專利名稱：果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及果園水肥滴灌控制技術，特別涉及一種果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，該裝置特別適用于野外環境下果園水肥滴灌的長期工作中使用，尤其是遠離居住區和水源地的山地、丘陵果園環境。
背景技術：
對果園澆水、施肥是果園種植的重要日常工作之一。水肥滴灌既可以實現高效率的水肥滴灌工作，又可以大大降低水肥消耗，還可以提高果園種植效率，降低勞動強度，是現代農業滴灌技術發展的重要方向。但是，在遠離居民居住區和水源地的野外果園環境下實施水肥滴灌，經常面臨著能源有效供應的問題。傳統的水肥滴灌控制器采用220V交流電供電，由于需要供電線路的支持，存在工作環境受限的問題。如果采用直流電池供電，由于電池容量是有限的，往往又·存在著工作時間受限的問題。引入太陽能光伏供電技術可以較好的解決以上問題，但目前還主要局限在溫室或者田間工作環境下使用，在野外果園環境下尤其是山地果園環境下，由于其面臨著工作環境惡劣多變，高溫高濕以及低溫干燥情況并存的情況，其工作安全和工作壽命還存在一些問題。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服上述現有技術的缺點與不足，提供一種結構簡單、合理，可自主采集太陽能具有長期工作能力的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置。為達上述目的，本實用新型采用如下的技術方案果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，包括蓄電池以及依次連接的太陽能板、控制器、電磁閥和滴灌管，所述蓄電池與控制器連接；所述控制器包括充電控制單元、主處理器單元、人機接口單元、時鐘單元和電磁閥驅動單元，充電控制單元、人機接口單元、時鐘單元、電磁閥驅動單元均分別與主處理器單元連接；所述充電控制單元與太陽能板、蓄電池連接，電磁閥驅動單元與電磁閥連接。其中充電控制單元用于控制太陽能板是否向蓄電池進行充電；主處理器單元用于對充電控制單元的檢測信號、時鐘單元的時間信號、人機接口單元輸入的信號、電磁閥驅動信號進行處理；人機接口單元用于提供按鍵輸入以及顯示功能；時鐘單元用于向主處理器單元提供當前時間信號(時鐘基準信號)；電磁閥驅動單元用于對電磁閥的開啟及關閉信號進行處理，并控制電磁閥的開啟及關閉；所述充電控制單元包括充電電路、開關控制電路、過壓過流過溫檢測電路和蓄電池電壓檢測電路，所述太陽能板、充電電路、開關控制電路依次連接，所述開關控制電路分別與蓄電池、主處理器單元連接；過壓過流過溫檢測電路、蓄電池電壓檢測電路均分別與主處理器單元連接。充電電路用于向蓄電池提供正向充電電壓和電流；開關控制電路用于實現充電的開啟或關閉；過壓過流過溫檢測電路用于監測蓄電池的充電電壓、電流以及溫度；蓄電池電壓檢測電路用于監測蓄電池供電電壓。主處理器可以監測蓄電池電壓，以及充電電壓、電流、溫度情況，并將信號發送到開關控制電路，實現過壓，過流，過溫保護功能，通過“pmi(脈寬調制)信號”，并調整信號寬度和信號頻率實現涓流、恒壓、恒流充電模式的變換。所述人機接口單元包括相互連接的按鍵輸入電路和顯示電路，按鍵輸入電路、顯示電路均分別與主處理器單元連接，且顯示電路外接液晶顯示器，按鍵輸入電路外接按鍵。按鍵輸入電路和顯示電路，可提供工作人員和自動控制裝置的人機交互，可設定和顯示果園水肥滴灌開啟時間，滴灌時長，即時開啟，即時關閉，以及隔天啟動的工作參數。所述電磁閥驅動單元包括依次連接的DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路和防雷防靜電接口電路，所述DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路分別與主處理器單元連接，防雷防靜電接口電路與電磁閥連接。其中DC/DC升壓電路可實現3V到15V的直流升壓，并可提供IA的輸出電流，升壓效率達85°/Γ95%。電磁閥全橋驅動電路由4對三極管組成全橋驅動，可提供最大I. 5Α和最高45V的驅動能力。防雷防靜電接口電路包含有壓敏電阻和瞬態抑制二極管以及自恢復保險絲，實現靜電防護，防雷以及短路保護功能。DC/DC升壓電路與電磁閥全橋驅動電路相連接，用于提供6V的直流驅動電壓。電磁閥全橋驅動電路與主處理器相連接，主處理器可發送提供脈沖式控制信號到電池閥全橋驅動電路。所述顯示電路為液晶顯示電路，外接的顯示器也為液晶顯示器。所述時鐘單元為實時時鐘芯片。所述時鐘單元通過I2C總線接口串行輸出時鐘到主處理器單元，提供時間信號(時鐘基準信號)，提供定時時間信號，年時鐘偏差小于5分鐘。所述電磁閥為雙穩態脈沖自保持電磁閥，可完成滴灌閥門的開啟和閉合，通過正向6V驅動脈沖，電磁閥可穩態自保持開啟，通過反向6V驅動脈沖，電磁閥可穩態自保持閉
