设计和开发一种自动灌溉系统.doc

设计和开发一个自动灌溉系统 中央土壤含盐量研究所，Karnal，印度 1996年9月20日摘要：在科学灌溉制度中,水应在一个适当的土壤水分张力下来满足蒸散量来供给作物。应用自动控制的水在土壤水分predecided紧张是一种有效的灌溉调度技术。这可以通过一个本土研制的自动灌溉系统来实现。在这个系统中，土壤水分张力是通过一种改进的电压表来测量的。该方案提供给控制在predecided灌溉土壤水分张力和19,300定时器。电路能在一个12V直流蓄电池下工作很长一段时间。于1997年，科学B.V.出版社关键词：改造电压表 闸阀 微灌灌溉表 自动抽油机 自动灌溉系统1.介绍在发展中国家中，大部分可用的水是用于农业。随着不同领域不断新增的农业活动和竞争的需求，节省水的使用已经变得必不可少。这需要利用现有资源最优灌溉采用方法的创新的科学方法的调度。壤水分的测量，蒸散量的估计,叶水势、冠层温度是用于灌溉调度的各种参数。为保证基于这些离散参数的自动化在灌溉，一种利用和控制面板是必需的。1997年0378-3774/97 /B.V. 17.00美元 科学出版社保留所有权利。有价证券SO378-3774 01292-9170(96) 冠层温度的方法测量,由于气孔关闭期间的峰值太阳辐射，我们可以获得误导人的信息。自动化领域灌溉的研究主要限于重力系统。典型的是,那些被Haise、Kruse(1969)，Fischbach(1969)和Phene（1973）等人使用了潜在传感器测量土壤热量散失的自动化灌溉系统。奥斯汀和罗林斯(1977)叙述了光电探测器水银器，并报道说探测器和控制器使用晶体管电路晶体管逻辑(TTL)被用来成功地控制了灌溉在29个情节。当两个或两个以上的电压表的示数达到或者低于设置点时，灌溉会自动进行。(Hollis and Dylla, 1980). 在当前的课题中，自动灌溉制度受到用于实时测量土壤应力值的可修改的电压表的影响。这是一个特别使用于控制调度微型灌溉的设备。汽车灌溉系统的本土研制可以通过商业上可用的部件来实现。1.1原则 电压表的设计是把它改造成，使它可以通过生成比例电气信号值来测出土壤水分张力。在一个预定值时的土壤水分张力下，控制电路产生的信号控制一个双向交流电动机控制阀门开始或终止的灌溉。这种交流电机的最高转速被减速器降低到2 r/min。灌溉的磁力控制调节被安放在阀门的阀体。为防止超调的马达驱动引起的损坏的离合器也被包含在设计中。电机和控制电路工作在12v直流电压下。该阀的进口连接到顶上的容器。在顶上的水的水平可以一直被电子传感器感应到。设计也提供了自动计量灌溉用水的数量和比例的措施。滴流灌溉的自动测试单元被安装放置在Karnal面积0.25公顷的CSSRI地区。2.材料和方法 其主要部件的汽车灌溉系统(图1),是一种土壤水分传感器(经过改装电压表),控制电路,闸阀、汽车抽油机、定时器和电源供应器。下文简要介绍了组件。2.1经改装的电压表 在灌溉中引入自动化，一个土壤水分张力传感器能产生一个可以表示土壤水分张力（SWT）的适当的电子信号是必要的。改造电压表的性能已经被报道说优于压力表（Trotter，1984）。在现有的设备中，改装电压表已经被设计出（图 2），用于自动操作阀门的马达并发展为用于灌溉的调节机体。一个腈纶管取代了汞杯。大量的等距铜电极已经被安装在并腈纶管上。在饱和条件下(当土壤水分张力是零)所有的电极接触到汞在腈纶管，所以-12V（地）通过汞供给最低电极并传到所有的电极。当土壤水分张力上升时，腈纶管中的汞平面开始下降，地面也脱离了随后的电极。这个断开的信号在控制电路中被处理后用来操作阀门。电极趋于触到终端带上的接口。为了启动灌溉，某一特定的土壤水分张力值对应相应的插座。 图 1 自动灌溉原理图2.2 控制电路改装电压表上产生的控制灌溉启动和终止的信号在控制电路中处理，并用于控制阀门的开启和关闭。控制电路由两种智能卡芯片构成（图 3）。土壤水分张力传感器的输出被传送到智能卡IC-4的4脚上。这IC-4智能卡是具有高输入阻抗的555智能卡。土壤的细微移动通过10千欧姆的阻抗传到IC-4的4脚上。另外，如果灌溉的启动是通过一个定时器控制，那么正电压就通过定时器的IC-5387芯片的引脚25传送到IC-4的引脚4上。IC-4的引脚2与2平方米的地面接触。当正电压供给IC-4的引脚4上时，就在引脚8上供给12V电压。由1M欧姆电阻和5F电容组成的延时电路连接到IC-4智能卡芯片的引脚6、7、8上。引脚3上的正电压输出驱动“0”复位。12V电压通过继电器的触电供给电机的端口。这个电机开始以逆时针方向转动，而耦合到电机的阀门就打开了。当触点由M2变到M1时，磁铁被替换。因此，M2变为开启而M1关闭。智能卡芯片IC-4的引脚2也脱离地面，复位继电器释放，触点01和触点02是断开的，因此供给电机的电源是不接通的。当提供了足够的灌溉后，一个由改装电压表产生的负信号通过M1的闭合触点传送到智能卡芯片IC-3的引脚2。. 加载在引脚4上的正电压(通过改装电压表的开关或定时器),12v电压在IC-3的引脚3上变得有效。电压通过触点01和地面操作继电器L。现在的12v通过操作继电器L的触点L1连接到电动机的终端，电动机的其他触点通过操作继电器L的触点L2连接到地面。当加载在电动机上的电压极性颠倒后，电动机以顺时间方向转动，同时关闭于它耦合的阀门从而终止灌溉。触点M1前的磁铁被替换，触点M1断开。一个由10千欧姆电阻和0.1F电容构成的延时电路提供了几秒的延时后，连接到智能卡芯片IC-3的引脚2的-12V电压被断开。接到智能卡IC-2的引脚3的12V电压被移除，继电器L释放，触点L1、L2断开。接到电动机终端的12V电压也被断开。因此，电机在阀门关闭后停止转动。2.3闸阀 阀门系统是由一个通过离合器机制连接到直流电机轴的直径2CM的PVC阀门（图 4）。进口连接到顶上的容器，而出口连接到主要或者次主要的滴灌系统。这种类型的闸阀是商业上可用在不同的标准，适应场上要求尺寸的灌溉系统。阀门的驱动轴连接到一个直流电机。 图2 改装电压表 图3 控制电路一个减速器被用于将电动机的转速降低到2r/min。离合器机制(图5)已经被设计的和纳入装置,以避免从超调现象的闸阀运动部件在任一个方向上引起的损坏。为了阀门机制的顺利运行，闸阀泵轴,轴电机和离合器齿轮的中心应适当对齐的。一个小环磁铁已经被嵌入在轴上的闸阀，两个触点M1和M2都安装外体PVC阀门上。M1被定位在完全开放条件下的磁铁前面，然而M2直接面向完全关闭条件下的磁铁（图 3）。2.4汽车抽水机为了顶上容器的水维持一个predecided水平，一个汽车的抽油机已经设计,开发和安装(图6)。汽车的主要部分是水平抽油机传感器、控制线路和一个三相在线的Starter。