基于单片机的茶苗苗圃微喷灌自动化控制系统

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基于单片机的茶苗苗圃微喷灌自动化控制系统
摘要：节水农业是我国农业生产的发展方向。在概述节水灌溉的意义和现状的基
础上，本文通过分析和总结目前喷灌中存在的问题，研究了一套茶苗苗圃微喷灌
自动化控制系统。
关键词：节水灌溉；喷灌；PLC控制系统；苗圃喷灌系统
营林育苗是林业发展的重要组成部分，为林业发展作出了巨大贡献。对于林
业苗圃的灌溉管理由于经济技术等原因，我国目前基本上是以简易的灌溉设施或
自然降雨为主。这种灌溉方法只能改变土壤湿度，对苗圃植物生长发育的小气候
影响小，灌水定额较大，不能实行适时适量灌溉，水的利用率低…。
本文设计了夏云农场的茶苗苗圃微喷灌自动化控制系统。茶苗苗圃总面积
38．5亩，根据夏云农场的实际情况和要求，苗圃管网设计采用三级管道丰字型
布置，即主干管—干管一支管，采用固定悬挂式微喷灌系统。喷灌系统由一级泵
站，二级泵站和动力机，输配水管道系统，喷头以及附属设备等组成。一级泵站
由荫台300JCl30-12×13深井泵(包含两台配套1IOKW电机)构成，二级泵站由两
台犁号为JSl00—80—160水泵机组构成。一级泵站从井中抽水至水塔，二级泵
站从水塔抽水送至喷头对茶苗苗圃进行加压灌溉。
l 喷灌系统工作原理及设计
本文设计了一套由PLC可编程控制器和变频器联合控制的自动喷灌系统，该系统
能精确控制一级泵站和二级泉站水泵电机启停，从而使苗圃喷灌自动化，并且实
现恒压喷灌，保证了苗圃喷灌的均匀度。该控制系统主要包括水位控制子系统、
恒压供水子系统和湿度控制子系统。
1．1水位控制系统设计
一级泵站水位控制系统由PLC作为控制单元实现自动控制，安装在水塔内的水位
变送器能将水塔内时刻变化的水位信号变换成电流信号(4mA----20mA)， (设定
水位变送器1秒钟采集水位数据1500次，即采样频率为1500Hz)，通过信号调
理传送给模拟数字转换器(A／D)，然后到达PLC，PLC把该电流信号与程序中设
定的水位值进行比较分析和处理后，经过数字模拟转换模块控制系统的执行单
元，从而控制电机水泵的启停。当水位达水塔的低限位时，PLC控制系统给出启
动水泵的信号，水泵将从水井中抽水到水塔。当水位达高限时，PLC控制系统将
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给出停止水泵运行的信号。

1．2湿度控制系统设计
二级泵站湿度控制系统的反馈信号来自于苗圃内十壤中安装的湿度传感器。控制
系统由PLC作为控制单元实现自动控制，安装在十壤中的多个湿度传感器能将土
壤中时刻变化的湿度信号变换成电压信号， (设定湿度传感器1秒钟采集湿度数
据1500次，即采样频率为1500Hz)，通过信号调理后传送给模拟数字转换器(A
／D)，然后到达PLC，PLC把该电压信号所对应的湿度信号与程序中设定的湿度
值进行比较分析和处理后，经过数字模拟转换模块控制系统的执行单元，从而控
制四级泵站的电机水泵的启停。
2 恒压喷灌控制原理
(1)在喷灌过程中，为了保证灌区喷灌效果的均匀度，就要使喷头喷洒出的水滴
覆盖面积相等。因为本文所选的喷头型号相同、工作压力是相同的，而喷头的覆
盖半径是由供水压力决定的，当保证供水压力相等时，苗圃区内的每个喷头喷洒
出去的水滴的覆盖面积就能大致相同，这样就能保证喷灌均匀。换言之，只有管
网中的压力保持恒定，才能确保喷灌均匀。所以为了实现恒压喷灌，使喷灌均匀
度更好，本文采用变频调速恒压供水系统。通过对分干管末端的压力进行检测控
制，变频器使电机有效的进行调速，从而调节水泵的转速，这样使喷头获得更好
的喷水压力，以获得更好的节能效果和喷灌效果n1。变频恒压供水控制系统组
成方框图，如图l所示。
(2)变频恒压供水自动控制系统工作原理。系统正常运行时，喷灌管网中的压力
传感器对分干管末端时刻变化的水压信号进行数据采样，并将压力信号转换为电
压信号通过A／D转换器传给PLC，PLC把该电压信号与程序中设定的水压值进行
PID处理(PID就是比例加微分加积分控制规律，具有提高系统快速性、稳定性、
稳态精度等优点)，然后将PID处理的结果转换为频率调节信号经过D／A转换模
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块送至变频器；变频器由此来调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速。
通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的调节，将管网中的水压恒稳于
预先设计的压力值，使水泵机组“提升”的水量与管网小断变化的用水量保持一
致，达到“恒压供水”的目的。

