CN100334942C - 智能喷灌控制装置 - Google Patents

Abstract

智能喷灌控制装置，主要由监测降雨量的传感器模块、监测喷灌水量的传感器模块和集中处理与控制模块组成：各传感器模块与集中处理与控制模块通过各模块中的无线通信电路以无线通讯方式连接。装置嵌入了微处理器，操作人员可在该装置上设置喷灌机在每天的多个不同开停时刻，以实现自动定时开停喷灌机；该装置灵敏度高，实时性好，可根据当时的降雨量并结合实际的喷灌水量自动灵活调整预先的开停设置，以达到最佳的喷灌效果和提高水资源利用率。装置具有安装使用方便，可靠性高，价格低廉和微功耗等优点，尤其适用于采用固定或半固定管道式灌溉装置的自动控制。

Description

智能喷灌控制装置

技术领域

本发明涉及一种智能喷灌控制装置。

背景技术

我国作为贫水国家之一，加之人口众多，又正值经济快速发展时期，对水资源的需求日益增多，水资源紧缺已成为经济社会发展的“瓶颈”。我国不但水资源紧张，而且用水效率又极其低下，用水浪费现象更是普遍存在。考虑到近期我国供水量不会有大的增长，如果不实施节水战略和推广应用节水技术，提高水资源利用率，则很难维持我国经济社会的可持续发展。喷灌技术具有适应控制性强，不易产生地表径流和深层渗漏等优点，是常用的节水灌溉技术之一。尤其是采用固定或半固定管道式灌溉装置，应用领域广，几乎在任何旱作物、谷物、蔬菜、茶区、药材、城市园林和花卉草地多加采用，因此节约用水、合理灌溉(包括灌水定额、灌水次数、灌溉定额的优化)具有重要意义。虽经多年发展，我国喷灌技术水平在产品种类、材质、性能等方面与发达国家仍有相当大的差距，还不能完全适应目前形势的要求，急需从数量型向质量、效益型转变。

发明内容

本发明就是针对上述问题提供一种智能喷灌控制装置，该装置可根据即时降雨量并结合实际的喷灌水量自动灵活调整预先的开停设置，实现自动定时开停喷灌机，以达到较佳的喷灌效果和提高水资源利用率。

本发明提供的技术方案是：智能喷灌控制装置，主要由监测降雨量的传感器模块、监测喷灌水量的传感器模块和集中处理与控制模块组成：各传感器模块与集中处理与控制模块通过各模块中的无线通信电路以无线通讯方式连接；监测降雨量的传感器模块和监测喷灌水量的传感器模块内部电路组成都是相同的，均包括：雨量传感器及其信号调理电路、A/D转换电路、微处理器和无线通讯电路，雨量传感器及其信号调理电路的输出接A/D转换电路输入；A/D转换电路的输出端和相应控制端与微处理器I/O口相接；微处理器串行通讯口与无线通讯电路的输入和输出端相接；集中处理与控制模块内部电路由微处理器、键盘扫描电路、显示电路、喷灌电机驱动接口电路和无线通讯电路组成：键盘扫描电路的扫描输出端和扫描输入端与微处理器的I/O口相接，微处理器的I/O口与显示电路电路的控制端和数据端相连，喷灌电机驱动接口电路输入端与微处理器的I/O口相连，微处理器串行通讯口与无线通讯电路的输入和输出端相接。

上述雨量传感器由若干片相互并联且电绝缘的电容器极板构成，电容器极板之间的间隙为雨水通道，雨水通道的两端为进雨口和雨水出口。

上述监测降雨量的传感器模块、监测喷灌水量的传感器模块中的雨量传感器及其信号调理电路主要由正弦波发生器电路，雨量传感器测量电路，正弦波90度移相器，移相正弦波幅度调整电路，正弦波/方波转换电路，模拟开关，有源低通滤波器、同相放大器和由运放器和乘法器组成的有效值/直流转换器电路构成，正弦波发生器电路输出端与正弦波90度移相器的输入端相连，正弦波90度移相器的输出端与移相正弦波幅度调整电路的输入端相连，移相正弦波幅度调整电路的输出端与正弦波/方波转换电路的输入端相连，正弦波/方波转换电路的输出端与模拟开关的控制端相连，模拟开关的输入端与雨量传感器测量电路输出端相连，模拟开关的输出端与有源低通滤波器输入端相连，有源低通滤波器的输出端与同相放大器的输入端相连，同相放大器的输出端接入由运放器和乘法器组成的有效值/直流转换器电路输入端。

