基于PWM的滴灌控制系统的设计与研究

论文摘要

自动控制节水滴灌技术是衡量一个国家农业现代化发展状况的标杆。而目前我国滴灌多采用手工与经验的方法,严重影响了滴灌自动化水平和节水效率。因此本文根据土壤水分在滴灌后的运动规律及滴灌频率对土壤水分分布的影响,提出了基于PWM(脉宽调制)的滴灌自动控制系统。系统由以下几部分组成：无线传感网络组成的农田信息采集传输模块、PC上位机组成的中央监控模块以及脉宽调制PWM控制模块。无线传感网络通过终端温湿度采集模块和DA300扩展模块(土壤湿度采集模块)实时采集农田作物的环境信息,经由无线传感网络后传输到上位机监控中心。中央监控中心对信息综合分析后,通过RS232通信端口将综合后的土壤湿度信息发送给网关,网关利用无线网络将上位机传输的土壤综合信息发送到各个终端(CC2430),脉宽调制PWM控制模块输出PWM波形,再经由驱动模块将输出信号发送到滴灌控制电磁阀。该系统可根据作物区湿度、温度、太阳辐射和土壤湿度等进行综合处理和判断。处理后的信息通过A/D转换变为数字量送入单片机,将实际值与给定值进行比较,依据偏差大小,做出合理的PWM控制决策。PWM控制根据土壤湿度偏差与变化趋势的输出控制单片机产生PWM波形,通过改变占空比,从而实现依据土壤湿度的滴灌频率。为了了解土壤湿度变化与滴灌频率之间的关系,本文还就滴灌条件下黄棕土壤的水分运动规律进行了试验研究。试验结果显示：当土壤湿度传感器埋设位置距离滴头水平方向5cm,垂直方向10cm时,能很好地监测土壤湿度的变化田间试验表明：系统运行稳定、可靠,可以实时监测农田环境信息与土壤湿度,此外,它可结合滴灌控制模型实施作物的精确灌溉,实现农田节水灌溉自动化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外节水灌溉自动化发展状况
• 1.2.1 国外节水灌溉自动化发展状况
• 1.2.2 国内节水灌溉自动化发展状况
• 1.2.3 PWM流量控制国内外发展状况
• 1.3 本文研究的主要目的与内容
• 1.3.1 研究目的和意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 滴灌控制系统的总体框架及软硬件设计
• 2.1 滴灌系统的总体设计
• 2.2 滴灌控制系统的工作过程
• 2.3 滴灌控制系统的硬件组成与设计
• 2.3.1 无线数据传输网络
• 2.3.2 终端农田信息采集系统设计
• 2.3.2.1 土壤湿度传感器设计
• 2.3.2.2 温湿度传感器设计
• 2.3.2.3 驱动电路设计
• 2.4 中央监控系统软件设计
• 2.4.1 串口通信模块
• 2.4.2 信息采集模块
• 2.4.3 数据管理模块
• 2.5 滴灌节水控制模型的研究
• 2.5.1 滴灌节水系统的特点及控制要求
• 2.5.1.1 节水灌溉系统的控制特点
• 2.5.1.2 滴灌节水系统的控制要求
• 2.5.2 系统控制模型总体设计
• 2.5.3 系统硬件结构设计
• 2.5.4 脉宽调制式开关阀控制及其工作原理
• 2.5.5 PWM控制系统程序设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 滴灌条件下黄棕壤土水分运动规律研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验装置及方法
• 3.2 试验结果与分析
• 3.2.1 黄棕壤土湿润峰的形状
• 3.2.2 不同滴速条件下黄棕壤土水分运动分析
• 3.2.3 不同初始含水率条件下黄棕壤土水分入渗分析
• 3.2.4 容重对湿润体入渗的影响
• 3.2.5 距离滴头5cm处土壤含水率分布
• 3.2.6 各土层含水率的相关性和变异系数分析
• 3.2.7 不同滴灌频率对土壤湿度的影响
• 3.3 结果与讨论
• 第四章 土壤湿度控制系统硬件调试及试验
• 4.1 系统整体结构及试验设备
• 4.2 调试方法及试验结果
• 4.2.1 调试方法及步骤
• 4.2.2 试验结果
• 4.2.2.1 ZigBee无线通讯测试
• 4.2.2.2 电磁阀参数测试
• 4.2.2.3 控制器及驱动电路测试
• 4.2.2.4 PWM驱动波形施加于电磁阀控系统
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读研究生期间发表的论文