制，繼電器相當于一個開關，通過這個開關控制灌溉，而它的閉合與斷開由測控儀控制。

27、由于有三個土壤水吸力傳感器，所以就需要三個繼電器，當工作于控制方式1時，只用一個繼電器去控制灌溉;當工作于控制方式2時，三個繼電器就分別獨立地控制三個灌溉系統。數據存儲采用28c64,它能實現掉電保存，且容量較大，能存較多數據，利于儀器功能擴展。需要存儲的數據主要是設定的控制方式、灌溉方式及其灌溉參數等。測控儀的硬件電路設計示意圖如圖3.10所示。指示燈圖3.10測控儀電路設計示意圖.測控儀的軟件設計檢測控制就是監測土壤水分與溫度，并根據設定定的灌溉方式及參數判斷是否需要澆水，給出控制信號。通訊即是與設顯儀通訊，接受設定的灌溉參數并發送經過處理后的土壤水分與溫度數據給設顯儀顯示。(1)檢測控制

28、程序流程圖RI為通訊接收完數據后申請中斷標志位，程序循環檢測是否有數據發送過來。檢測控制功能的流程圖如圖3.11所示。初始化分別根據壓力1,2,3判別當前情況圖3.n檢測控制程序流程圖通訊程序將溫度壓力值分別發至設顯儀控制方式2通訊程序流程圖測控儀通訊程序流程圖如圖3.12所示。在通訊程序中，接收到第一個數據后對其進行判斷，為OFFH表示設顯儀己接入測控儀請求通訊，測控儀則把存儲的各項設定參數及當前檢測結果發送給設顯儀。圖3.12測控儀通訊程序流程圖3.12測控儀通訊程序流程為OFEH表示設顯儀重新設定了灌溉方式及其參數要求測控儀接收;UFDH表示接收新的控制方式:若接收的第一個數據不是上述三

29、個則表示接收出錯，請求設顯儀重新發送。333設顯儀設計設顯儀的功能就是對測控儀的檢測結果、工作狀況進行顯示，并設定測控儀的控制方式、灌溉方式及與灌溉方式對應的參數。簡單的說，設顯儀就是人工與測控儀交互的工具，因此，設顯儀的設計最主要就是按鍵與顯示器的設計。由于按鍵與顯示器要在面板上，面板就成為設顯儀設計的最重要內容。.設顯儀面板設計設顯儀是本著簡單化、小型化，便于攜帶的宗旨設計的，因此它的面板設計也是盡量簡單、直觀、操作方便。由于測控儀所測的土壤參數只有土壤水吸力和溫度，要顯示的數據不多，所以設顯儀的面板只用了一個四位的數碼顯示。在設計時曾考慮用三位半的液晶顯示，可以減小功耗，同時用擔心顯示亮

30、度問題，但考慮到使用液晶顯示它的驅動會比較復雜，這會增加電路的復雜性，同時液晶顯示器的成本要比數碼管高很多，因此，在不是必須要適用液晶顯示的情況下選擇了適用數碼管來顯示。土壤水吸力的檢測范圍是OTOOKPa,溫度的測量范圍是2-150C,為了增加檢測數據的顯示精度所以用了四位顯示。顯示器具體顯示的參數有測控儀實時檢測的三路土壤水吸力，即壓力1、壓力2、壓力3及土壤溫度，設定的各個灌溉方式的參數，即Pu,Pd,tl,t2,To每當顯示器顯示相應的參數時，該參數對應的指示燈就會亮，以說明當前顯示的是什么參數。設顯儀設置了七個鍵來完成其設定與顯示的功能。檢查鍵用來檢查三個土壤水吸力傳感器與一個溫度傳

31、感器的檢測結果。由于只有一個顯示器，因此不能同時顯示四個數據，設置了檢查鍵就可以循環顯示壓力1.壓力2、壓力3及溫度的檢測值，操作者就可以觀察四個傳感器的工作情況。方式鍵可以選擇測控儀的控制方式。當設定控制方式為方式1時，方式1指示燈就亮，方式2指示燈滅：當設定控制方式為方式2時，方式2指示燈亮，方式指示燈滅。功能鍵、加減鍵和確定鍵用來設定測控儀的灌溉方式以及與各灌溉方式對應的參數(CP,Pd,tl.t2.T)o在控制方式1下，按一下功能鍵進入設定狀態，按一下方式鍵設定上下限灌溉方式，按兩下設定延時灌溉方式，按三下設定綜合灌溉方式，按四下設定溫度。在控制方式2下，按一下功能鍵進入壓力1設定狀態