当顶上容器中的水位低于传感器L时，一个由控制电路产生的电子信号被传送到Starter，使三相电机抽油机得到供电,它开始抽取顶上容器的水。顶上容器中的水位触到传感器T时，一个由控制电路产生的信号用于切断电机抽油机。此,在头顶的水箱水位自动保持在恒定水位。 图4 磁控PVC阀门 图5 离合器总成(自动灌溉阀门) 电机轴 离合器轴 离合器齿轮 弹簧 弹簧收紧螺丝 图6 自动抽水机2.5微型灌溉表 通过计数顶上容器中水耗尽的次数，用于滴灌系统的灌溉用水可以被测量出。（图 7）。当顶上的容器中水位下降到标志“L”时，智能卡芯片IC-7感应到这个条件，并产生一个由智能卡IC-4的计算出的脉冲连接到智能卡芯片IC-5。.智能卡IC-7所产生的脉冲数与顶上容器内水位到达标志“L”的次数成正比。5个发光二极管被均匀的安装在顶上容器的标志“L”和标志“T”之间。当头顶上的容器的水位到达标志“T”时，所有的二极管发光。当头顶上容器的水位开始下降时，发光二极管一次熄灭。在两个发光二极管一次熄灭的期间，我们得出灌溉用水的应用率。2.6定时器 时器单元由一个晶振、分频器（IC-1）和频率计数器组成(图 3)。另外，定时器可以用于灌溉控制。这个定时器被预先设置用于控制灌溉的启动和终止。当到达预设时间时，通过供给智能卡芯片IC-2的引脚25一个正电压，一个信号由定时器发送到控制电路来操作阀门的开启或关闭。 图7 微型灌溉表2.7供电用于操作直流电动机和电子元器件供电可以从12V蓄电池和12V太阳能板获得。由于自动灌溉系统的一个灌溉周期中直流供电的有限时间为1到5分钟，电池的使用寿命很长而且只需要很少的维护。保护设备,如保险丝和二极管已纳入的电路,以避免由于短路或任何其他的缺陷造成太阳能板和电子元件的损坏。3.自动灌溉系统的工作这个滴流灌溉系统可以在以下三种模式下操作：1. 电压表控制方式2. 定时器控制方式3. 电压表定时控制方式3.1电压表控制方式在电压表控制方式中，灌溉的启动或者终止所对应的土壤水分张力必须通过相应的接口接到改装电压表的终端上。正如前文所解释的那样，控制电路经过处理产生于改装电压表的信号，用来操作灌溉阀门的开启或关闭。3.2定时器控制方式在定时器控制方式中，当预先设定的灌溉启动时间到达以后，定时器的T1引脚连接到智能卡芯片IC-4的引脚6上，施加了一个正电压。由于触点M1的闭合，智能卡IC-4的引脚2是接地的，即电势与地面同为0V。而引脚3的电压变高。复位继电器工作。在电压表处于这样的情况下，控制电路打开了阀门。当并且当达到预设时间在定时器T2时，这个定时器给智能卡IC-3的引脚4施加一个正电压。在处于闸门开放的条件下，由于位于环磁铁前方的触点M2是闭合的，智能卡IC-4的引脚2是负电位的。此时，加在引脚3上的电压变高，正如上面所描述的电压表控制方式的设置，阀门被控制电路关闭。3.3电压表-定时器控制方式：在电压表-定时器控制方式中，灌溉是按一定的比率供给植物的，电压表不能瞬时响应土壤温湿度的变化（Klute、Gorden-1952）。灌溉的发起需要一个预先设定的土壤水分张力值。在灌溉开始的瞬间，复位电路将计时器重置（图 3）。通过操作触点2,12V电压被施加到触点P上。触点P通过二极管连接到智能卡IC-1的引脚31、33、34，这个二极管可以显示重置到00:00，同时计数器重新启动计数。正如更早前所描述的那样，灌溉的终止受到定时器的影响。4.对改造后的电压表进行校准改造后的电压表是相对标准电压表进行校准的。经过初始充电后，两个电压表都被安装在相同的位置和相同的深度。电压表的安装校准如图 8。.电极通过个人的发光二极管和电位器控制连接到12V电压上。在这样的饱和条件下，水银柱触到了所有的触点。因此，所有的噶光二极管都亮了起来。此时，通过发光二极管的电流受到附加电位器的控制。随着土壤水分张力的上升，腈纶管中的水银柱平面会下降。第一个发光二极管的熄灭，表明腈纶管中的水银柱的平面已经下降到了第一个触点之下。在这一时刻，在标准电压表上会得到一个读数。随后，用于改装电压表校准的读数，将会从其他每个发光二极管的熄灭时所对应的标准电压表读数得出。4.1自动灌溉系统的测试 在Karnal，位于CSSRI的面积0.25公顷的实验农场上，自动灌溉系统已经在滴灌系统中进行测试（图 9）。这个滴灌系统包括了一个主管道，两个次主管道和15个侧边。三个标准压力补偿型的滴管为植物提供灌溉。 为了测试控制电路和阀门的设置，不同土壤的水分张力值被选出用于灌溉的启动。对于如何终止灌溉，控制电路中的定时器被预先编程设定分出不同持续时间的灌溉时间。4.2测试结果 在田间条件下，控制电路和阀门已经进行了测试。多种土壤水分张力被选择用来启动自动灌溉。通过同样和改装电压表一样被安装在同一位置和同一深度标准装电压表，我们可以获得即时灌溉启动的观察值。预先程序设定在计时器上的自动灌溉持续时间值被记录了下来。表格 1：自动灌溉系统的测试结果SWTos,预设的土壤张力观察值，单位：毫巴；SWTsi，自动灌溉的启动设定值，单位：毫巴；SWToi，自动灌溉瞬间启动的土壤水分张力观测值，单位：毫巴；Ts，自动灌溉持续时间的设定值，单位：小时；To，自动灌溉持续时间的观测值，单位：小时。表格 1的数据表明：土壤水分张力的预设值与观测值是紧密匹配的，这意味着控制电路和定时器具有良好的静动态性能。通过自动控制阀门的气量降低值也与手动控制想匹配。因此，在完全关闭和完全开启的状态下，阀门的性能是令人满意的。5.总结和结论 自动灌溉系统可以持续的监控着植物根部的土壤水分压力，并根据预先设定的土壤水分张力值和灌溉持续时间来控制着灌溉的进行。闸阀被电机控制着，工作在任意一端。用于闸阀结构的磁触头和PVC闸门材料，可以有效的防治腐蚀和气孔。通过一个12V电压的蓄电池和太阳能板，系统所采用的低功率供电系统是很容易取得的。自动抽水机保证了应用于滴灌系统的存蓄在顶上容器的灌溉用水存储量。这个本土研制的自动灌溉系统降低了自动灌溉的成本和保证了更好的回报。印度农民可以通过这个自动灌溉系统极大的节省劳动力和其他的农场投入。来源：作者心怀感激的接受来自于Karnal的C.S.S.R.I的编导的支持和指导。同时，作者也感谢来自设计和制造了闸阀的技术人员Sh.Munish Kumar的帮助。参考文献：Austin R.S.，Rawlins S.L，1997.水银压力计光电水平探测器. 英国农业（新闻出版社）58:29-30；Fishchbach,P.E，Thompson,L.T，Stetson,L.E.，1970. 可再利用的自动化表面灌溉系统的电气控制. 译自美国工程师协会，13:286-288；Haise.H.R，Kruse.E.G，1969. 自动化表面灌溉系统. 译自美国土木工程师协会. 