專利名稱：智能噴灌控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能噴灌控制裝置。
背景技術(shù)：
我國作為貧水國家之一，加之人口眾多，又正值經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時期，對水資源的需求日益增多，水資源緊缺已成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的“瓶頸”。我國不但水資源緊張，而且用水效率又極其低下，用水浪費現(xiàn)象更是普遍存在?？紤]到近期我國供水量不會有大的增長，如果不實施節(jié)水戰(zhàn)略和推廣應(yīng)用節(jié)水技術(shù)，提高水資源利用率，則很難維持我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。噴灌技術(shù)具有適應(yīng)控制性強(qiáng)，不易產(chǎn)生地表徑流和深層滲漏等優(yōu)點，是常用的節(jié)水灌溉技術(shù)之一。尤其是采用固定或半固定管道式灌溉裝置，應(yīng)用領(lǐng)域廣，幾乎在任何旱作物、谷物、蔬菜、茶區(qū)、藥材、城市園林和花卉草地多加采用，因此節(jié)約用水、合理灌溉(包括灌水定額、灌水次數(shù)、灌溉定額的優(yōu)化)具有重要意義。雖經(jīng)多年發(fā)展，我國噴灌技術(shù)水平在產(chǎn)品種類、材質(zhì)、性能等方面與發(fā)達(dá)國家仍有相當(dāng)大的差距，還不能完全適應(yīng)目前形勢的要求，急需從數(shù)量型向質(zhì)量、效益型轉(zhuǎn)變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對上述問題提供一種智能噴灌控制裝置，該裝置可根據(jù)即時降雨量并結(jié)合實際的噴灌水量自動靈活調(diào)整預(yù)先的開停設(shè)置，實現(xiàn)自動定時開停噴灌機(jī)，以達(dá)到較佳的噴灌效果和提高水資源利用率。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是智能噴灌控制裝置，主要由監(jiān)測降雨量的傳感器模塊、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊和集中處理與控制模塊組成各傳感器模塊與集中處理與控制模塊通過各模塊中的無線通信電路以無線通訊方式連接；監(jiān)測降雨量的傳感器模塊和監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊內(nèi)部電路組成都是相同的，均包括雨量傳感器及其信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器和無線通訊電路，雨量傳感器及其信號調(diào)理電路的輸出接A/D轉(zhuǎn)換電路輸入；A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端和相應(yīng)控制端與微處理器I/O口相接；微處理器串行通訊口與無線通訊電路的輸入和輸出端相接；集中處理與控制模塊內(nèi)部電路由微處理器、鍵盤掃描電路、顯示電路、噴灌電機(jī)驅(qū)動接口電路和無線通訊電路組成鍵盤掃描電路的掃描輸出端和掃描輸入端與微處理器的I/O口相接，微處理器的I/O口與顯示電路電路的控制端和數(shù)據(jù)端相連，噴灌電機(jī)驅(qū)動接口電路輸入端與微處理器的I/O口相連，微處理器串行通訊口與無線通訊電路的輸入和輸出端相接。
上述雨量傳感器由若干片相互并聯(lián)且電絕緣的電容器極板構(gòu)成，電容器極板之間的間隙為雨水通道，雨水通道的兩端為進(jìn)雨口和雨水出口。
上述監(jiān)測降雨量的傳感器模塊、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊中的雨量傳感器及其信號調(diào)理電路主要由正弦波發(fā)生器電路，雨量傳感器測量電路，正弦波90度移相器，移相正弦波幅度調(diào)整電路，正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路，模擬開關(guān)，有源低通濾波器、同相放大器和由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉(zhuǎn)換器電路構(gòu)成，正弦波發(fā)生器電路輸出端與正弦波90度移相器的輸入端相連，正弦波90度移相器的輸出端與移相正弦波幅度調(diào)整電路的輸入端相連，移相正弦波幅度調(diào)整電路的輸出端與正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路的輸出端與模擬開關(guān)的控制端相連，模擬開關(guān)的輸入端與雨量傳感器測量電路輸出端相連，模擬開關(guān)的輸出端與有源低通濾波器輸入端相連，有源低通濾波器的輸出端與同相放大器的輸入端相連，同相放大器的輸出端接入由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉(zhuǎn)換器電路輸入端。
