專利名稱：基于pwm的文丘里變量施肥裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉施肥領(lǐng)域，特別涉及一種基于PWM的文丘里變量施肥裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，微灌系統(tǒng)在發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)等方面的重要性日益突出。微灌與施肥系統(tǒng)一體化是作物高產(chǎn)、高效和優(yōu)質(zhì)的重要技術(shù)手段。目前，國(guó)內(nèi)外常用的微灌系統(tǒng)施肥方式有電動(dòng)注肥泵、水力驅(qū)動(dòng)比例式施肥泵、壓差式施肥罐和文丘里施肥器等。電動(dòng)注肥泵具有輸入肥液濃度均勻的優(yōu)點(diǎn)，但其需要泵和驅(qū)動(dòng)裝置，故其投資成本高且還增加了設(shè)備投資及管理工作量等，性價(jià)比不高。水力驅(qū)動(dòng)比例式施肥泵利用進(jìn)入泵的水體形成壓差水頭驅(qū)動(dòng)活塞或隔膜將肥液注入灌溉管道。運(yùn)行過(guò)程中，其施肥比例僅與管道壓力流量相關(guān)，故其是比較先進(jìn)的施肥設(shè)備。其雖具有施肥精度高、工作穩(wěn)定、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，但其成本很高，性價(jià)比不高，故難以在農(nóng)業(yè)上推廣應(yīng)用。壓差式施肥罐雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但存在施肥濃度前大后小的缺點(diǎn)。在施肥過(guò)程開始時(shí)，其注入灌溉水中的施肥濃度最高，隨著灌溉過(guò)程的進(jìn)行，一部分灌溉用水容易進(jìn)入到該液肥貯罐中而使罐內(nèi)肥料深度逐漸降低，這樣會(huì)嚴(yán)重影響施肥的效果。文丘里施肥器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便而且不需要附加動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)在于，其吸肥量一定程度上是相對(duì)固定的，故難以應(yīng)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)中；且其又深受主管水流量大小的影響，不便定量控制。綜上所述，目前微灌施肥領(lǐng)域的不足之處在于性價(jià)比不高難以推廣應(yīng)用或者不便自動(dòng)定量調(diào)節(jié)施肥濃度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于PWM的文丘里變量施肥裝置及控制方法。該施肥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉；同時(shí)，該裝置及該方法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)施肥濃度，提高施肥效果。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于PWM的文丘里變量施肥裝置，包括主水管與設(shè)在其上的文丘里施肥器，還包括能檢測(cè)文丘里施肥器進(jìn)口水壓的壓力變送器、電磁閥與控制器，所述壓力變送器與電磁閥均設(shè)在主水管上；所述控制器包括信號(hào)調(diào)理電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)及為其供電的電源電路；所述信號(hào)調(diào)理電路的信號(hào)輸入端連接壓力變送器，信號(hào)輸出端與單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接；所述單片機(jī)的信號(hào)輸出端與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端連接，所述電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端與電磁閥連接。 優(yōu)選地，所述電磁閥包括第一電磁閥和第二電磁閥，所述第一電磁閥設(shè)于相應(yīng)文丘里施肥器的主水管上，第二電磁閥設(shè)在主水管的出口端。優(yōu)選地，所述第一電磁閥和第二電磁閥均與電源電路連接。優(yōu)選地，所述壓力變送器與電源電路連接。優(yōu)選地，所述控制器包括無(wú)線通信模塊，所述無(wú)線通信模塊分別與單片機(jī)和電源電路連接。優(yōu)選地，所述控制器上包括人機(jī)交互單元，人機(jī)交互單元分別與單片機(jī)和電源電路連接；其包括按鍵和與之連接的顯示器。一種如上所述基于PWM的文丘里變量施肥裝置的控制方法，電磁閥包括第一電磁閥和第二電磁閥，所述第一電磁閥設(shè)于相應(yīng)文丘里施肥器的主水管上，第二電磁閥設(shè)在主水管的出口端；其包括以下步驟
1)所述控制器獲取所需的施肥狀態(tài)，控制器通過(guò)單片機(jī)分析該施肥狀態(tài)信號(hào)，且該單片機(jī)將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的施肥數(shù)據(jù)；
2)單片機(jī)根據(jù)所獲得施肥數(shù)據(jù)對(duì)所述第一電磁閥進(jìn)行開關(guān)控制，確定第一電磁閥的打開或閉合；
