马铃薯滴灌水肥一体化设计

榆林学院能源工程学院 党学立 王雯

引言

马铃薯是我国的四大粮食作物之一，关系着我国的粮食生产安全。文献[1]从选种、整地施肥、种薯处理、能机械播种、田间管理、病虫害防治、收获贮藏等方面总结了石薯1号马铃薯栽培技术,以期节约资源、实现石薯1号马铃薯增产。文献[2]介绍了水肥一体化技术具有节水、省肥的双重功效，有着很好的推广应用前景。文献[3]描述了近五年水肥管理关键技术及单项农艺栽培技术等研究结果，并结合多年实践经验，形成了内蒙古滴灌马铃薯水肥一体化技术规程。前述的马铃薯水肥一体化技术，虽然智能化水平提高不少，实现了水肥的一体化，但是需要人工过多的参与，因此还需要进一步完善。

1 硬件系统结构

马铃薯滴灌水肥一体化系统设计是由单片机、含水量检测电路、时钟复位电路、肥料浓度检测电路、按键电路、水肥搅拌控制电路、加压滴灌控制电路、声音报警电路构成。时钟复位电路：完成上电初始复位，及提供控制器的工作时钟节拍；含水量检测电路：实时检测马铃薯土壤的湿度，并将检测的水量数据传输给控制器，由控制器做进一步的处理；肥料浓度检测电路：实时检测储水罐的水肥溶液的浓度，以进行科学的施肥管理；按键电路：系统上电时，由人工设置含水量，及水肥溶液的浓度，实现不同作物给予不同的滴灌量；水肥搅拌控制电路：使水肥溶液混合均匀，以达到设置的浓度要求；加压滴灌控制电路：驱动交流电机工作，加压水肥溶液，通过管道，流入滴灌管，渗入土壤，完成作物的浇水及施肥；声音报警电路：提示人们注意安全，加压放水工作即将启动。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2 硬件系统设计

2.1 含水量检测电路

采用电容式土壤湿度传感器，检测土壤湿度，避免了电阻式传感器极易被腐蚀的问题，增加了传感器的工作寿命，其具有机械尺寸小；携带方便；电压供电范围大；后期处理方便的特点。含水量检测电路是由电容式土壤湿度传感器J3、集成电路U2、集成电路U1互连构成，其中，集成电路U1的型号为AT89C51,集成电路U2的型号为TLC2543。土壤湿度传感器J3输出土壤湿度的模拟电压信号，输入到集成电路U2的引脚1，集成电路U2是串行的ADC采样芯片，经过集成电路U2处理，变成数字的电平信号，通过集成电路U2的引脚16输出，输入到单片机的引脚15，由单片机做进一步的处理，从而实现土壤含水量的检测。土壤含水量检测电路如图2所示。

图2 土壤含水量检测电路

2.2 肥料浓度检测电路

肥料浓度检测采电路采用PH检测采集传感模块，其型号为E-201-C，其具有低功耗、响应时间短、工作温度范围宽、稳定时间短、输出方式灵活、检测范围为广，可测量PH0～PH14。本设计的肥料浓度检测电路是由连接器J4，集成电路U2,U1互连构成，其中，肥料浓度信号量从连接器J4的引脚3输出，输入到集成电路U2的引脚2，集成电路U2实现模数转换，经过集成电路U2处理，变成数字的电平信号，通过集成电路U2的引脚16输出，输入到单片机的引脚15，由单片机做进一步的处理，继而实现肥料浓度的检测。肥料浓度检测电路如图3所示。

图3 肥料浓度检测电路

2.3 晶振复位电路

单片机复位后，正常工作时需要恰当的时钟节拍。本设计的时钟节拍由晶振电路产生，晶振电路是由无源晶振Y1,电容C1,C2相互连接构成，无源晶振Y1接到单片机的引脚18,19，电容C1,C2的一端接地，另一端接到单片机的引脚18,19。本设计的复位电路是由两部分构成，一是上电复位，二是按键复位。上电复位由电阻R1,电容C3组成，系统加电，在单片机的引脚9产生一个高电平脉冲，完成上电复位；按键复位，当按钮SW1按下，单片机的引脚9产生一个高电平脉冲，完成系统复位；当释放按钮SW1,单片机软件系统开始正常工作。晶振复位电路如图4所示。