監(jiān)測降雨量的傳感器模塊、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊和集中處理與控制模塊中的無線通信電路各由調(diào)制發(fā)射電路和接收解調(diào)電路兩部分構(gòu)成調(diào)制發(fā)射電路中的載頻振蕩器輸入端與其所在模塊中的微處理器串行口數(shù)據(jù)輸出端相連，載頻振蕩器輸出端與諧振電路輸入端相連，諧振電路輸出端經(jīng)電感與天線相連；接收解調(diào)電路中的天線與諧振選頻電路輸入端相連、諧振選頻電路輸出端與放大電路輸入端相連，放大電路輸出端與其所在模塊中的微處理器串行口數(shù)據(jù)接收端相連。
上述集中處理與控制模塊設(shè)有實時時鐘/日歷電路，它的數(shù)據(jù)端和控制信號輸入端與微處理器的I/O口相接。
上述監(jiān)測降雨量的傳感器模塊、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊和集中處理與控制模塊中都設(shè)有看門狗和電源監(jiān)控電路，它的控制腳和輸出腳與其所在模塊的微處理器I/O口相連。
本發(fā)明采用了嵌入式微處理器，可智能控制噴灌機(jī)的運行以達(dá)到最佳的噴灌效果。本裝置內(nèi)部使用了實時時鐘/日歷芯片，操作人員可根據(jù)作物在不同生長期內(nèi)每天不同時刻對噴灌的特定要求，通過本裝置配有輸入鍵盤電路，設(shè)置該生長期內(nèi)噴灌機(jī)在每天多個不同的開停時刻，以實現(xiàn)自動定時開停噴灌機(jī)。本發(fā)明對雨(水)量變化的反應(yīng)靈敏度高，實時性好。本發(fā)明中的傳感器模塊的作用是監(jiān)測噴灌水量和監(jiān)測降雨量，并通過無線通訊電路把雨(水)量信息實時發(fā)送給裝置中的集中處理與控制模塊以便作出控制動作，監(jiān)測降雨量的傳感器模塊應(yīng)放置在噴灌不到的地方，而監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊可考慮放置在田地中央。當(dāng)無雨時，本發(fā)明在預(yù)設(shè)的時刻開停噴灌機(jī)；當(dāng)降雨且平均單位時間降雨量大于或等于降雨前平均單位時間噴灌水量時，本發(fā)明暫時停止噴灌機(jī)運行而不管預(yù)定的開停設(shè)置；當(dāng)降雨變小或雨停平均單位時間降雨量明顯小于降雨前平均單位時間噴灌水量時，本發(fā)明根據(jù)此前的降雨總量積算結(jié)果來決定是立即恢復(fù)執(zhí)行預(yù)定的噴灌機(jī)開停設(shè)置還是延時一段時間后再恢復(fù)執(zhí)行預(yù)定設(shè)置(此前的降雨總量積算結(jié)果越大，延時時間越長)。發(fā)明測量誤差小，積算功能強(qiáng)大。尤其適用于采用固定或半固定管道式灌溉裝置的自動控制。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中傳感器模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明中傳感器模塊內(nèi)部的雨(水)量傳感器及其信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖4是本發(fā)明中傳感器模塊內(nèi)部的微處理器、看門狗電路和電力不足報警電路原理圖；圖5是本發(fā)明中集中處理與控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明中集中處理與控制模塊內(nèi)部的實時時鐘/日歷電路、微處理器、看門狗電路和電源監(jiān)控、存儲電路、鍵盤掃描電路、顯示電路、電力不足報警電路和噴灌電機(jī)驅(qū)動接口電路原理圖；
圖7是本發(fā)明中各模塊采用的無線通訊電路原理圖；圖8是本發(fā)明穿透式雨量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是圖8的俯視圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述參見圖1，本發(fā)明由包括監(jiān)測降雨量的傳感器模塊1、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊2和集中處理與控制模塊3。