32、，按兩下進入壓力2設定狀態，按三下進入壓力3設定狀態;在各壓力設定狀態下，按方式鍵設定灌溉方式，與控制方式1相同。鎖定鍵可以用來鎖定顯示某一檢測值。當操作者需要單獨觀察某一個傳感器的工作情況與檢測結果時，可以適用鎖定鍵來選擇，這時設顯儀就會只顯示選定的這一路的傳感器的檢測結果。.設顯儀電路設計設顯儀采用單片機控制，它的電路設計比較簡單，主要有三個部分，即按鍵設計、顯示及與測控儀的通訊。按鍵一共有七個，采用一片優先編碼器;顯示采用四位數碼管;通訊采用232串行通訊。設顯儀不存儲數據，所有設定參數都發送到測控儀存儲。設顯儀的電路設計示意圖如圖3.13所示。圖3.13設顯儀電路設計示意圖.設顯儀的軟

33、件設計設顯儀的軟件設計主要的有三部分，顯示、按鍵程序和通訊程序。（1）設顯儀主程序流程圖主程序里包括了顯示程序和通訊程序。顯示程序主要是將測控儀送來的當前土壤水分和溫度檢測結果通過數碼管顯示出來，便于工作人員觀察。通訊程序則是將設定的各項參數值發送給測控儀，并接受測控儀發送來的檢測數據。設顯儀主程序流程圖如圖3.14所示。圖3.14設顯儀主程序流程圖（2）按鍵程序流程圖按鍵采用中斷方式工作，在設定完控制方式或是灌溉方式及其參數后都要將設定值發送給測控儀。設顯儀按鍵程序流程圖如圖3.15所示。圖3.15設顯儀按鍵程序流程圖第四章實驗系統實驗模擬實驗.實驗目的與裝置整個系統設計完成之后，不能馬上拿

34、到現場進行實驗，要在實驗室內實驗檢查整個系統是否能按照設計的功能工作，即能否檢測出土壤水吸力，能否根據檢測結果判斷土壤缺水并給出控制信號。若整個控制系統能夠正常工作才能拿到現場做實驗，否則系統還需調整改進。由于實驗室內條件有限，因此用一個大塑料桶裝滿泥土來模擬田間的種植土壤，只選用一個負壓式土壤水分傳感器來測量其土壤水吸力，將傳感器插在塑料桶的正中。溫度傳感器也插在水分傳感器的旁邊。傳感器的輸出信號經導線接到測控儀上，設顯儀也接到測控儀上。至此，整個控制系統的試驗裝置準備完畢。.水分傳感器的安裝與埋沒負壓式土壤水分傳感器的安裝與埋設是有一定要求的，不能隨隨便便的插入土壤中。在需要測量土壤水吸力

35、的地方，要以一直徑相當于陶土頭的鉆孔器開孔到待測深度.倒入少許泥漿.垂直插入儀器.使陶土頭和土壤緊密接觸，然后將周圍填土搗實。以免雨水沿管周松土下滲而失去代表性。儀器的埋設深度通常根據土壤的作物種植情況而定.對于旱田作物一般采用380,的集氣管，通常將陶土頭埋入地下約30cm處;而對于水田作物一般采用580或780mm的集氣管，分別將陶土頭埋入地下約50或70cm處。.實驗經過與結果傳感器安裝好后，控制系統便可通電工作。通電后，設顯儀能夠顯示測量數據，也可以通過設顯儀設定參數。這次實驗主要做了以下四個方面的工作：（1）檢查上下限灌溉方式工作是否正常。通過設顯儀設定測控儀的灌溉方式為上下限方式。

36、當設顯儀顯示的土壤水吸力測量值大于上限時，澆水燈亮，同時用電表測量第一路繼電器的常開端，發現兩端導通，說明測控儀處于控制澆水狀態。當顯示值低于下限時，澆水燈滅，測量繼電器的常開端不通，說明測控儀已經停止澆水。試驗結果表明上下限灌溉方式工作。（2）檢查延時灌溉方式工作是否正常。設定測控儀的灌溉方式為延時方式。當設顯儀顯示的土壤水吸力測量值大于上限時，澆水綠燈亮，同時用電表測量第一路繼電器的常開端為導通狀態，測控儀處于澆水狀態。經過一段時間澆水燈滅，測量繼電器的常開端為斷開狀態，測控儀停止澆水。澆水燈亮時用秒表計時，到澆水燈滅時停止計時。計時時間與設定的延時時間基本一致，誤差不超過十秒。說明延時方

37、式也能正常工作。（3）檢查綜合灌溉方式工作是否正常。設定測控儀的灌溉方式為綜合方式。當顯示值大于上限時，澆水燈亮，繼電器常開端導通。經過一段時間澆水燈乂亮，此時，顯示值大于上限。如此反復，當顯示值低于下限后，澆水燈未再亮。對澆水時間和等待時間計時，發現計時時間與設定時間基本一致，誤差不超過十秒。說明綜合方式也能正常工作。（4）檢查溫度能否控制灌溉。當測量溫度高于設定值時，控制儀能正常工作。將每個灌溉方式的溫度值設到低于土壤溫度，當顯示測量值大于上限時，澆水燈不亮，繼電器常開端斷開，測控儀不澆水。說明測控儀能實現溫度過低不澆水的功能。從上面實驗可以知道，傳感器能夠測出土壤的水分和溫度，控制儀能夠

