自動節水及控制流量的導葉裝置

1. 節水裝置的節水裝置分類

節流式節水裝置可分為自動節水裝置和定孔節流節水裝置兩大類。 自動節水裝置采內用先進的動態調壓節流技術容，根據供水水壓自動調整節水裝置的過流面積、從而保證節水裝置的出水流量、壓力、流速基本穩定，為用水提供適合的穩定水流，從而實現高效節水並提高用水舒適度。
市場上的自動節水裝置有兩種：
一種是應用韓國「自來水流量自動調節裝置」專利技術的韓國節水器（該技術在中國已同時申請發明專利和實用新型專利、實用新型專利已授權）；
一種是應用其昌恆壓恆流專利技術的其昌節水器。
兩者原理一樣、效果相似，結構不同。
韓國節水器只有一種安裝方式，即嵌入式安裝方式；
其昌節水器有嵌入式安裝方式和標准螺紋鏈接安裝方式。 採用傳統變徑節流技術，特徵是節水裝置的過流面積固定不變，流量與水壓成正比，即水壓高流量大、水壓低流量小，無法調和低水壓下正常用水和高水壓下有效節水這一對矛盾。

2. 節水灌溉自動控制系統的設計

針對目前農業水資源緊缺且農業用水浪費嚴重的問題，提出了一種節水灌溉自動控制方案。該方案以微控制器為核心器件，採用無線通信的方式，通過遠程式控制制系統實時採集參數，並以此為依據實時調整閥門開合程度，從而達到節襪孫水灌溉的目的。該設計具備較好的實用性，有效地實現了節水灌溉。中國農業發展目前面臨著兩大主要問題：一方面國民經濟、生態建設的迅猛發展導致對水資源的需求量越來越大，但是，中國目前的水資源嚴重不足；另一方面中國農業用水量約占總用水量的80%左右，但有效利用率僅在45%左右，而歐美發達國家一般在70%～80%，這導致中國農業用水浪費現象非常嚴重[1]。因此，在水資源嚴重不足的情況下，如何有效解決農業用水短缺問題顯得迫在眉睫。方法大致有兩種：開發新的水資源，但是，此方法投資大、見效慢，受地理環境影響異常明顯；另一種方法是發展節水灌溉。節水灌溉是遵循作物不同生長發育階段的需求規律而進行的適時灌溉，利用盡可能少的水獲得盡可能多的農作物產出的一種灌溉模式[2]。此方法投資相對較小，既有可能實現農業灌溉的自動化，又可能極大提高水資源的利用率。基於此，提出一種節水灌溉自動控制系統設計方案，設計了一個基於單片機的節水灌溉自動控制系統，具有實時顯示檢測數據和實時上傳檢測數據的功能，並能根據採集到的有關作物生長的環境參數及所需水量來控制給水的時間和流量。1 系統總體設計方案目前，國外普遍採用大型分布式微機測控技術實現節水灌溉自動控制。該技術方案擺脫了傳統的全憑經驗灌溉的灌溉模式，為多種技術的融合，根據採集到的土壤參數、溫濕度等環境參數來決定灌溉量與灌溉時間。因此，系統分中央控制系統和遠程測控系統兩部分進行設計，其系統結構圖如圖1。其中N為遠程測控系統的個數[3]。由圖1可見，中央控制系統（主站）主要由微控制器與主PC機構成。遠程式控制制系統（子站）主要實現參數的選定與測量、信息數據傳輸與處理、控制執行機構的動作等功能。系統選擇無線通信方式實現主站與子站之間喚桐的信息傳輸，其系統框圖如圖2[3]。系統主要分為信號採集模塊、數據處理模塊、數據無線處理模塊、控制模塊、軟體模塊這5大功能模塊。因此，選擇土壤水分、空氣的濕度、空氣的溫度3個參數作為灌溉的因素，測量元件就是測量這3個參數。