圖8和圖9中所示本發(fā)明的雨量傳感器18的核心部件是8組電容器，電容器極板19是16片0.5mm厚度的不銹鋼板，多片電容器極板19相互并聯(lián)以增大承雨量。四根與電容器極板19電絕緣的螺栓20固定8組電容器成一整體，結(jié)構(gòu)排列成直通式(即極板19之間的間隙24為雨水通道，雨水通道24的兩端為進(jìn)雨口21和出雨口22)并與雨量傳感器外殼23連接，流進(jìn)電容器的雨水可穿過直通式電容器極板流走。由電容器原理可知，電容量與電容器極板間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，即其電容量CAa的大小與雨量的大小有關(guān)。本發(fā)明利用介質(zhì)(雨量)組成的電容傳感器結(jié)構(gòu)能有效地解決雨量大小的量測，并具有靈敏度高、響應(yīng)快、易于沖洗等特點。
本發(fā)明中監(jiān)測降雨量的傳感器模塊1和監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊2內(nèi)部電路組成都是相同的，如圖2所示，都是由雨(水)量傳感器及其信號調(diào)理電路4、A/D轉(zhuǎn)換電路5、微處理器6、看門狗電路7和無線通訊電路8組成。
圖3中，本發(fā)明專利的雨(水)量傳感器信號調(diào)理電路4包括ICL8038正弦波發(fā)生器電路，雨量傳感器中電容量CAa的測量電路U4，正弦波90度移相器U1A，移相正弦波幅度調(diào)整電路U1B，正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路U2A。如出現(xiàn)降雨，雨量的大小實時地轉(zhuǎn)換為CAa電容量的變化，U4輸出的正弦交流電壓幅度正比于CAa。ICL8038正弦波發(fā)生器電路的輸出信號既是CAa的測量電路U4的激勵源，又是正弦波90度移相器的參考信號源，該輸出一路接電容CAa的測量電路輸入端，一路接正弦波90度移相器U1A輸入端。正弦波90度移相器U1A輸出至正弦波幅度調(diào)整電路U1B，再經(jīng)正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路U2A完成波形轉(zhuǎn)換后輸出至模擬開關(guān)4066A的開關(guān)控制端，模擬開關(guān)4066A的輸入端與電容CAa測量電路U4輸出端相連，所以CAa測量電路輸出的正弦信號與移相90度后的同頻方波通過模擬開關(guān)4066A實現(xiàn)相關(guān)運算，運算結(jié)果輸出至有源低通濾波器U6，CAa越大，有源低通濾波器U6輸入信號的幅度越大，把該輸入信號轉(zhuǎn)換成電平信號輸出的電平幅度就越大，而有源低通濾波器U6的輸出經(jīng)同相放大器U7接入由運放器U8、U9、U10和乘法器RC4200組成的有效值/直流轉(zhuǎn)換器電路，最后由運放器U8、U9、U10和乘法器RC4200組成的有效值/直流轉(zhuǎn)換器電路輸出直流電平也越大，從而雨量信號檢測及調(diào)理電路就有效把CAa的大小變化轉(zhuǎn)化成直流電平的大小變化。有效值/直流轉(zhuǎn)換器電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器U21(AD574)輸入端相連，U21的輸出端和相應(yīng)控制端與微處理器6(AT89C51)的P2P1 I/O口相接，微處理器6(AT89C51)可通過P2I/O口讀入U21轉(zhuǎn)換結(jié)果并對這些雨量數(shù)據(jù)作了濾波等相應(yīng)算法處理后，再通過串行通訊口TXDRXD輸送至無線通訊電路8，最后由無線通訊電路8發(fā)往集中處理與控制模塊3。
在圖4中，傳感器模塊中看門狗和電源監(jiān)控電路由看門狗和電源監(jiān)控芯片U22、非門U24a、U24b和或門U25a構(gòu)成，U22的兩路輸出端經(jīng)U24a和U25a與微處理器6(AT89C51)的復(fù)位端相連，在傳感器模塊上電和微處理器6(AT89C51)程序跑飛時為微處理器6提供復(fù)位信號，使得微處理器6始終正常運行；傳感器模塊電源經(jīng)電阻分壓后輸入U22，當(dāng)傳感器模塊電源下降至臨界值時，U22經(jīng)U24b向微處理器6的INT0輸出中斷請求信號，AT89C51執(zhí)行中斷程序，通過P14腳驅(qū)動報警電路，發(fā)光管D5點亮，SPEAKER1發(fā)出報警聲響。
在圖5中，本裝置中集中處理與控制模塊內(nèi)部電路包括實時時鐘/日歷電路9、微處理器10、看門狗電路和電源監(jiān)控11、存儲電路12、鍵盤掃描電路13、顯示電路14、電力不足報警電路15、噴灌電機(jī)驅(qū)動接口電路16和無線通訊電路17。