入
口 ο所述蓄電池為磷酸鐵鋰電池，其工作電壓在3. 2V^3. 7V之間，最大可提供IOA的瞬時工作電流，具備工作壽命長，使用安全，不易爆，耐高溫的優點，可滿足野外惡劣多變環境的特殊要求。所述主處理器單元為單片機，優選為ATMEL MEGA16L低功耗單片機。所述太陽能板部分米用多晶娃材料，滿負荷工作電壓為6V,在電壓為4V-6V時可對蓄電池充電。整個裝置的靜態電流可控制在IOOuA以下。由上述裝置實現的果園太陽能供電式滴灌自動控制方法，包括如下步驟(I)初始化設置控制器、電磁閥，并設定預定滴灌啟動時間、預定滴灌關閉時間、滴灌檢測時間間隔、充電檢測時間間隔；(2)太陽能板實時采集太陽能，并將太陽能轉化為電能儲存，以待后續電路使用；(3)時鐘單元實時地采集當前時間信號，并將當前時間信號發送至主處理器單元；根據已設定的滴灌檢測時間間隔、充電檢測時間間隔，主處理器單元判斷當前時間信號是否已到達充電檢測時間、滴灌檢測時間，若已到達滴灌檢測時間，則進行步驟(4);若已到達充電檢測時間，則進行步驟(5);否則，控制器則進入省電模式；(4)控制器中的時鐘單元向主處理器單元發送當前時間信號，主處理器單元將接收到的當前時間信號與設定的預定滴灌啟動時間、預定滴灌關閉時間進行對比；主處理器單元根據對比結果，向電磁閥驅動單元發送相應的信號，通過電磁閥驅動單元控制電磁閥的開啟及關閉，進而控制滴灌管是否進行滴灌作業；( 5 )控制器中的主處理器單元向充電控制單元發送檢測充電信號，啟動充電控制單元中的蓄電池電壓檢測電路、過壓過流過溫檢測電路,蓄電池電壓檢測電路檢測蓄電池的電壓，同時過壓過流過溫檢測電路檢測充電電路的電壓、電流以及溫度指標是否正常，蓄電池電壓檢測電路、過壓過流過溫檢測電路分別將其檢測結果發送至主處理器單元；時鐘單元將當前時間信號發送至主處理器單元；主處理器單元根據蓄電池電壓檢測電路、過壓過流過溫檢測電路發送過來的檢測結果及當前時間信號，向開關控制電路發送相應信號；若蓄電池的電壓不足，且電壓、電流以及溫度均為正常值，同時當前時間信號為白天，則主處理器單元向開關控制電路發送充電信號，開關控制電路導通，從而太陽能板、充電電路、蓄電池相互導通，太陽能板將其所轉化過來的電能通過充電電路傳輸給蓄電池，對蓄電池進行充電，通過蓄電池為控制器供電；否則，則主處理器單元向開關控制電路發送關閉充電的信號，斷開開關控制電路，太陽能板、充電電路、蓄電池斷開連通，關閉對蓄電池的充電。 所述步驟(4)具體包括(4-1)控制器中的時鐘單元向主處理器單元發送當前時間信號，主處理器單元將接收到的當前時間信號與設定的預定滴灌啟動時間、預定滴灌關閉時間進行對比；(4-2)若所述步驟(4-1)的對比結果為當前時間等于預定滴灌啟動時間，則主處理器單元向電磁閥驅動單元發送打開滴灌信號，所述信號通過電磁閥驅動單元內的DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路、防雷靜電接口電路依次處理后，發送給電磁閥，并控制打開電磁閥，進而控制滴灌管進行滴灌作業；(4-3)若所述步驟(4-1)的對比結果為當前時間等于預定滴灌關閉時間，則主處理器單元向電磁閥驅動單元發送關閉滴灌信號，所述信號通過電磁閥驅動單元內的DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路、防雷靜電接口電路依次處理后，發送給電磁閥，并控制關閉電磁閥，進而控制滴灌管停止滴灌作業；(4-4)若所述步驟(4-1)的對比結果為當前時間既不等于預定滴灌啟動時間，也不等于預定滴灌關閉時間，則控制器進入省電模式； 所述步驟(I)中，通過人機接口單元的按鍵輸入電路、顯示電路進行初始化設置。