38、根據設定值控制灌溉，整個控制系統能夠正常工作，可以拿到現場進行實驗。4.1.2現場實驗在完成室內實驗對控制系統的檢查后，節水灌溉自動控制系統拿到了農業科技園進行現場實驗。.現場描述與系統安裝節水灌溉控制系統在漂水縣的傅家邊農業科技園進行了實驗，實驗場地選擇了大棚里的一塊種植地，種植了從國外引進的蘆薈，蘆薈一列一列的排列種植。地里采取的灌溉方式是滴灌。它在每一列蘆薈旁邊鋪有一條灌溉帶，在每一株蘆薈旁的灌溉帶上都有一個小孔，水在灌溉帶里流動時就會從孔中滴下，滴入蘆薈根部的土壤里。灌溉帶里的水是循環流動的，滴不完的水乂會隨著循環帶流回來重新進行滴灌，不會造成浪費。由于灌溉帶里的水壓不夠，所以灌溉水的

39、控制是先用水泵給水加壓，再由電磁閥來控制水流入灌溉帶。當給電磁閥通電時，電磁閥打開，水就可以通過電磁閥流入灌溉帶進行灌溉，若不給電磁閥通電，閥就會關閉，水就不能流入灌溉帶進行灌溉。控制系統可以通過控制電磁閥來控制灌溉。節水灌溉自動控制系統的安裝示意圖如圖4,1所示。圖中，灌溉控制器件是指水泵和電磁閥等控制水流通過的器件，它與灌溉管道、灌溉帶一起構成了灌溉系統。電磁閥采用24V的直流電源。測控儀和設顯儀放在種植地旁邊的一個臺子上，三個負壓式土壤水分傳感器比較均勻的分市在整塊地上，傳感器的埋設點要在靠近蘆薈根部的地方，因為滴灌灌溉時只將水滴在蘆薈根部附近的土壤。傳感器埋設的方法與前面室內實驗的埋設

40、方法一樣，埋設深度為30cm左右。溫度傳感器則埋設在整塊地靠近中部的地方，埋設點也在蘆薈根部附近。土壤水分傳感器與溫度傳感器的輸出信號通過長導線傳送到測控儀。同時，電磁閥的正電源線接到了測控儀第一路繼電器的兩個常開觸點上，這樣，測控儀通過控制第一路繼電器的吸合就能控制電磁閥電源的通斷，也控制了灌溉。土壤水吸力傳感器設顯儀圖4.1控制系統實驗示意圖.實驗經過由于在現場實驗前進行了室內實驗，驗證了節水灌溉自動控制系統的三種灌溉方式均能正常工作，因此在現場實驗中沒有試用三種灌溉方式，而是通過觀察土壤滲水能力來決定灌溉方式。經過觀察發現，大棚里土壤的滲水能力不是很好，且傳感器陶土頭埋得較深，水分下滲至

41、蘆薈根部需要一定得時間，因此設定控制系統綜合灌溉方式。據科技園工作人員介紹，蘆薈有一個特點，就是它的葉子顏色能反映出它是否缺水。當蘆薈不缺水時，它的葉子顏色為綠色;當蘆薈缺水時，它的葉子顏色就會變為灰紫色，而當給它補充水分使它不缺水后，它的葉子乂會恢復綠色。在進行前驗前，大棚里的蘆薈葉子大部分都呈現了灰紫色，而傳感器檢測到的土壤水吸力非常大，測控儀馬上就處于澆水狀態，這與蘆薈缺水相吻合。因此，在設定時，澆水時間tl設得比較長。在澆了一段時間后，土壤水吸力有所下降。為了試驗測控儀是否正常工作，將下限值設到高于測量值，在經過延時時間t2后，測控儀停止灌溉，儀器工作正常。于是乂將下限值設低,將測控儀

42、放在大棚里讓其自動工作。.實驗結果三天后，當再次到農業科技園檢查測控儀工作情況時，發現測控儀控制灌溉的那塊地的蘆薈顏色明顯變綠，與周圍沒有控制灌溉的蘆薈形成鮮明對比。此時，控制儀已經停止灌溉，但仍在監測土壤水分與溫度。為檢查節水灌溉控制系統的長時間持續工作性能，將控制系統放在大棚里持續工作了一個多月的時間，控制系統工作仍然正常，并無任何異常現象，說明控制系統具有一定的耐用性。此外，控制儀器體積小，操作簡單，科技園里的操作人員很快就掌握了它的操作過程。控制系統由于其簡單、操作簡單、低成本、工作可靠的特點在科技園受到了工作人員的普遍歡迎。第五章結論智能化設施農業節水灌溉控制系統的設計采用了傳感技術與單片微機技術，將工業測控技術和農業種植與灌溉技術結合，依據對農作物生長土壤水分含量的不間斷的實時檢測的結果，根據作物需水特性，實現了適時，按需精確灌溉，達到了節水的目的