【正文】 變送電路采用24V直流電源供電，24V電源經(jīng)過反相保護二極管(DI)給運放和三極管供電。 ，因此，在變送電路中需要一個恒流源電路給壓阻傳感器供電。壓阻傳感器輸出的電壓信號是未經(jīng)放大的，電壓值非常小，不便于電流轉換，因此變送電路還需要一個電壓放大電路。變送電路中A2和ARRRRRS4共同組成了同相串聯(lián)差動運算放大器。A4與三極管Q2的組合將差放的輸出電壓轉換為電流。A4的反向端接到RSZ的滑動端，調(diào)節(jié)RSZ就可以調(diào)節(jié)零壓力時輸出電流為4mA，調(diào)節(jié)RS4就可使壓力與輸出電流滿足一定的關系。 負壓式土壤水分傳感器經(jīng)過上述改進后，其耐用性與通用性都將得到提高。使充水變得容易，不破壞陶土頭與土壤的緊密程度?；谝陨系目紤]，下面就對傳感器的結構改進進行分析設計。在設計陶土頭保護結構時要考慮到陶土頭是通過與土壤接觸來測量土壤水吸力的，因此陶土頭保護結構不能阻礙其與土壤之間的緊密接觸。 如圖，整個裝置由不銹鋼的細鋼條做成，三根細鋼條圍成陶土頭的形狀，圍成的圓的直徑要比陶土頭的直徑略大，長度也要比陶土頭的稍長，使螺孔的位置在陶土頭與塑料管的連接處之上。 陶土頭裝上這個保護裝置后，它與連接處就處于不銹鋼條的保護之下，若是與其他物體碰撞就不容易碰撞到陶土頭，首先碰撞到的是不銹鋼條，而不銹鋼是很耐碰撞的。 ②充水改進 對于傳感器充水過于頻繁的問題，也許很多人會想只要增加集氣管的長度就可以增大傳感器的蓄水量，自然也就延長了充水周期，減少了充水次數(shù)。因此不能用增長集氣管的方法來解決充水頻繁的問題。此外，也要考慮到如何使充水簡單易行的問題。蓄水盒上的傳感器套筒代替了密封蓋，套在傳感器的頭部，并用膠密封以保證感器不漏氣。加水時，無氣水由螺孔加入蓄水盒，再由漏水孔流入傳感器里。當傳感器加滿水并且蓄水盒存儲了一定體積的水后，將密封螺栓擰入蓄水盒里。當傳感器需要加水時只需擰松密封螺栓，水就會流入傳感器，加水便變得非常方便，而且由于蓄水盒里存儲有一定量的水，就可以很長時間不用往蓄水盒里加水，非常省事。而擰開密封螺栓比直接擰開傳感器上的密封蓋要容易得多，也不易使陶土頭與土壤產(chǎn)生松動。(3)改進后的傳感器 。 土壤水吸力傳感器在經(jīng)過這些改進之后，其耐用性與適用性都將得到很大的提高。 目前常用的測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、和半導體集成溫度傳感器等。 熱電阻式傳感器是利用導體的電阻率隨溫度而變化的效應制成的傳感器。鉑熱電阻的特點是物理化學性能穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力強、測量精度高、測溫范圍寬，有很好的重現(xiàn)性，但價格較貴。 熱敏電阻傳感器是利用半導體的電阻隨溫度顯著變化這一特性測溫的，它的體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好，但是它的互換性差，而且價格昂貴。這種傳感器的優(yōu)點是小型化、線性好、高靈敏度、穩(wěn)定性好、重復性好，互換性好，低成本，易于電路設計或控制電路接口。 LM35是集成的半導體精密溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻、熱電阻、熱電偶等相比較，與熱敏電阻、熱電偶等傳統(tǒng)傳感器相比，具有線性好、精度高、體積小、校準方便、價格低等特點，非常適合于常溫測量工作。 LM35是電壓輸出，它的外型很小，只有3個引腳()，Vout是輸出電壓端，VS是電源端。與被測溫度成線性關系。工作電源電壓范圍4一3ov。輸出電壓從并聯(lián)的電阻上獲得，: V。 控制儀器的設計方向是具有廣泛的適用性，同時盡量小型化、簡單化、易操作及低成本，實時監(jiān)測土壤墑情，按照作物需水特性精確灌溉。