3)第一電磁閥閉合，文丘里施肥器兩端產(chǎn)生水壓差；同時(shí)，壓力變送器檢測(cè)文丘里施肥器入口處主水管的水壓并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路實(shí)時(shí)反饋到單片機(jī)中，單片機(jī)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化并進(jìn)行運(yùn)算處理；
4)在該水壓差的作用下，文丘里施肥器吸收肥料；同時(shí)，單片機(jī)獲得吸肥量信號(hào)；
5)控制器通過(guò)單片機(jī)將文丘里施肥器入口處主水管的流量與吸肥量信號(hào)進(jìn)行處理從而獲得實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)，再將該實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)與其所分析的施肥數(shù)據(jù)相匹配；
6)上述實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)與其所分析的施肥數(shù)據(jù)不匹配時(shí)，所述控制器通過(guò)PWM技術(shù)對(duì)所述第二電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制從而控制水壓差與吸肥量，直至獲得相匹配的施肥數(shù)據(jù)；
7)最后，符合設(shè)定施肥狀態(tài)的施肥液從主水管噴出。優(yōu)選地，所述控制器通過(guò)無(wú)線通信模塊與外部設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信獲取所需的施肥狀態(tài)。優(yōu)選地，所述控制器通過(guò)人機(jī)交互單元設(shè)定所需的施肥狀態(tài)。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果本發(fā)明基于PWM的文丘里變量施肥裝置及控制方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉；且該裝置主要運(yùn)用電池供電給各部件，方便靈活；進(jìn)一步地，該裝置及控制方法能通過(guò)無(wú)線方式辨識(shí)外界所需施肥狀態(tài)，且該裝置及控制方法能自動(dòng)定量調(diào)節(jié)施肥濃度，而不受進(jìn)水口水流的影響，故值得推廣。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明裝置的控制器原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如圖1所述，一種基于PWM的文丘里變量施肥裝置，包括主水管1與設(shè)在其上的文丘里施肥器2、能檢測(cè)文丘里施肥器進(jìn)口水壓的壓力變送器3、電磁閥5、6、控制器4與液肥罐7。壓力變送器3與電磁閥5、6均設(shè)在主水管1上。電磁閥包括第一電磁閥5和第二電磁閥6，第一電磁閥5設(shè)于相應(yīng)文丘里施肥器2的主水管1上，第二電磁閥6設(shè)在主水管1 的出口端。液肥罐7與文丘里施肥器2的吸肥管相連，用于給該施肥器提供肥料。但在本發(fā)明中，液肥罐7為公知常識(shí)，且對(duì)本改進(jìn)無(wú)甚影響，故未對(duì)其有詳細(xì)描述?？刂破?分別通過(guò)導(dǎo)線連接壓力變送器3、第一電磁閥5與第二電磁閥6。如圖2所示，進(jìn)一步地揭示了該控制器4與各元件的連接關(guān)系。該控制器4該包括信號(hào)調(diào)理電路41、單片機(jī)42及為其供電的電源電路44、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路43、無(wú)線通信模塊45與人機(jī)交互單元46。信號(hào)調(diào)理電路41的信號(hào)輸入端連接壓力變送器3，其信號(hào)輸出端與單片機(jī)42的信號(hào)輸入端連接；單片機(jī)42的信號(hào)輸出端還與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路43的信號(hào)輸入端連接，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路43的信號(hào)輸出端與電磁閥5、6連接。其中，單片機(jī)42是控制器4的核心。該單片機(jī)是TI公司的一款低功耗高有的單片機(jī)，其內(nèi)部集成有ADC轉(zhuǎn)換器，可直接將壓力變送器3輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算處理。另外，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路43是由MOS管組成的H橋電路，用于驅(qū)動(dòng)電磁閥5、6的開關(guān)動(dòng)作，而H橋電路是通過(guò)單片機(jī)42的I/O 口進(jìn)行控制，此也為公知常識(shí)，在此不作詳細(xì)描述。進(jìn)一步地，無(wú)線通信模塊45與單片機(jī)42連接，其可用于與外部設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信，無(wú)線接收施肥參數(shù)。人機(jī)交互單元46與單片機(jī)42連接；該人機(jī)交互單元46包括按鍵和與之連接的顯示器。