监测降雨量的传感器模块、监测喷灌水量的传感器模块和集中处理与控制模块中的无线通信电路各由调制发射电路和接收解调电路两部分构成：调制发射电路中的载频振荡器输入端与其所在模块中的微处理器串行口数据输出端相连，载频振荡器输出端与谐振电路输入端相连，谐振电路输出端经电感与天线相连；接收解调电路中的天线与谐振选频电路输入端相连、谐振选频电路输出端与放大电路输入端相连，放大电路输出端与其所在模块中的微处理器串行口数据接收端相连。

上述集中处理与控制模块设有实时时钟/日历电路，它的数据端和控制信号输入端与微处理器的I/O口相接。

上述监测降雨量的传感器模块、监测喷灌水量的传感器模块和集中处理与控制模块中都设有看门狗和电源监控电路，它的控制脚和输出脚与其所在模块的微处理器I/O口相连。

本发明采用了嵌入式微处理器，可智能控制喷灌机的运行以达到最佳的喷灌效果。本装置内部使用了实时时钟/日历芯片，操作人员可根据作物在不同生长期内每天不同时刻对喷灌的特定要求，通过本装置配有输入键盘电路，设置该生长期内喷灌机在每天多个不同的开停时刻，以实现自动定时开停喷灌机。本发明对雨(水)量变化的反应灵敏度高，实时性好。本发明中的传感器模块的作用是：监测喷灌水量和监测降雨量，并通过无线通讯电路把雨(水)量信息实时发送给装置中的集中处理与控制模块以便作出控制动作，监测降雨量的传感器模块应放置在喷灌不到的地方，而监测喷灌水量的传感器模块可考虑放置在田地中央。当无雨时，本发明在预设的时刻开停喷灌机；当降雨且平均单位时间降雨量大于或等于降雨前平均单位时间喷灌水量时，本发明暂时停止喷灌机运行而不管预定的开停设置；当降雨变小或雨停平均单位时间降雨量明显小于降雨前平均单位时间喷灌水量时，本发明根据此前的降雨总量积算结果来决定是立即恢复执行预定的喷灌机开停设置还是延时一段时间后再恢复执行预定设置(此前的降雨总量积算结果越大，延时时间越长)。发明测量误差小，积算功能强大。尤其适用于采用固定或半固定管道式灌溉装置的自动控制。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明中传感器模块内部结构图；

图3是本发明中传感器模块内部的雨(水)量传感器及其信号调理电路、A/D转换电路原理图；

图4是本发明中传感器模块内部的微处理器、看门狗电路和电力不足报警电路原理图；

图5是本发明中集中处理与控制模块内部结构图；

图6是本发明中集中处理与控制模块内部的实时时钟/日历电路、微处理器、看门狗电路和电源监控、存储电路、键盘扫描电路、显示电路、电力不足报警电路和喷灌电机驱动接口电路原理图；

图7是本发明中各模块采用的无线通讯电路原理图；

图8是本发明穿透式雨量传感器结构示意图；

图9是图8的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细的描述：

参见图1，本发明由包括：监测降雨量的传感器模块1、监测喷灌水量的传感器模块2和集中处理与控制模块3。

图8和图9中所示本发明的雨量传感器18的核心部件是8组电容器，电容器极板19是16片0.5mm厚度的不锈钢板，多片电容器极板19相互并联以增大承雨量。四根与电容器极板19电绝缘的螺栓20固定8组电容器成一整体，结构排列成直通式(即极板19之间的间隙24为雨水通道，雨水通道24的两端为进雨口21和出雨口22)并与雨量传感器外壳23连接，流进电容器的雨水可穿过直通式电容器极板流走。由电容器原理可知，电容量与电容器极板间介质的介电常数有关，即其电容量CAa的大小与雨量的大小有关。本发明利用介质(雨量)组成的电容传感器结构能有效地解决雨量大小的量测，并具有灵敏度高、响应快、易于冲洗等特点。

本发明中监测降雨量的传感器模块1和监测喷灌水量的传感器模块2内部电路组成都是相同的，如图2所示，都是由雨(水)量传感器及其信号调理电路4、A/D转换电路5、微处理器6、看门狗电路7和无线通讯电路8组成。