管道灌溉类，95:503-516；Hollis.S，Dylla.A.S.，1980. 灌溉自动化与张力感应系统. 译自美国工程师协会.23:649-656Klutr.A，Gorden.W.R，1952. 电压表响应时间. 土壤科学. 93:204-207；Phene.C.J，Hoffman,O.J，Austin.R.S，应用潜在传感器的自动化控制灌溉. 译自美国工程师协会. 16:773-776；Trotter.C.M，1984. 读取电压表和真空压力传感器时的错误. 土壤科学 . 138(4):314-316ELSEVIER Agricultural Water Management 33 ( 1997) 169- 18 1 Design and development of an auto irrigation systemS.K. Luthra * , M.J. Kaledhonkar, O.P. Singh, N.K. TyagiCentral Soil Salinity Reseurch Institute. Karnal, IndiaAccepted 20 September 1996AbstractIn scientific irrigation scheduling water should be applied to a crop at an appropriate soil water tension to fulfil its evapotranspiration requirement. Automatic control of water application at predecided soil water tensions is an effective irrigation scheduling technique. This can be achieved through an indigenously developed auto irrigation system. In this system soil water tension is sensed through a modified manometer type tensiometer. The design provides control of irrigation at the predecided soil water tensions and preprogrammed timer. The circuitry can be operated with a 12 V d.c. storage battery for a long period. 0 1997Elsevier Science B.V.Keywords: Modified tensiometer; Gate valve; Micro irrigation water meter; Auto pumping unit; Auto irrigation system1. IntroductionIn developing countries, most of the available water is used for agriculture. With the increase in agricultural activity and competitive demand from different sectors, it has become essential to economise on the use of water. This calls for optimal utilisation of available resources by adopting innovative methods of irrigation with scientific methodsof scheduling. Soil moisture measurements, evapotranspiration estimates, leaf water potential and canopy temperature are various parameters employed for irrigation scheduling. For effecting automation in irrigation based on the discrete values of these parameters, a datalogger and control panel are required. In the case of the infrared thermometerCorresponding author.0378-3774/97/$17.00 0 1997 Elsevier Science B.V. All rights reserved.PII SO378-3774(96)01292-91702. Materials and methodsThe main components of the auto irrigation system (Fig. 1) are a soil moisture sensor (modified tensiometer), control circuitry , gate valve, auto pumping unit, timer and power supply. The components are described briefly below.2.1. Modified tensiometerFor introducing automation in irrigation, it is necessary that a soil moisture sensor should generate an appropriate electrical signal for sensed values of soil water tension (SWT). The performance of the manometer type tensiometer has been reported to be better than that of the pressure gauge type tensiometer (Trotter, 1984). In the presentsetup, the design of the manometer type tensiometer has been modified (Fig. 2) forautomatic operation of the valve developed for