智能灌溉系统的研究与设计综述

  本系统系统通过选择正真适合的传感器将对土壤中含水量和空气湿度等重要物理量进行采集，通过信号及采集部分将其转化为数字信号，交给单片机系统来进行处理，通过智能控制部分，在需要时驱动相关外设，进行自动精确定位地灌溉。具体流程图如下：

  水由出水口接入，经过水泵增压后，经过导水软管，最后从管的另一端喷射出来。机械臂主要由导水软管，套筒，舵机，步进电机和与电机配合的传动装置组成。套筒下端固结有加工上锥齿的圆环，电机通过锥齿轮传动，带动套筒转动。舵机固定在套筒上，当套筒旋转时，舵机也随套筒旋转。导水软管穿过套筒与固定在套筒上端的舵机相固结，当舵机臂摆动时导水软管喷头处完成竖直方向的调整，以使喷出的水能够调整远近。而套筒转动则实现了喷水方向的调整。这样，通过水平旋转及竖直摆动，实现了喷灌的精确定位。考虑到水对电机、齿轮传动部分的腐蚀影响，电机及其与套筒的传动部分通过密封箱密封，导线引出，连接到控制电路部分及电源部分，以实现对机械系统的电力输入及控制。机械臂通过套筒下端深埋入土壤做固定。这种方案是我们经过多次调整最后确定出来的。下图为我们用机械仿真软件pro/engineer制作的图形（具体见附图）

  我们的创新体现在我们的设计过程中。在喷口的设计中，由于市场上所售的喷头多利用水压将水达到某个固定位置，因此不能够实现喷灌位置的可调性要求。因此喷管管口要重新设计。在喷头处，我们曾试验过多个方案。其中一个就是拟定用钢管作导水管，将水直接引到喷头，而喷头处设计成喷口可以转动的形式，通过增加一个电机并通过细杆与喷头处连实现竖直方向的转动，水平方向的转动还是靠另一个电动机带动套筒来实现（具体见附proe仿真图）。但是这种设计有两个问题我们没能解决。第一个问题是密封的问题，喷口转动时对其密封要求比较高，且此处水压较高，更增加密封难度。第二个问题是底部的电机如何使上部的喷头进行竖直方向的摆动。此处传动距离较长，增加材料势必增加水平转动电机的负载，且此电机好密封，极易漏水烧毁电机。于是我们直接采用了接导水软管的方法。导水软管是用一种软橡皮材料做成的，我们在做试验时，一端接从水泵流过的水，一端穿过套筒固定在舵机上，有较好的弹性，使灌溉机械臂在转动时，水管不会产生较大的阻力矩，也不可能会发生塑性变形影响正常使用。这种形式的优点是结构相对比较简单，使用起来更便捷，一根管足以解决喷头出的设计问题。缺点是电机带动套筒的转角不能持续朝一个方向转动，否则水管会打结使水流不通，且从水管浇灌到地面的水流呈柱状，对地面冲击较大。软管长期拉伸压缩会造成水管脱胶，碎裂等问题。

  在实际设计计算中，需进行软管的拉压的疲劳强度的校核，及齿轮传动的校核计算。通过查机械设计的手册可以计算出所需的材料及其他要求。

  在进行设计的过程中，我们查阅了上市的喷头的基本的工作原理，对其有了初步的了解。在进行结构设计得过程中，我们查阅了相关的机械原理、机械设计方面的书籍，增长了我们

  我们采用通DX-S2型土壤湿度传感器，通过测出被测土壤的介电常数，并根据土壤容积含水率与土壤介电常数之间的非线性关系推导出土壤的容积含水率和重量含水率。本传感器对土壤水分变化有很高的灵敏度，因此温度、盐分、土壤性质变化因素的影响相对来说还是比较小，如果要求测量结果准确度高，应酌情对这一些因素的影响进行修正。或采取其它措施减少这一些因素的干扰。

  传感器输出的电压信号为毫伏级，一定要通过运放将信号放大，对运算放大器要求很高。基于此，我们考虑了能够使用以下几种方案：

  普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D 转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。在调试中误差较大，所以，此种方案不宜采用。

  差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可通过普通运放( 如LM324) 做成一个差动放大器。

  由于对浇灌机械臂的转速要求不高，且要实现精确定位，而且步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。由此，电机采用四相六线混合式步进电机，以实现对喷灌机械臂的转动控制。

  在最初的电机驱动方案中，采用L298芯片+二极管吸收电路，用设计好的开关电源给L298以及步进电机供电。电路经keil+proteus仿真后能轻松实现对电机的控制，仿真阶段未出现任意的毛病。电路图如下：

  但此电路在实际调试中，由于从l298的2、3、13、14脚输出信号变化较快，二极管导通出现问题；

  ，依次循环。 但仍有需改进的地方：此电机在高频状态， 我们选用了成都市飞宇达实业有限公司出品的FYD12864-0402B 型的液晶显示模块。

  此模块提供硬体光标及闪烁控制电路，由地址计数器的值来指定DDRAM 中的光标或闪烁位置。该模块具有2.7～5.5V 的宽工作电压范围，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。液晶模块显示负电压，也由模块提供，从而简化了系统电源设计。模块同时还提供LED 背光显示功能。除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠/唤醒、关闭显示等操作指令。