滴灌檢測時間間隔優選為8秒、充電檢測時間間隔優選為80秒。本裝置及方法采用低功耗的休眠/喚醒機制設計，降低控制裝置的能量消耗，靜態電流小于100uA。本實用新型的工作原理本實用新型通過蓄電池供電，太陽能電板實現能源采集，控制器完成充電保護和控制，并根據已設定好的工作參數開啟或閉合安裝在滴灌管上的雙穩態脈沖自保持電磁閥，實現果園水肥滴灌的自動工作。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點和有益效果I、本實用新型通過蓄電池供電，無需外接市電，安裝簡單。2、本實用新型可實現太陽能能源的自主采集，具備過壓、過流、高低溫保護功能，以及涓流、恒壓、恒流的充電控制模式，保障蓄電池在野外惡劣多變環境下的工作工作安全和工作壽命，滿足裝置的野外長期工作要求。[0038]3、本實用新型的電磁閥驅動部分具有短路保護、防雷、防靜電功能，可適應野外惡劣多變環境的要求；且通過發送脈沖式信號控制雙穩態脈沖自保持電磁閥，可精確控制果園水肥滴灌的時間和時長。4、本實用新型整個控制裝置安裝簡單、成本低、耗電小、體積小，能自主采集太陽能，可實現果園水肥滴灌日常工作的精確控制，并滿足其在野外果園環境下長期工作的要求。
圖I是本實用新型裝置的整體結構框圖。圖2是圖I所示裝置的詳細結構框圖。圖3是本實用新型方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例如圖I所示，本果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，包括蓄電池以及依次連接的太陽能板、控制器、電磁閥和滴灌管，所述蓄電池與控制器連接；所述控制器包括充電控制單元、主處理器單元、人機接口單元、時鐘單元和電磁閥驅動單元，充電控制單元、人機接口單元、時鐘單元、電磁閥驅動單元均分別與主處理器單元連接；所述充電控制單元與太陽能板、蓄電池連接，電磁閥驅動單元與電磁閥連接。其中充電控制單元用于控制太陽能板是否向蓄電池進行充電；主處理器單元用于對充電控制單元的檢測信號、時鐘單元的時間信號、人機接口單元輸入的信號、電磁閥驅動信號進行處理；人機接口單元用于提供按鍵輸入以及顯示功能；時鐘單元用于向主處理器單元提供當前時間信號(時鐘基準信號)；電磁閥驅動單元用于對電磁閥的開啟及關閉信號進行處理，并控制電磁閥的開啟及關閉；如圖2所示，所述充電控制單元包括充電電路、開關控制電路、過壓過流過溫檢測電路和蓄電池電壓檢測電路，所述太陽能板、充電電路、開關控制電路依次連接，所述開關控制電路分別與蓄電池、主處理器單元連接；過壓過流過溫檢測電路、蓄電池電壓檢測電路均分別與主處理器單元連接。充電電路用于向蓄電池提供正向充電電壓和電流；開關控制電路用于實現充電的開啟或關閉；過壓過流過溫檢測電路用于監測蓄電池的充電電壓，電流以及溫度；蓄電池電壓檢測電路用于監測蓄電池供電電壓。主處理器可以監測蓄電池電壓，以及充電電壓、電流、溫度情況，并將信號發送到開關控制電路，實現過壓、過流、過溫保護功能，通過“pmi(脈寬調制)信號”，并調整信號寬度和信號頻率實現涓流、恒壓、恒流充電模式的變換。所述人機接口單元包括相互連接的按鍵輸入電路和顯示電路，按鍵輸入電路、顯示電路均分別與主處理器單元連接，且顯示電路外接液晶顯示器，按鍵輸入電路外接按鍵，例如鼠鍵設備。按鍵輸入電路和顯示電路，可提供工作人員和自動控制裝置的人機交互，可設定和顯示果園水肥滴灌開啟時間，滴灌時長，即時開啟，即時關閉，以及隔天啟動的工作參數。所述電磁閥驅動單元包括依次連接的DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路和防雷防靜電接口電路，所述DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路分別與主處理器單元連接，防雷防靜電接口電路與電磁閥連接。其中DC/DC升壓電路可實現3V到15V的直流升壓，并可提供IA的輸出電流，升壓效率達85°/Γ95%。電磁閥全橋驅動電路由4對三極管組成全橋驅動，可提供最大I. 5Α和最高45V的驅動能力。防雷防靜電接口電路包含有壓敏電阻和瞬態抑制二極管以及自恢復保險絲，實現靜電防護，防雷以及短路保護功能。DC/DC升壓電路與電磁閥全橋驅動電路相連接，用于提供6V的直流驅動電壓。電磁閥全橋驅動電路與主處理器相連接，主處理器可發送提供脈沖式控制信號到電池閥全橋驅動電路。所述顯示電路為液晶顯示電路，外接的顯示器也為液晶顯示器。 所述時鐘單元為實時時鐘芯片。所述時鐘單元通過I2C總線接口串行輸出時鐘到主處理器單元，提供時間信號(時鐘基準信號)，提供定時時間信號，年時鐘偏差小于5分鐘。所述電磁閥為雙穩態脈沖自保持電磁閥，可完成滴灌閥門的開啟和閉合，通過正向6V驅動脈沖，電磁閥可穩態自保持開啟，通過反向6V驅動脈沖，電磁閥可穩態自保持閉