regulation of irrigation. An acrylic tube replaces the mercury cup. A number of equidistant copper electrodes have been installed on the body of the acrylic tube. In saturated condition (when soil water tension is zero)all electrodes are in contact with the mercury in the acrylic tube, so - 12 V (ground) applied to the lowermost electrode extends to all the electrodes through the mercury. With the rise in value of soil water tension, the level of the mercury in the acrylic tube starts to fall and ground is progressively disconnected from subsequent electrodes. This disconnection signal is processed in the control circuitry for operation of the valve. Electrodes are extended to sockets on a terminal strip. For initiation of irrigation, aparticular value of soil water tension is selected by plugging the corresponding socket. Fig. 1. Schematic diagram of the auto irrigation system2.2. Control circuitryThe signal generated from the modified tensiometer for initiation and termination of irrigation is processed in the control circuitry for opening and closing of the valve. The control circuitry consists of two I.C. chips (Fig. 3). The output of the soil moisture sensor is fed to pin-4 of IC-4. The IC-4 is 555 I.C. having high input impedance. The removal of the earth at pin-4 extends the supply to pin-4 through a resistance of 10 kR.Alternatively, if initiation of irrigation is to be controlled through a timer, then positive voltage is applied to pin-4 of IC4 through pin-25 of IC-5387 of the timer. The pin-2 of IC-4 is connected to the ground through magnetic contact M2. On the application of positive supply at pin-4, 12 V is applied on pin-8. The delay circuit, consisting of 1 MR resistance and 5 p_F condenser is connected at pin-6, pin-7 and pin-8 of IC-4. The positive output at pin-3 drives the 0 relay. The 12 V is extended to the port of the motor through operated contact 02 of relay 0. The motor starts to move in an anticlockwise direction. The valve which is coupled to the motor is thus opened. The magnet is displaced from the front of magnetic contact M2 to the front of magnet contact Ml. Thus, M2 becomes open and Ml is closed. The ground on pin-2 of IC-4 gets disconnected. 0 relay releases, contacts 01 and 02 become open. Thus, supply is disconnected to the motor. When sufficient amount of irrigation has been applied, a negative signal generated from the modified tensiometer is applied to the pin-2 of IC-3, through closed magnetic contact Ml Fig. 2. Modified manometer type tensiometer. On application of positive voltage at pin-4 (through tensiometer switch or timer), 12 V becomes available at pin-3 of IC-3. This voltage operates L relay through contact 01 and ground. Now 12 V is connected to theopposite terminal of the motor through operated contact Ll of L relay. The ground is connected to the other motor terminal