图3中，本发明专利的雨(水)量传感器信号调理电路4包括ICL8038正弦波发生器电路，雨量传感器中电容量CAa的测量电路U4，正弦波90度移相器U1A，移相正弦波幅度调整电路U1B，正弦波/方波转换电路U2A。如出现降雨，雨量的大小实时地转换为CAa电容量的变化，U4输出的正弦交流电压幅度正比于CAa。ICL8038正弦波发生器电路的输出信号既是CAa的测量电路U4的激励源，又是正弦波90度移相器的参考信号源，该输出一路接电容CAa的测量电路输入端，一路接正弦波90度移相器U1A输入端。正弦波90度移相器U1A输出至正弦波幅度调整电路U1B，再经正弦波/方波转换电路U2A完成波形转换后输出至模拟开关4066A的开关控制端，模拟开关4066A的输入端与电容CAa测量电路U4输出端相连，所以CAa测量电路输出的正弦信号与移相90度后的同频方波通过模拟开关4066A实现相关运算，运算结果输出至有源低通滤波器U6，CAa越大，有源低通滤波器U6输入信号的幅度越大，把该输入信号转换成电平信号输出的电平幅度就越大，而有源低通滤波器U6的输出经同相放大器U7接入由运放器U8、U9、U10和乘法器RC4200组成的有效值/直流转换器电路，最后由运放器U8、U9、U10和乘法器RC4200组成的有效值/直流转换器电路输出直流电平也越大，从而雨量信号检测及调理电路就有效把CAa的大小变化转化成直流电平的大小变化。有效值/直流转换器电路的输出端与A/D转换器U21(AD574)输入端相连，U21的输出端和相应控制端与微处理器6(AT89C51)的P2P1I/O口相接，微处理器6(AT89C51)可通过P2I/O口读入U21转换结果并对这些雨量数据作了滤波等相应算法处理后，再通过串行通讯口TXDRXD输送至无线通讯电路8，最后由无线通讯电路8发往集中处理与控制模块3。

在图4中，传感器模块中看门狗和电源监控电路由看门狗和电源监控芯片U22、非门U24a、U24b和或门U25a构成，U22的两路输出端经U24a和U25a与微处理器6(AT89C51)的复位端相连，在传感器模块上电和微处理器6(AT89C51)程序跑飞时为微处理器6提供复位信号，使得微处理器6始终正常运行；传感器模块电源经电阻分压后输入U22，当传感器模块电源下降至临界值时，U22经U24b向微处理器6的INT0输出中断请求信号，AT89C51执行中断程序，通过P14脚驱动报警电路，发光管D5点亮，SPEAKER1发出报警声响。

在图5中，本装置中集中处理与控制模块内部电路包括实时时钟/日历电路9、微处理器10、看门狗电路和电源监控11、存储电路12、键盘扫描电路13、显示电路14、电力不足报警电路15、喷灌电机驱动接口电路16和无线通讯电路17。

在图6中，微处理器10(P87C58X2)是与80C51完全兼容的OTP型单片机，内有32KB程序存储单元，提供多种低电压操作和低功耗电源控制模式，还具有多重保密级别，适合本装置的设计要求。看门狗和电源监控电路11由看门狗和电源监控芯片U26、非门U27a、U27b和或门U28a构成，U26的两路输出端经U27a和U28a与微处理器10的复位端相连，在***上电和微处理器10程序跑飞时为微处理器10提供复位信号，使得微处理器10始终正常运行；***电源经电阻分压后输入U26，当***电源下降至临界值时，U26经U27b向微处理器10的INT0输出中断请求信号，微处理器10执行中断程序，保存现场数据并通过P24脚驱动报警电路15，发光管D6点亮，SPEAKER2发出报警声响。存储电路12主要采用串行EEPRROM芯片24WC256，它的SDA、SCL脚分别与微处理器10的I/O端口P20P21构成I2C总线连接关系。本发明采用PHILIP公司的内含I2C总线接口功能的、具有极低功耗的多功能时钟/日历工业级芯片PCF8563组成实时时钟/日历电路9，它的SDA、SCL脚分别与微处理器10的I/O端口P22P23构成I2C总线连接关系，它的INT中断输出脚与微处理器10的P33脚相连。相关的预置信息由工作人员通过键盘扫描电路13输入，微处理器10通过I/O端口P10至P16构成扫描矩阵来扫描键盘，以完成被按下的键盘识别和处理。微处理器10的I/O端口P0、P25P26P27和读写控制端口分别经总线驱动器U23、与门U29a与液晶显示电路14中的液晶显示器CCM162数据端口和控制端口相连，用于显示被按下的键盘、雨量和处理结果等信息。喷灌电机驱动接口电路16中JK-1和JK-2分别是继电器的线圈和常开触点，NA-1和NA-2、NA-3、NA-4分别是接触器的线圈和三个常开触点，SW-C和SW-O分别是手动控制喷灌电机开停的常开开关和常闭开关：微处理器10的I/O端口P34通过三极管Q3与继电器的线圈JK-1相连，Vcc电源经由常开开关SW-C、接触器的一个常开触点NA-2和继电器的常开触点JK-2组成的并联电路和由常闭开关SW-O和接触器的线圈NA-1组成的串联电路接地，喷灌电机两个接线端分别经接触器的两个常开触点NA-3、NA-4接电源VAC。微处理器10串行通讯口TXDRXD通过无线通讯电路17向传感器模块1、2发送命令或接受传感器模块1、2发送来的雨(水)量信息。