在圖6中，微處理器10(P87C58X2)是與80C51完全兼容的OTP型單片機(jī)，內(nèi)有32KB程序存儲單元，提供多種低電壓操作和低功耗電源控制模式，還具有多重保密級別，適合本裝置的設(shè)計要求?？撮T狗和電源監(jiān)控電路11由看門狗和電源監(jiān)控芯片U26、非門U27a、U27b和或門U28a構(gòu)成，U26的兩路輸出端經(jīng)U27a和U28a與微處理器10的復(fù)位端相連，在系統(tǒng)上電和微處理器10程序跑飛時為微處理器10提供復(fù)位信號，使得微處理器10始終正常運行；系統(tǒng)電源經(jīng)電阻分壓后輸入U26，當(dāng)系統(tǒng)電源下降至臨界值時，U26經(jīng)U27b向微處理器10的INT0輸出中斷請求信號，微處理器10執(zhí)行中斷程序，保存現(xiàn)場數(shù)據(jù)并通過P24腳驅(qū)動報警電路15，發(fā)光管D6點亮，SPEAKER2發(fā)出報警聲響。存儲電路12主要采用串行EEPRROM芯片24WC256，它的SDA、SCL腳分別與微處理器10的I/O端口P20P21構(gòu)成I2C總線連接關(guān)系。本發(fā)明采用PHILIP公司的內(nèi)含I2C總線接口功能的、具有極低功耗的多功能時鐘/日歷工業(yè)級芯片PCF8563組成實時時鐘/日歷電路9，它的SDA、SCL腳分別與微處理器10的I/O端口P22P23構(gòu)成I2C總線連接關(guān)系，它的INT中斷輸出腳與微處理器10的P33腳相連。相關(guān)的預(yù)置信息由工作人員通過鍵盤掃描電路13輸入，微處理器10通過I/O端口P10至P16構(gòu)成掃描矩陣來掃描鍵盤，以完成被按下的鍵盤識別和處理。微處理器10的I/O端口P0、P25 P26 P27和讀寫控制端口分別經(jīng)總線驅(qū)動器U23、與門U29a與液晶顯示電路14中的液晶顯示器CCM162數(shù)據(jù)端口和控制端口相連，用于顯示被按下的鍵盤、雨量和處理結(jié)果等信息。噴灌電機(jī)驅(qū)動接口電路16中JK-1和JK-2分別是繼電器的線圈和常開觸點，NA-1和NA-2、NA-3、NA-4分別是接觸器的線圈和三個常開觸點，SW-C和SW-O分別是手動控制噴灌電機(jī)開停的常開開關(guān)和常閉開關(guān)微處理器10的I/O端口P34通過三極管Q3與繼電器的線圈JK-1相連，Vcc電源經(jīng)由常開開關(guān)SW-C、接觸器的一個常開觸點NA-2和繼電器的常開觸點JK-2組成的并聯(lián)電路和由常閉開關(guān)SW-O和接觸器的線圈NA-1組成的串聯(lián)電路接地，噴灌電機(jī)兩個接線端分別經(jīng)接觸器的兩個常開觸點NA-3、NA-4接電源VAC。微處理器10串行通訊口TXDRXD通過無線通訊電路17向傳感器模塊1、2發(fā)送命令或接受傳感器模塊1、2發(fā)送來的雨(水)量信息。
各模塊采用的無線通信電路都是相同的，如圖7所示，它分為兩個部分晶體管Q3及其周圍元件組成的調(diào)制發(fā)射電路和晶體管Q4及其周圍元件組成的接收解調(diào)電路Q3與晶振CY3組成載頻振蕩器，各模塊中微處理器串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD輸出的串行數(shù)據(jù)經(jīng)C25耦合再經(jīng)過T2、L2、R82加至Q3的發(fā)射極進(jìn)行調(diào)制，形成的高頻調(diào)制波由C26和T1初級組成的諧振回路選頻后，經(jīng)電感L1，再由天線向外發(fā)射；天線接收到發(fā)射的調(diào)制信號，經(jīng)電感L3和由C31和T3次級組成的諧振回路選頻、Q4放大后從C28耦合至各模塊中微處理器串行口數(shù)據(jù)接收端RXD。
權(quán)利要求
1.智能噴灌控制裝置，其特征在于主要由監(jiān)測降雨量的傳感器模塊(1)、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊(2)和集中處理與控制模塊(3)組成；各傳感器模塊(1)(2)和集中處理與控制模塊(3)通過模塊(1)(2)(3)中的無線通信電路以無線通訊方式連接；傳感器模塊(1)(2)均包括，雨量傳感器及其信號調(diào)理電路(4)、A/D轉(zhuǎn)換電路(5)、微處理器(6)和無線通訊電路(8)，雨量傳感器及其信號調(diào)理電路(4)的輸出接A/D轉(zhuǎn)換電路(5)輸入，A/D轉(zhuǎn)換電路(5)的輸出端和相應(yīng)控制端與微處理器(6)I/O口相接，微處理器(6)串行通訊口與無線通訊電路(8)的輸入和輸出端相接；集中處理與控制模塊(3)內(nèi)部電路由微處理器(10)、鍵盤掃描電路(13