through operated contact L2 of L relay. As the voltage on the motor terminal is reversed, the motor moves in a clockwise direction, closing the valve coupled to it and terminating the irrigation. The magnet in front of contact Ml is displaced and contact Ml opens, - 12 V is disconnected from pin-2 ofIC-3 after a delay of a few seconds provided by resistance of 10 kfl and a condenser of 0.1 .LF. The 12 V at pin-3 of IC-2 is removed, L relay releases, Ll and L2 become open, 12 V supply to the motor terminal is disconnected. Thus, the motor stops after closing the valve.2.3. Gate valveThe valve system consists of a 2” diameter PVC gate coupled to the shaft of the d.c. motor through the clutch mechanism (Fig. 4). The inlet port is connected to an overhead tank through a PVC pipe and the outlet port is connected to the main or submain drip irrigation system. This type of gate valve is commercially available in different standard dimensions to suit the on-field requirements of the irrigation system. The drive shaft ofthe valve is connected to a d.c. motor. A reduction gear mechanism is used to reduce the speed of the motor to 2 rev min. A clutch mechanism (Fig. 5) has been designed and incorporated in the device to avoid damage to the gate valve from the overshoot of moving parts in either direction. For smooth functioning of the valve mechanism, the shaft of the gate valve, the shaft of the motor and the centre of the clutch gear should be properly aligned. A small ring magnet has been embedded on the shaft of the gate valve and two reed contacts, Ml and M2, have been installed on the outer body of the PVC valve. Ml is positioned in front of the magnet in the completely open condition of the valve, while contact M2 faces the magnet in the completely closed condition (Fig. 3).2.4. Auto pumping unitTo maintain a predecided level of water in the overhead tank, an auto pumping unit has been designed, developed and installed (Fig. 6). The main components of the auto pumping unit are level sensors, control circuitry and a three phase on-line starter. When the water level in the overhead tank falls below the lower sensor L, an electrical signalis generated by the control circuitry to energise the starter to connect three phase supply to the motor pumping unit, which starts to pump water to the overhead tank. As the level of water touches the upper sensor T, a signal is generated by the control circuitry to switch off the motor pumping unit. Thus, the water level in the overhead tank is maintained at a constant level automatically.2.5. Micro irrigation water meterIrrigation water supplied to the drip irrigation system can be measured by counting the number of times the overhead tank is emptied (Fig. 7). When the level of water in the overhead tank falls below mark L, the IC-7 senses this condition and generates a pulse in c