在本實(shí)例中，該顯示器為L(zhǎng)CD顯示屏。該顯示器有兩個(gè)作用，其一可以讀取施肥時(shí)的施肥濃度；另外，該顯示器與按鍵配合使用，即可向單片機(jī)42輸入所需的施肥濃度，方便操作。再者，電源電路用于為控制器4各電路單元提供合適的工作電壓。其采用12V電池作為供電電源，該12V電池44直接為壓力變送器3和電磁閥5、6及其驅(qū)動(dòng)電路供電；同時(shí)，該12V電壓經(jīng)3V穩(wěn)壓電路47穩(wěn)壓成3V，再為單片機(jī)42、人機(jī)交互單元46及無(wú)線通信模塊45供電。這樣，既方便靈活，又節(jié)省能源，一舉兩得。本裝置的控制方法，所述電磁閥包括第一電磁閥5和第二電磁閥6，所述第一電磁閥5設(shè)于相應(yīng)文丘里施肥器2的主水管1上，第二電磁閥6設(shè)在主水管1的出口端；其包括以下步驟
1)所述控制器4獲取所需的施肥狀態(tài)，控制器4通過(guò)單片機(jī)42分析該施肥狀態(tài)信號(hào)， 且該單片機(jī)42將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的施肥數(shù)據(jù)；
2)所述單片機(jī)42根據(jù)所獲得施肥數(shù)據(jù)對(duì)所述第一電磁閥5進(jìn)行開關(guān)控制，確定第一電磁閥5的打開或閉合；
3)所述第一電磁閥5打開，文丘里施肥器2兩端產(chǎn)生水壓差；同時(shí)，所述壓力變送器3 檢測(cè)文丘里施肥器2入口處的水壓并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路41實(shí)時(shí)反饋到單片機(jī)42中，單片機(jī)42對(duì)此信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化并進(jìn)行運(yùn)算處理；
4)在該水壓差的作用下，所述文丘里施肥器2吸收肥料；同時(shí)，單片機(jī)42獲得吸肥量信號(hào)；
5)所述控制器4通過(guò)單片機(jī)42將文丘里施肥器2入口處的主水管水流量與吸肥量信號(hào)進(jìn)行處理從而獲得實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)，再將該實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)與其所分析的施肥數(shù)據(jù)相匹配；
6)上述實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)與其所分析的施肥數(shù)據(jù)不匹配時(shí)，所述控制器4通過(guò)PWM技術(shù)對(duì)所述第二電磁閥6進(jìn)行調(diào)節(jié)控制從而控制水壓差與吸肥量；直至獲得相匹配的施肥數(shù)據(jù)；
7)最后，符合設(shè)定的施肥狀態(tài)的施肥液從主水管1噴出。具體地，所述步驟1)中的控制器4通過(guò)無(wú)線通信模塊45與外部設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信獲取所需的施肥狀態(tài)。另一種操作方式，所述步驟1)中的控制器4通過(guò)人機(jī)交互單元46設(shè)定所需的施肥狀態(tài)。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種基于PWM的文丘里變量施肥裝置，包括主水管(1)與設(shè)在其上的文丘里施肥器 (2)，其特征在于還包括能檢測(cè)文丘里施肥器進(jìn)口水壓的壓力變送器(3)、電磁閥與控制器(4)，所述壓力變送器(3)與電磁閥均設(shè)在主水管(1)上；所述控制器(4)包括信號(hào)調(diào)理電路(41)、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路(43)、單片機(jī)(42)及為其供電的電源電路(47);所述信號(hào)調(diào)理電路(41)的信號(hào)輸入端連接壓力變送器(3)，其信號(hào)輸出端與單片機(jī)(42)的信號(hào)輸入端連接；所述單片機(jī)(42)的信號(hào)輸出端與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路(43)的信號(hào)輸入端連接，所述電磁閥驅(qū)動(dòng)電路(43)的信號(hào)輸出端與電磁閥連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置，其特征在于所述電磁閥包括第一電磁閥(5 )和第二電磁閥(6 )，所述第一電磁閥(5 )設(shè)于相應(yīng)文丘里施肥器(2 )的主水管(1)上，第二電磁閥(5 )設(shè)在主水管(1)的出口端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置，其特征在于所述第一電磁閥(5)和第二電磁閥(6)均與電源電路(44)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置，其特征在于所述壓力變送器(3)與電源電路(44)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置，其特征在于所述控制器(4)還包括無(wú)線通信模塊(45)，所述無(wú)線通信模塊(45)分別與單片機(jī)(42)和電源電路(47)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置，其特征在于所述控制器(4 )上還包括人機(jī)交互單元(46 )，人機(jī)交互單元(46 )分別與單片機(jī)(42 )和電源電路(47)連接；該人機(jī)交互單元包括按鍵和與之連接的顯示器。