各模块采用的无线通信电路都是相同的，如图7所示，它分为两个部分：晶体管Q3及其周围元件组成的调制发射电路和晶体管Q4及其周围元件组成的接收解调电路：Q3与晶振CY3组成载频振荡器，各模块中微处理器串行口数据发送端TXD输出的串行数据经C25耦合再经过T2、L2、R82加至Q3的发射极进行调制，形成的高频调制波由C26和T1初级组成的谐振回路选频后，经电感L1，再由天线向外发射；天线接收到发射的调制信号，经电感L3和由C31和T3次级组成的谐振回路选频、Q4放大后从C28耦合至各模块中微处理器串行口数据接收端RXD。

Claims (6)

1.智能喷灌控制装置，其特征在于：主要由监测降雨量的传感器模块(1)、监测喷灌水量的传感器模块(2)和集中处理与控制模块(3)组成；各传感器模块(1)(2)和集中处理与控制模块(3)通过模块(1)(2)(3)中的无线通信电路以无线通讯方式连接；传感器模块(1)(2)均包括，雨量传感器及其信号调理电路(4)、A/D转换电路(5)、微处理器(6)和无线通讯电路(8)，雨量传感器及其信号调理电路(4)的输出接A/D转换电路(5)输入，A/D转换电路(5)的输出端和相应控制端与微处理器(6)I/O口相接，微处理器(6)串行通讯口与无线通讯电路(8)的输入和输出端相接；集中处理与控制模块(3)内部电路由微处理器(10)、键盘扫描电路(13)、显示电路(14)、喷灌电机驱动接口电路(16)和无线通讯电路(17)组成：键盘扫描电路(13)的扫描输出端和扫描输入端与微处理器(10)的I/O口相接，微处理器(10)的I/O口与显示电路电路(14)的控制端和数据端相连，喷灌电机驱动接口电路(16)输入端与微处理器(10)的I/O口相连，微处理器(10)串行通讯口与无线通讯电路(17)的输入和输出端相接。

2.根据权利要求1所述的喷灌控制装置，其特征在于：雨量传感器由若干片相互并联且电绝缘的电容器极板构成，电容器极板之间的间隙为雨水通道，雨水通道的两端为进雨口和雨水出口。

3.根据权利要求1或2所述的喷灌控制装置，其特征在于：传感器模块(1)(2)中的雨量传感器及其信号调理电路(4)主要由正弦波发生器电路，雨量传感器测量电路，正弦波90度移相器，移相正弦波幅度调整电路，正弦波/方波转换电路，模拟开关，有源低通滤波器、同相放大器和由运放器和乘法器组成的有效值/直流转换器电路构成，正弦波发生器电路输出端与正弦波90度移相器的输入端相连，正弦波90度移相器的输出端与移相正弦波幅度调整电路的输入端相连，移相正弦波幅度调整电路的输出端与正弦波/方波转换电路的输入端相连，正弦波/方波转换电路的输出端与模拟开关的控制端相连，模拟开关的输入端与雨量传感器测量电路输出端相连，模拟开关的输出端与有源低通滤波器输入端相连，有源低通滤波器的输出端与同相放大器的输入端相连，同相放大器的输出端接入由运放器和乘法器组成的有效值/直流转换器电路输入端。

4.根据权利要求1或2所述的喷灌控制装置，其特征在于：监测降雨量的传感器模块(1)、监测喷灌水量的传感器模块(2)和集中处理与控制模块(3)中的无线通信电路各由调制发射电路和接收解调电路两部分构成：调制发射电路中的载频振荡器输入端与其所在模块中的微处理器串行口数据输出端相连，载频振荡器输出端与谐振电路输入端相连，谐振电路输出端经电感与天线相连；接收解调电路中的天线与谐振选频电路输入端相连、谐振选频电路输出端与放大电路输入端相连，放大电路输出端与其所在模块中的微处理器串行口数据接收端相连。

5.根据权利要求1或2所述的喷灌控制装置，其特征在于：集中处理与控制模块(3)设有实时时钟/日历电路(9)，它的数据端和控制信号输入端与微处理器(10)的I/O口相接。

6.根据权利要求1或2所述的喷灌控制装置，其特征在于：监测降雨量的传感器模块(1)、监测喷灌水量的传感器模块(2)和集中处理与控制模块(3)中都设有看门狗和电源监控电路，它的控制脚和输出脚与其所在模块的微处理器I/O口相连。

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