八
口 ο所述蓄電池為磷酸鐵鋰電池，其工作電壓在3. 2V^3. 7V之間，最大可提供IOA的瞬時工作電流，具備工作壽命長，使用安全，不易爆，耐高溫的優點，可滿足野外惡劣多變環境的特殊要求。所述主處理器單元為ATMEL MEGA16L低功耗單片機。所述太陽能板部分米用多晶娃材料，滿負荷工作電壓為6V,在電壓為4V-6V時可對蓄電池充電。整個裝置的靜態電流可控制在IOOuA以下。本實施例的工作原理初始化工作；接著本裝置的控制器進入省電模式，采用休眠/喚醒機制工作。每間隔8秒，控制器被自動喚醒，并將當前時間以及預定滴灌啟動時間和預定滴灌關閉時間進行對比如果預定滴灌啟動時間已到，則開啟電磁閥；如果預定滴灌關閉時間已到，則關閉電磁閥；如果當前時間既不等于預定滴灌啟動時間，又不等于預定滴灌關閉時間，則控制裝置直接進入省電模式。每間隔80秒，控制裝置自動檢測蓄電池電壓，當蓄電池電壓不足需要充電時，裝置接著檢測充電電壓、充電電流以及溫度，如果這些指標正常并且時間為白天，裝置進入充電模式，如果這些指標不正常或者時間為黑夜，裝置充電關閉。本裝置提供按鍵保護功能，當確認保護解除后才能響應按鍵操作，用于防止按鍵的誤觸發和誤操作。本裝置還提供手動開啟電磁閥，手動關閉電磁閥的功能，可滿足即時開啟以及關閉滴灌的工作需要。如圖3所示，由上述裝置實現的果園太陽能供電式滴灌自動控制方法，包括如下步驟(I)初始化設置控制器、電磁閥，并設定預定滴灌啟動時間、預定滴灌關閉時間、滴灌檢測時間間隔、充電檢測時間間隔；(2)太陽能板實時采集太陽能，并將太陽能轉化為電能儲存，以待后續電路使用；(3)時鐘單元實時地采集當前時間信號，并將當前時間信號發送至主處理器單元；根據已設定的滴灌檢測時間間隔、充電檢測時間間隔，主處理器單元判斷當前時間信號是否已到達充電檢測時間、滴灌檢測時間，若已到達滴灌檢測時間，則進行步驟(4);若已到達充電檢測時間，則進行步驟(5);否則，控制器則進入省電模式；(4)控制器中的時鐘單元向主處理器單元發送當前時間信號，主處理器單元將接收到的當前時間信號與設定的預定滴灌啟動時間、預定滴灌關閉時間進行對比；主處理器單元根據對比結果，向電磁閥驅動單元發送相應的信號，通過電磁閥驅動單元控制電磁閥的開啟及關閉，進而控制滴灌管是否進行滴灌作業； (5)控制器中的主處理器單元向充電控制單元發送檢測充電信號，啟動充電控制單元中的蓄電池電壓檢測電路、過壓過流過溫檢測電路,蓄電池電壓檢測電路檢測蓄電池的電壓，同時過壓過流過溫檢測電路檢測充電電路的電壓、電流以及溫度指標是否正常，蓄電池電壓檢測電路、過壓過流過溫檢測電路分別將其檢測結果發送至主處理器單元；時鐘單元將當前時間信號發送至主處理器單元；主處理器單元根據蓄電池電壓檢測電路、過壓過流過溫檢測電路發送過來的檢測結果及當前時間信號，向開關控制電路發送相應信號；若蓄電池的電壓不足，且電壓、電流以及溫度均為正常值，同時當前時間信號為白天，則主處理器單元向開關控制電路發送充電信號，開關控制電路導通，從而太陽能板、充電電路、蓄電池相互導通，太陽能板將其所轉化過來的電能通過充電電路傳輸給蓄電池，對蓄電池進行充電，通過蓄電池為控制器供電；否則，則主處理器單元向開關控制電路發送關閉充電的信號，斷開開關控制電路，太陽能板、充電電路、蓄電池斷開連通，關閉對蓄電池的充電。