图4 晶振复位电路

2.4 按键及声音报警电路

按键电路是由按钮开关SW2,SW3,SW4,SW5，蜂鸣器LS1构成。其中，四个开关的一端接地，另一端分别接单片机的引脚17,15,13,11；当单片机的引脚检测到单片机的引脚17,15,13,11为低电平值，则相应的功能设置，或进行设置土壤含水量值，或进行设置肥料浓度值。当启动水泵放水后，土壤的含水量达到设定的值时，单片机将驱动蜂鸣器发出声音，提醒人们关掉水泵开关，设计时，为了增大驱动能力，采用单片机的P1口的8位引脚驱动。按键及声音报警电路如图5所示。

图5 按键及声音报警电路

3 主程序设计

马铃薯滴灌水肥一体化系统设计不仅需要硬件平台，同时也需要软件程序配合来实现系统的功能。马铃薯滴灌水肥一体化系统设计软件主程序包括上电初始化模块、设置水肥的浓度、设置土壤的含水量、启动搅拌水肥、检测土壤含水量、声音报警提示、加压放水启动、关掉水开关模块构成。本设计主要的实现流程如下：首先，系统加电，硬件上电复位，系统进行初始化工作；其次，设置水肥的浓度，程序等待从键盘输入水肥的浓度设定值，当键盘输入后，程序流程进行下一步；接着，设置土壤的含水量，程序等待从键盘输入土壤的含水量设定值，当键盘输入土壤的含水量后，程序流程进行下一步；接着，启动搅拌水肥，当水肥浓度，土壤的含水量设定后，程序执行水肥溶液的搅拌，已达到混合均匀，判断浓度是否符合要求，不满足处于等待，否则，进行到下一步；接着，进行检测土壤含水量，程序配置采样设置，启动采样，判断转换的结束，读取转换的结果，输入到控制器进一步处理，判断含水量是否符合要求，不满足处于等待，否则，进行到下一步；接着，进行声音报警提示，当含水量不符合要求，则要进行灌水操作，灌水操作前，做出声音提示，警示人们注意安全；再次，进行加压放水，打开阀门开关，使水肥溶液经管道输出到马铃薯土壤中；再次，检测土壤含水量，判断土壤的含水量是是否到达要求，没有达标，则等待，进入循环，直到达标为止。最后，进行关掉水开关，完成滴灌。利用Proteus软件[4]，结合keil C51软件语言生成单片机执行程序[5]，对整个软硬件系统进行仿真工作。主程序设计流程如图6所示。

图6 主程序设计流程图

4 马铃薯滴灌效果比较

目前马铃薯滴灌系统多采用人工方式：人工打开水阀门；人工打开加电；人工往施肥管里装化肥；灌溉结束，人工关阀门等。本文研究的马铃薯滴灌水肥一体化系统，可实现自动检测土壤的含水量，自动检测水肥溶液的浓度，无须人工开关阀门，从而节省了劳动力，减少了人工成本，更经济；同时也能够更加科学合理地种植作物，效率更高，作物的产量更高。马铃薯滴灌水肥一体化系统的,主控制器以单片机为核心，以含水量检测电路、时钟复位电路、肥料浓度检测电路、按键电路、水肥搅拌控制电路、加压滴灌控制电路、声音报警电路为辅助电路，实现了对马铃薯土壤滴灌浇水与施肥。该设计性能稳定，自动化程度高，节省劳动力，可用于含水量检测与水肥溶液浓度检测，同时也适用于电气化与自动化，测控技术与仪器等专业学生的实验教学。

5 结论