)、顯示電路(14)、噴灌電機(jī)驅(qū)動接口電路(16)和無線通訊電路(17)組成鍵盤掃描電路(13)的掃描輸出端和掃描輸入端與微處理器(10)的I/O口相接，微處理器(10)的I/O口與顯示電路電路(14)的控制端和數(shù)據(jù)端相連，噴灌電機(jī)驅(qū)動接口電路(16)輸入端與微處理器(10)的I/O口相連，微處理器(10)串行通訊口與無線通訊電路(17)的輸入和輸出端相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴灌控制裝置，其特征在于雨量傳感器由若干片相互并聯(lián)且電絕緣的電容器極板構(gòu)成，電容器極板之間的間隙為雨水通道，雨水通道的兩端為進(jìn)雨口和雨水出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴灌控制裝置，其特征在于傳感器模塊(1)(2)中的雨量傳感器及其信號調(diào)理電路(4)主要由正弦波發(fā)生器電路，雨量傳感器測量電路，正弦波90度移相器，移相正弦波幅度調(diào)整電路，正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路，模擬開關(guān)，有源低通濾波器、同相放大器和由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉(zhuǎn)換器電路構(gòu)成，正弦波發(fā)生器電路輸出端與正弦波90度移相器的輸入端相連，正弦波90度移相器的輸出端與移相正弦波幅度調(diào)整電路的輸入端相連，移相正弦波幅度調(diào)整電路的輸出端與正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，正弦波/方波轉(zhuǎn)換電路的輸出端與模擬開關(guān)的控制端相連，模擬開關(guān)的輸入端與雨量傳感器測量電路輸出端相連，模擬開關(guān)的輸出端與有源低通濾波器輸入端相連，有源低通濾波器的輸出端與同相放大器的輸入端相連，同相放大器的輸出端接入由運放器和乘法器組成的有效值/直流轉(zhuǎn)換器電路輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴灌控制裝置，其特征在于監(jiān)測降雨量的傳感器模塊(1)、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊(2)和集中處理與控制模塊(3)中的無線通信電路各由調(diào)制發(fā)射電路和接收解調(diào)電路兩部分構(gòu)成調(diào)制發(fā)射電路中的載頻振蕩器輸入端與其所在模塊中的微處理器串行口數(shù)據(jù)輸出端相連，載頻振蕩器輸出端與諧振電路輸入端相連，諧振電路輸出端經(jīng)電感與天線相連；接收解調(diào)電路中的天線與諧振選頻電路輸入端相連、諧振選頻電路輸出端與放大電路輸入端相連，放大電路輸出端與其所在模塊中的微處理器串行口數(shù)據(jù)接收端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴灌控制裝置，其特征在于集中處理與控制模塊(3)設(shè)有實時時鐘/日歷電路(9)，它的數(shù)據(jù)端和控制信號輸入端與微處理器(10)的I/O口相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴灌控制裝置，其特征在于監(jiān)測降雨量的傳感器模塊(1)、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊(2)和集中處理與控制模塊(3)中都設(shè)有看門狗和電源監(jiān)控電路，它的控制腳和輸出腳與其所在模塊的微處理器I/O口相連。
全文摘要
智能噴灌控制裝置，主要由監(jiān)測降雨量的傳感器模塊、監(jiān)測噴灌水量的傳感器模塊和集中處理與控制模塊組成各傳感器模塊與集中處理與控制模塊通過各模塊中的無線通信電路以無線通訊方式連接。裝置嵌入了微處理器，操作人員可在該裝置上設(shè)置噴灌機(jī)在每天的多個不同開停時刻，以實現(xiàn)自動定時開停噴灌機(jī)；該裝置靈敏度高，實時性好，可根據(jù)當(dāng)時的降雨量并結(jié)合實際的噴灌水量自動靈活調(diào)整預(yù)先的開停設(shè)置，以達(dá)到最佳的噴灌效果和提高水資源利用率。裝置具有安裝使用方便，可靠性高，價格低廉和微功耗等優(yōu)點，尤其適用于采用固定或半固定管道式灌溉裝置的自動控制。
文檔編號A01G27/00GK1623368SQ20041006135
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者熊昌侖, 鄧華 申請人:武漢大學(xué)