所述步驟(4)具體包括(4-1)控制器中的時鐘單元向主處理器單元發送當前時間信號，主處理器單元將接收到的當前時間信號與設定的預定滴灌啟動時間、預定滴灌關閉時間進行對比；(4-2)若所述步驟(4-1)的對比結果為當前時間等于預定滴灌啟動時間，則主處理器單元向電磁閥驅動單元發送打開滴灌信號，所述信號通過電磁閥驅動單元內的DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路、防雷靜電接口電路依次處理后，發送給電磁閥，并控制打開電磁閥，進而控制滴灌管進行滴灌作業；(4-3)若所述步驟(4-1)的對比結果為當前時間等于預定滴灌關閉時間，則主處理器單元向電磁閥驅動單元發送關閉滴灌信號，所述信號通過電磁閥驅動單元內的DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路、防雷靜電接口電路依次處理后，發送給電磁閥，并控制關閉電磁閥，進而控制滴灌管停止滴灌作業；(4-4)若所述步驟(4-1)的對比結果為當前時間既不等于預定滴灌啟動時間，也不等于預定滴灌關閉時間，則控制器進入省電模式；所述步驟(I)中，通過人機接口單元的按鍵輸入電路、顯示電路進行初始化設置。滴灌檢測時間間隔為8秒、充電檢測時間間隔為80秒。本裝置及方法采用低功耗的休眠/喚醒機制設計，降低控制裝置的能量消耗，靜態電流小于100uA。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替 代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于包括蓄電池以及依次連接的太陽能板、控制器、電磁閥和滴灌管，所述控制器包括充電控制單元、主處理器單元、人機接口單元、時鐘單元和電磁閥驅動單元，充電控制單元、人機接口單元、時鐘單元、電磁閥驅動單元均分別與主處理器單元連接；所述充電控制單元與太陽能板、蓄電池連接，電磁閥驅動單元與電磁閥連接。
2.根據權利要求I所述的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于所述充電控制單元包括充電電路、開關控制電路、過壓過流過溫檢測電路和蓄電池電壓檢測電路，所述太陽能板、充電電路、開關控制電路依次連接，所述開關控制電路分別與蓄電池、主處理器單元連接；過壓過流過溫檢測電路、蓄電池電壓檢測電路均分別與主處理器單元連接。
3.根據權利要求2所述的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于所述人機接口單元包括相互連接的按鍵輸入電路和顯示電路，按鍵輸入電路、顯示電路均分別與主處理器單元連接，且顯示電路外接液晶顯示器，按鍵輸入電路外接按鍵。
4.根據權利要求3所述的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于所述電磁閥驅動單元包括依次連接的DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路和防雷防靜電接口電路，所述DC/DC升壓電路、電磁閥全橋驅動電路分別與主處理器單元連接，防雷防靜電接口電路與電磁閥連接。
5.根據權利要求3所述的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于所述顯示電路為液晶顯示電路。
6.根據權利要求I所述的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于所述時鐘單元為實時時鐘芯片。
7.根據權利要求I所述的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于所述電磁閥為雙穩態脈沖自保持電磁閥；所述蓄電池為磷酸鐵鋰電池。
8.根據權利要求I所述的果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，其特征在于所述主處理器單元為單片機。
專利摘要本實用新型提供了果園太陽能供電式滴灌自動控制裝置，該裝置包括蓄電池以及依次連接的太陽能板、控制器、電磁閥和滴灌管，所述蓄電池與控制器連接；所述控制器包括充電控制單元、主處理器單元、人機接口單元、時鐘單元和電磁閥驅動單元，充電控制單元、人機接口單元、時鐘單元、電磁閥驅動單元均分別與主處理器單元連接；所述充電控制單元與太陽能板連接，電磁閥驅動單元與電磁閥連接。本實用新型可自主采集太陽能，具有長期工作能力，能實現果園水肥滴灌的自動工作。
文檔編號A01G25/16GK202603315SQ2012202069
公開日2012年12月19日 申請日期2012年5月9日 優先權日2011年5月30日
發明者岳學軍, 徐興, 洪添勝, 李加念, 蔡坤, 劉永鑫, 麥康世, 江澤良 申請人:華南農業大學