同時，考慮到土壤溫度對作物生長及灌溉都有影響，因此也需要對土壤溫度進行監(jiān)測。至于其他的參數(shù)，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在測量參數(shù)己足夠和簡化系統(tǒng)降低成本的前提下，可以不用考慮測量。 在控制儀器的工作中，判斷土壤是否缺水是一個難點。土壤水吸力與土壤水分具有一定的關系，土壤吸力越大，土壤含水量越小。由于負壓式土壤水分傳感器經(jīng)過多年使用累積經(jīng)驗，已經(jīng)掌握了大部分作物需水狀態(tài)對應的土壤水吸力范圍，因此，可以直接用土壤水吸力來判斷作物的缺水狀況。為實現(xiàn)自動控制、按需灌溉，控制儀器就必須能夠根據(jù)不同的作物，不同的生長期以及不同的環(huán)境改變判斷土壤缺水的標準。 二、灌溉控制 1控制方式 目前我國設施農(nóng)業(yè)中裝配的灌溉系統(tǒng)設備差異很大，這主要使由于各地方的條件和資金差異造成的。要使控制系統(tǒng)具有通用性，就要使其給出的控制信號能夠控制這些不同的輸水設備，這就要找出它們的共同點。這樣，控制系統(tǒng)給出的控制信號也就具有了通用性。對于滲水能力強的土壤，灌溉效果能夠很快的顯現(xiàn)出來，控制儀器能夠通過土壤水吸力傳感器很快的檢測到土壤缺水狀態(tài)己得到緩解，可以停止?jié)菜＿@不僅沒有實現(xiàn)節(jié)水反而浪費了水，同時對需水量敏感的作物生長也不利。 三、控制儀整體低成本設計 低成本是自動化節(jié)水灌溉控制儀設計的一個重要要求，它也是決定節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否推廣的一個重要因素。檢測部分檢測土壤水分與溫度并對檢測結果數(shù)據(jù)進行處理。功能設定部分設定判斷作物缺水參數(shù)值和灌溉方式。 一般控制儀的設計都會將這四部分合在一起做成一臺儀器，但是這樣做會增加單臺儀器的體積和成本，而對于在田間工作的節(jié)水灌溉控制儀來說，檢測控制和設定顯示是可以分開設計的。這樣，檢測控制與設定顯示設計成一體就沒有必要。同時，一臺功能為設定顯示的儀器可以搭配許多臺檢測控制的儀器，在購買節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)時，就可以買許多臺的檢測控制的儀器，而只買一臺或是少量的設定顯示的儀器，這樣就會大大降低實現(xiàn)節(jié)水灌溉自動控制的成本，有利于節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的推廣。將儀器分開設計后，儀器的體積就可以設計得很小，特別是設顯儀的體積很小，隨身攜帶很方便。 以上是控制儀設計方案的總體構思，下面就對自動節(jié)水灌溉控制儀設計進行具體介紹。一般的信號轉換都采用A/D轉換器，但是A/D轉換器比較貴，需要根據(jù)轉換精度來選擇且轉換數(shù)據(jù)間的關系計算比較復雜。LM331是用得較多的一種V/F轉換芯片，它的體積小，成本低，精度高，所需外圍元件少且輸入與輸出即V、F成線性關系，轉換關系簡單。 LM331與溫度傳感器LM35只需使用少量元器件就能構成線性關系很好的V/F轉換。 從上面的公式可以看出，只要選擇好Rs、RL、Rt、Ct的參數(shù)值，輸入和輸出就會有很好的線性關系。繼電器是目前使用得最廣泛的可控開關，性能也比較可靠，因此在測控儀設計時就選用繼電器來作控制灌溉輸水控制設備電源的開關。由于是測控儀直接控制繼電器開關的吸合，因此，要選用直流控制的繼電器。對于交、直流供電且電流較小的灌溉輸水控制設備來說，可以直接用這種繼電器來控制。