7.—種如權(quán)1所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置的控制方法，其特征在于所述電磁閥包括第一電磁閥(5)和第二電磁閥(6)，所述第一電磁閥(5)設(shè)于相應(yīng)文丘里施肥器 (2)的主水管(1)上，第二電磁閥(6)設(shè)在主水管(1)的出口端；其包括以下步驟·1)所述控制器(4)獲取所需的施肥狀態(tài)，控制器(4 )通過(guò)單片機(jī)(42 )分析該施肥狀態(tài)信號(hào)，且該單片機(jī)(42)將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的施肥數(shù)據(jù)； ·2)所述電磁閥包括單片機(jī)(42)根據(jù)所獲得施肥數(shù)據(jù)對(duì)所述第一電磁閥(5)進(jìn)行開關(guān)控制，確定第一電磁閥(5)的打開或閉合；·3)所述第一電磁閥(5)閉合，文丘里施肥器(2)兩端產(chǎn)生水壓差；同時(shí)，所述壓力變送器(3)檢測(cè)文丘里施肥器(2)入口處的水壓并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路(41)實(shí)時(shí)反饋到單片機(jī) (42)中，單片機(jī)(42)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化并進(jìn)行運(yùn)算處理；·4 )在該水壓差的作用下，所述文丘里施肥器(2 )吸收肥料；同時(shí)，單片機(jī)(42 )獲得吸肥量信號(hào)；·5)所述控制器(4)通過(guò)單片機(jī)(42)將文丘里施肥器(2)入口處的主水管水流量與吸肥量信號(hào)進(jìn)行處理從而獲得實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)，再將該實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)與其所分析的施肥數(shù)據(jù)相匹配；·6)上述實(shí)時(shí)施肥濃度數(shù)據(jù)與其所分析的施肥數(shù)據(jù)不匹配時(shí)，所述控制器(4)通過(guò)PWM 技術(shù)對(duì)所述第二電磁閥(6)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制從而控制水壓差與吸肥量，直至獲得相匹配的施肥數(shù)據(jù)；·7)最后，符合設(shè)定的施肥狀態(tài)的施肥液從主水管(1)噴出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置的控制方法，其特征在于 所述步驟1)中的控制器(4)通過(guò)無(wú)線通信模塊(45)與外部設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信獲取所需的施肥狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于PWM的文丘里變量施肥裝置的控制方法，其特征在于 所述步驟1)中的控制器(4)通過(guò)人機(jī)交互單元(46)設(shè)定所需的施肥狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于PWM的文丘里變量施肥裝置及控制方法，該裝置包括主水管與設(shè)在其上的文丘里施肥器，還包括能檢測(cè)文丘里施肥器進(jìn)口水壓的壓力變送器、電磁閥與控制器，所述壓力變送器與電磁閥均設(shè)在主水管上；所述控制器包括信號(hào)調(diào)理電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)及為其供電的電源電路；所述信號(hào)調(diào)理電路的信號(hào)輸入端連接壓力變送器，信號(hào)輸出端與單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接；所述單片機(jī)的信號(hào)輸出端與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端連接，所述電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端連接電磁。采用上述裝置，該控制器即能通過(guò)PWM技術(shù)對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉；且該裝置主要運(yùn)用電池供電給各部件，方便靈活；進(jìn)一步地，該裝置及控制方法能通過(guò)無(wú)線方式辨識(shí)外界所需施肥狀態(tài)，且該裝置及控制方法能自動(dòng)定量調(diào)節(jié)施肥濃度，而不受進(jìn)水口水流的影響，故值得推廣。
文檔編號(hào)G05B19/042GK102282955SQ201110140059
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者馮瑞玨, 岳學(xué)軍, 李加念, 洪添勝, 溫威, 陳姍 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)