太阳能自动微灌演示系统

李 蕊,孙敬姝,李志有,马 琳,王 微,张彩虹,付成伟,梁 浩

(吉林大学物理学院,吉林长春130012)

1 引 言

在我国,水资源严重不足,采用传统的漫灌造成用水浪费十分惊人,因而将有限的水资源管好、用好,发展节水农业,是我国一项根本性的战略措施.而太阳能又是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,也是清洁能源,不产生任何的环境污染.本文设计的是集机电自动化于一体的综合型演示实验装置,它模拟了太阳能自动灌溉系统的工作过程,并能最大程度地节水、节电、节约劳动力.

本装置可推广用于温室大棚、城市绿化和家庭养花的自动浇水,可控制滴灌、喷灌、渗灌,也可用于露地农作物的自动灌水及施肥和温室养殖业,还可用于教学,可培养学生综合实验能力.

2 实验系统结构

该系统由太阳能发电装置、自动控制电路、灌节水装置、模拟环境装置、移动车5部分组成,如图1所示.其中:太阳能发电装置由太阳能电池板(400 mm×600 mm)、蓄电池(12 V)和控制器组成,为单片机、自动控制电路和水泵供电.模拟环境装置为500 mm×500 mm×500 mm的有机玻璃箱和500 mm×500 mm×200 mm的水槽组成.在水槽上放置带孔塑料板和绿草坪,箱内放置可调节的加湿加热设备,并利用可控灯模拟太阳光照射强度的变化.微灌节水装置包括水泵、主干管、支管等,放在草坪上.用25 W 12 V直流无刷水泵将水源(水槽内的水)输送到主干管、支管中,进行喷灌,供作物(草坪)吸收水分.当测得的湿度小于70%,温度在10～35℃之间,或温度高于35℃但光强小于15 000 lx时,水泵自动打开,进行喷灌,并可循环使用水槽内的水.

图1 实验系统结构简图

2.1 自动控制电路的硬件设计

自动控制电路框图如图2所示.

图2 自动控制电路框图

1)单片机:选用16位MSP430F149(TI公司)单片机作为自动控制电路的核心.该单片机硬件集成度高,为单片机与传感器、固态继电器、显示屏连接提供了充足的I/O端口,方便数据采集与信号传输.MSP430提供了多种晶振方案,可以为不同模块选择不同的时钟源.超低功耗是MSP430突出特性,可实现长时间的检测而不会消耗大量的电能.本设计采用8 MHz的晶振配置为主系统工作时钟,32.768 kHz的晶振配置为外围系统工作时钟.

2)温湿度传感器:采用SENSIRION公司生产的SHT10温湿度传感器芯片,传感器包括1个电容性聚合体测湿敏感元件、1个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接.提供全标定的两线数字输出,即采用IIC传输模式与单片机进行数据传输.湿度测量范围0～100%,温度测量范围-40～+123℃.测湿精度±4.5%,测温精度在25℃为±0.5%.

3)光强传感器:选用的TSL230光强传感器在单片电路中集成了1个可配置的硅光电二极管和1个电流/频率转换器,可直接输出正比于入射光强度的频率信号,该器件与单片机接口相接,采用单总线通讯模式,方便与单片机进行数据传输.

4)L ED显示屏:采用SITRONIX电子公司生产的中文图形ST7920控制芯片,最多可以驱动256×32个液晶点.单片机的I/O端口与ST7920相连接,通过IIC总线通讯模式,实现命令传输与数据传输.ST7920具有低功耗特点,满足省电需求.

5)水泵控制电路:使用25 W 12 V直流无刷水泵.单片机输出的信号通过固态继电器J GX-2FA进行放大,控制水泵开关.当测得数据达到适当条件时,单片机输出高电平,使水泵接通12 V电压开始工作.

2.2 自动控制电路的软件设计

软件设计流程图如图3所示.

系统初始化后,调用温度、湿度、光强测量程序.由于温湿度传感器的非线性,将传感器测得的数值,经过公式计算得到修正后的相对湿度、温度.把测量到的光强传感器输入的脉冲信号周期换算为所测光强.通过调用写数据函数,把温度、湿度、光强显示到屏上相应位置.

图3 程序流程图

判断温度是否低于10℃,如果低于10℃不开启水泵,否则继续判断湿度,湿度大于70%不开启水泵,否则再次判断温度是否高于阈值35℃,如果低于阈值则开启水泵,否则判断光强是否高于阈值15 000 lx,高于阈值关水泵,低于阈值开水泵.到此,单片机完成1次数据测量与判断.

如果水泵没有打开,则返回系统初始化,进行新一轮的数据测量,直到开启水泵.水泵开启后,系统进入低功耗状态,使能定时器中断,定时为3 s.3 s后触发中断,返回系统初始化,进行新一轮测量判断.如果满足灌溉条件,则水泵一直处于开启状态,一旦条件不满足,关闭水泵,进行下一轮测量.

3 实验操作

系统工作时,单片机时刻检测环境变化,确定是否开水泵进行喷灌.

a.光强控制旋钮旋至低挡,LED显示屏显示湿度小于70%,植物处于缺水状况,则需要进行灌溉.

b.若温度低于10℃不能进行喷灌.

c.若温度在10～35℃之间,开始自动喷灌.

d.调节温度控制旋钮使温度升高,屏幕显示温度大于阈值35℃,但光强小于阈值15 000 lx,继续喷灌.

e.将光强控制旋钮调大,当屏幕显示光强大于15 000 lx时,喷灌停止.(模拟夏天10:00-15:00光照强度大,温度高,不宜灌溉.)

f.将温度调节旋钮调小,屏幕显示温度小于35℃时,又开始喷灌,以后无论如何调节光强照度,喷灌不停.

g.打开加湿器开关,湿度大于70%(模拟土壤湿度饱和)时,喷灌停止,不论怎样调节温度和光强控制开关,都不再喷灌.

4 结束语

本演示系统以其简单的结构,模拟了太阳能自动灌溉系统的工作过程,有利于太阳能、自动控制等综合方面的演示实验教学,有利于促进该系统的推广使用,使太阳能自动灌溉系统早日在我国普及.

[1] 黄正佳.可编程光/频转换器TSL230[J].国外电子元器件,1999,(1):41-44.