這時，可以再加一個可通過較大電流的交流繼電器，用直流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器，大功率交流繼電器又去控制灌溉輸水控制設備的交流電源，這樣測控儀同樣可以實現(xiàn)灌溉的控制。 三、傳感器的數(shù)量與工作方式 土壤水分是灌溉控制的最重要參數(shù)，但是一個土壤水吸力傳感器只能測一個小范圍內(nèi)的土壤水分，這一小范圍往往不能代表一大片土壤的含水情況，而一片大田里往往種有很多株作物，要在每一株作物附近插一個傳感器測土壤水分又是不現(xiàn)實的。因此測控儀設計連接了三個負壓式土壤水分傳感器，用四個傳感器稍嫌太多，而兩個又太少，三個比較合適。 此外，對于三個土壤水分傳感器測控儀可以有兩種不同的控制方式。第二種方式，三個傳感器可以獨立的控制灌溉。這樣，在控制土壤面積不大的情況下，測控儀就可以獨立控制三塊地，這也就增大了測控儀的工作量，從分發(fā)揮的測控儀的潛力。一般花卉和盆景對水分的要求是比較苛刻的，用自動化節(jié)水灌溉控制儀來培養(yǎng)花卉或盆景，可以收到不錯的經(jīng)濟效果。 四、灌溉方式 ，針對不同的作物和不同的土壤測控儀需要有不同的土壤缺水判斷標準和灌溉方式。測控儀根據(jù)要求設置了三種灌溉方式以供操作者在面對不同土質(zhì)時選擇使用。 當測控儀檢測到土壤水吸力大于上限值時，表示作物缺水，控制儀給出控制信號，控制澆水。測控儀在檢測土壤水吸力的同時還要檢測溫度，當發(fā)現(xiàn)溫度低于設定溫度時立即停止?jié)菜?，以免在低溫下澆水凍傷作物? (2)延時澆灌方式 在這種澆灌方式下，可以設定土壤水吸力上限值(Pu)、延時時間(tl)和溫度(T)三個參數(shù)。當澆水時間達到延時時間t1后，表示澆水足夠，測控儀停止?jié)菜? 這種灌溉方式是針對對灌溉系統(tǒng)比較熟悉，預先知道灌溉量的情況設計的。 (3)綜合澆灌方式 在這種澆灌方式下，可以設定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)、延時時間(tt2)和溫度(T)五個參數(shù)。澆水時間達到延時時間t1后，停止?jié)菜⒌却譂B入土壤，當?shù)却龝r間達到t2后，再檢測土壤水吸力，如果土壤水吸力低于下限值Pd則表示澆水已足夠，測控儀就停止?jié)菜Ｍ厦鎯煞N灌溉方式一樣，這種灌溉方式也需要檢測溫度， 當溫度低于設定溫度時立即停止?jié)菜? 上述三種灌溉方式是基于可能遇到的土壤類型設置的，基本上能夠滿足測控儀工作時的要求。 一、前面板。 從測控儀的前面板上可以看到測控儀的當前工作狀態(tài)，如果測控儀工作正常則工作燈亮，如果正在澆水則澆水燈亮。方式2:三個土壤水吸力傳感器獨立工作)和灌溉方式(上下限、延時、綜合)也可以通過指示燈指示出來。將通訊接口放在前面板，在與設顯儀連接時就會比較方便。 后面板上主要是傳感器的檢測信號輸入和電磁閥的控制信號輸出。 當測控儀工作于方式1時，只有第一路輸出控制信號控制灌溉，當測控儀工作于方式2時，三路分別獨立的輸出控制信號控制灌溉。 土壤水分傳感器和溫度傳感器的檢測結果信號轉換處理采用LM331進行V/F轉換。由于四個傳感器的V/F轉換可以使用相同的轉換關系，因此，為減少器件，只用一個LM331進行V/F轉換，采用一個模擬開關進行切換，這樣四路傳感器信號就可以實現(xiàn)分時檢測轉換。 測控儀的灌溉控制部分采用繼電器來控制，繼電器相當于一個開關，通過這個開關控制灌溉，而它的閉合與斷開由測控儀控制。當工作于控制方式2時，三個繼電器就分別獨立地控制三個灌溉系統(tǒng)。需要存儲的數(shù)據(jù)主要是設定的控制方式、灌溉方式及其灌溉參數(shù)等。 測控儀的軟件設計主要有兩部分，即檢測控制和通訊。通訊即是與設顯儀通訊，接受設定的灌溉參數(shù)并發(fā)送經(jīng)過處理后的土壤水分與溫度數(shù)據(jù)給設顯儀顯示。 二、通訊程序流程圖。43 /