3 信号调理及数据处理系统的设计
虽然大多数传感器已经将各种被测量转换为电量，但是传感器的输出由于在
信号的种类、强度等方面往往不能直接用于仪表显示。传输，数据处理和在线控
制。因此，在采用这砦信号之前，必须根据具体要求，对信号的幅值，驱动能力，
传输特性，抗干扰能力等进行调理。信号调理中常见的环节比如：电桥，信号放
大，隔离，滤波，以及信号调制与解调等。
因为本文选择的传感器的输出信号都具有相似的性质，所以在信号处理及数
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据处理中所选择的设备都相同。
3．1放大器的选择
本文采用ICL7650集成运算放大器。ICL7650集成运算放大器是Intersil公司
利用动态校零和先进的CM05工艺制成的斩波稳零式高精度运算放大器。具有超
低失调和超低漂移，高增益，高输入阻抗的特点。
3．2滤波器选择
滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其
他频率成分。滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声和干扰信号
的作用，在自动检测，自动控制，信号处理等领域得到广泛的应用。
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由于椭圆型滤波器可以把误差均匀分布在通带和阻带内，所以椭圆型滤波器
比较巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器而言，在同样的误差指标下，椭圆型滤波
器要求的阶数最少；在同样的阶数下，椭圆型滤波器的频率响应从通带到阻带的
变化最为陡峭，从选频这一点而言，椭厕型滤波器最优。由此可见，椭圆型滤波
器较巴特沃斯滤波器，切比雪夫I犁、II犁滤波器更为理想。

3．3 A／D转换器的选择
模数转换器(A／D)是连接模拟和数字世界的一个重要接口，A／D转换器将
现实中的模拟信号变换成数字位流来进行处理，传输，以及其他操作。A／D转
换器的选择是至关重要的，所选择的A／D转换器应能确保模拟信号在数字位流
中被准确的表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口。目
前的高速A／D转换器已经被应用于各种仪表、成像以及通信领域中。对用户而
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言，所有这些应用都有着相似的要求，即以较低的价格实现更高的性能。本文选
择TI。V2543型A／D转换器。
4 PLC选择原则
PLC(可编程逻辑控制器)是一种基于数字计算机技术，专为在工业环境下应用而
设计的电子控制装置。它采用可编程的储存器，用来储存用户的指令，通过数字
或模拟的输入／输出。完成一系列的逻辑、顺序、定时、计数、运算等确定的功
能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。在现代化的工业生产设备中，
有大量的数字量及模拟晕的控制装置，例如电机的启停，电磁阍的开闭，产品的
计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，用
PLC来解决已成为最有效的工具之一…。
本文选用三菱FX2N-32MT型PLC。I／O总数：32，输入数目：16，输出数日：16。
5 PLC控制系统程序框图
一级泉站PLC程序框图(见图2所示)。
二级采站PLC程序框图(见图3所示)。
6 结论
本文采用PLC对茶苗苗圃微喷灌系统进行自动化控制，提高了系统对突发事
件的响应能力，增加了系统的可靠性和安全性；特别是采用变频调速系统控制水
泵电机的转速，使系统实现了恒压喷灌，保持了整个茶苗苗圃喷灌区喷灌的均匀
度。实现J，如卜．效益：一是由于应用了变频技术，因此减少了无功功率，水
泵电机功率得以提高；二是电机水泵启动电流大幅度减小，有效地减少了电机启
动大电流对设备用电网的冲击，减少了维修费用；三是由于管网巾的水压可任意
调节，因此町将水泵扬程调节到比较理想的值，以最大限度地节约能源；四是由
于该系统采用PLC控制技术，因此大幅度减少了因人工操作失误而引起的事故，
从而提高了控制的精确性和可靠性，同时达到了节水的目的。
参考文献：
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