基于单片机的棉花自动灌溉施肥系统设计

张 艳 李德胜

新疆天业（集团）有限公司，新疆 石河子 832000

基于单片机的棉花自动灌溉施肥系统设计

张 艳 李德胜

新疆天业（集团）有限公司，新疆 石河子 832000

文章介绍一种适合新疆实际情况的自动灌溉及施肥系统。该系统可以人工或自动控制灌溉、施肥时间, 自动控制肥液浓度。灌溉量、施肥量均采用闭环控制。该系统设计合理, 操作简单、价格低廉, 控制效果能够满足实际要求。

可编程控制器；单片机；施肥系统；节水灌溉

1.自动灌溉施肥技术概况

新疆是一个水资源严重缺乏的地区，农业用水量约占总用水量的80%左右,由于农业灌溉用水的利用率普遍低下,就全国范围而言,水的利用率仅为45%,水资源利用率高的国家已达70%～80%,因而,解决农业灌溉用水的问题,对于缓解水资源的紧缺至关重要。本文介绍一套用单片机实现的作物自动灌溉、自动施肥及肥液浓度自动控制的灌溉系统, 该系统能够按作物所需灌溉水量、施肥量自动灌溉、施肥及按作物所需肥液浓度自动进行混合。并且可以通过用户界面输入控制指令、监控系统工作、查询系统信息等。

2.系统组成及原理

现代化灌溉系统中农作物所需养分来自肥液, 所以在灌溉过程中不但要根据作物需求灌溉水, 还要将适宜作物生长的一定浓度的肥液通过灌溉水提供给作物。而肥液与水的混合是在灌溉过程中进行, 因此, 肥料的混合、检测和控制是一个实时控制系统。自动灌溉与施肥系统的组成如图1所示。系统由单片机控制器、灌溉管路、肥液混合系统等几部分组成。其中肥液混合系统包括混合罐、抽吸肥液用的文丘里阀、电磁阀(根据施加肥料种类的不同可有多个),PH值、EC值传感器等。

系统运行时，进水管与各个肥液罐的电磁阀通过单片机控制开启，肥液由文丘里阀输送至混肥液储存罐与灌溉用水充分混合，当肥液储存罐液位达到要求时，通过肥液泵输送至混肥管道，灌溉施肥时主电磁阀开启，充分混合后的肥液输送至灌溉系统主管道并输送至大田作物及肥水采样器，对农作物进行灌溉与施肥。当肥水混合液中离子浓度（EC值）或PH值过高，肥水采样器采样得到数值高于单片机内部控制程序设置的作物生长适合浓度数值，此时，单片机控制相应肥液罐电磁阀关闭，肥液储存罐内的肥液被主管道内的灌溉用水稀释，从而避免离子浓度或酸碱度过高对作物根系造成伤害。反之，当肥水混合液中EC值与PH值过低，肥水采样器采样得到数值低于单片机内部控制程序设置的作物生长适合浓度数值，单片机控制进水管电磁阀关闭，肥液储存罐内的肥液浓度上升，从而达到作物生长合适的浓度。使用此种控制能是肥液的浓度始终保持在作物生长合适的范围内。无需人工干预，修改单片机控制程序内的预设值，可对不同作物的施肥灌溉进行控制。

系统使用流量管传感器检测输入农田的肥液总量，灌溉的水量控制和施肥控制是分别独立的, 水量控制由单片机控制电磁阀开关时间, 采用闭环控制。施肥控制包括施肥量控制及肥液浓度控制。施肥量控制同样采用时序控制, 由用户输入施肥时间及周期, 或直接手动控制施肥。按作物所需肥液浓度,自动进行肥液的混合。

3.上位机软件设计

使用VB6.0编写上位机软件，具有良好的人机交互界面。上位机通过用户界面输入控制指令、实时监控系统工作、查询系统信息等。根据滴灌施肥过程中对施肥参数的控制需要，编写软件程序。主要是用户实时监控程序。通过单片机实现对施肥液中的EC/PH值、流量、混肥罐液位等信号的采集和处理，并将信号反馈给上位PC机，同时能够接收并输出上位机的控制指令，驱动执行机构，执行相应操作；用户实时监控程序能够将滴灌施肥过程中的状态参数，通过数据和曲线两种方式实时显示在上位PC机的用户界面上，并能够对所监控的数据进行保存。

上位PC机通过RS-232串口与单片机通信，下位机采用PIC18F45J10单片机作为现场核心控制器，负责采集传感器信号，输出控制指令，控制执行机构运行。

4.系统测试与结论

经过实际的测试, 系统完全可以满足在功能方面的需求, 在对由达林顿管驱动的电磁阀的控制可靠性的测试中取得了比较理想的结果。目前自动灌溉系统在国内还处于研发阶段,自动化程度较低,智能型控制器的应用还很少。本文介绍的由单片机控制的自动灌溉及施肥控制系统设计合理, 结构简单, 使用方便。其中EC和PH值传感器可对多种不同性质的肥料、酸液等进行浓度闭环控制, 控制精度和实时性较好。同时,由于用开关式电磁阀代替价格较为昂贵的流量控制阀, 不仅能够显著地降低了多种施加物灌溉系统的成本,而且还能够简化驱动电路及控制电路, 使系统的可靠性及维护的方便性得到改善。实验结果表明,本系统工作可靠, 控制精度能够满足农艺要求,不但对于灌溉系统中的自动施肥系统设计,而且对于液体中混合物的浓度及酸碱度控制系统都具有参考价值。

图1

[1]节水灌溉编委会.节水灌溉技术手册[M].北京：中国大地出版社，2007：62～70

[2]何立民.单片机初级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999：25～3 2.

[3]刘湘涛，江士明.单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2007：134～139，142～148

[4]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999：30.

[5]徐科军.传感器与检测技术[M].北京：电子工业版社，2007：110～113，160～161.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.033

张艳（1982.2—），女 ，学士，新疆天业（集团）有限公司天辰化工公司仪控部助理工程师。