具體器件選擇如下：①空氣溫濕度測量元件選用CHT-WV02溫濕度變送器；②A/D轉換器選用ADC0808；③電磁閥選用分布式電磁閥；④無線通信模塊選用2FSK解調方式的 PTR8000；⑤核心控制器選用常見的AT89系列單片機；⑥土壤水分測量元件採用TDR3型水分感測器。2 系統硬體設計2.1 主站硬體設計如前所述，主站的功能主要體現如下：通過無線通信方式實現與子站之間的信息傳輸，即遠告鏈鏈程式控制制系統通過相應器件採集土壤水分、溫度、濕度等參數後，經過信號調理、模數轉換後，通過無線方式傳輸給主站，主站以此為依據控制閥門水量的大小，也就是確定開關開合的程度。其間，主站中微控制器與主PC機之間採用有線通信方式。2.1.1 微控制器與PC機的介面電路 微控制器與PC機之間採用常用的RS-232標准進行數據傳輸，但是，由於RS-232電平標准與單片機TTL邏輯的電平標准不兼容，因此，必須使用電平轉換晶元實現二者之間的電平匹配。在本設計中，選用最常用的MAX232晶元來實現電平匹配。TXD與MAX232的T2in相連，經過MAX232轉換後，T2out輸出的信號進入RXD。同理，TXD與MAX232的R2in相連，經過MAX232轉換後，R2out輸出的信號進入RXD。如此，便可實現TTL與RS-232之間的邏輯電平轉換，使單片機與PC機之間的通信鏈路介面完成。2.1.2 無線射頻收發介面電路 由於本單片機不具備SPI介面，所以要利用軟體模擬SPI介面來實現單片機與PTR8000之間的通信[5]。PTR8000的3個狀態輸出信號DR、AM、CD分別與單片機的P3.2、P3.4和P3.5管腳相連，以此實現無線模塊與單片機的通信控制。其中，AMS1117是低壓差三端電壓調節器，旨在為PTR8000提供合適的電壓。2.2 子站硬體設計子站主要完成對感測器信號的採集及處理並控制電磁閥動作，達到自動灌溉的目的，由控制單片機、A/D轉換模塊、土壤水分感測器、溫濕度變送器和電磁閥組成。2.2.1 土壤水分檢測電路 設計採用運算放大器UA741來實現減法電路，其中VH=WATERH，VL=WATERL，△V=WATER。電路如圖5所示。注意在採集數據之前，對於運算放大器UA741一定要調零。2.2.2 A/D轉換介面電路 ADC0808沒有內部時鍾，所以時鍾信號端CLK通過兩個D鎖存器的分頻與單片機的時鍾相連。如圖6所示，由於ADC0808的轉換速度所限制，系統使用2 MHz的晶振，通過兩個D鎖存器的分頻後，ADC0808 CLK端的時鍾頻率為2 MHz/4=500 kHz。2.2.3 顯示介面電路 顯示介面電路如圖7所示。其中，四個晶體管的作用是使得共陽極的LED正常工作，在LED每個光二極體前加了一個限流電阻，是避免LED發光二極體因電流太大而燒壞或壽命減少。2.2.4 輔助控制單元設計 ①電磁閥控制單元。由於單片機的輸出電流比較小，不能驅動電磁閥工作，所以需接一晶體管進行電流放大從而驅動電磁閥工作，在繼電器兩端反並一個二極體的作用是防止繼電器因過大的電流燒壞或壽命減少。電磁閥控制電路如圖8a所示。②報警電路設計。大部分都是使用蜂鳴器來提示或報警，具體如圖8b所示。
3 系統軟體設計3.1 主站軟體設計設計中單片機的主要功能是實現土壤水分、溫濕度等參數的實時接收、發射以及數據的串口發送，因此，功能相對較少，在實際設計中只需要合理地初始化外圍晶元以及特殊功能寄存器，便可實現數據的實時傳輸，其主程序流程圖如圖9所示。此外，在系統設計中，PTR8000為無線收發模塊，功能是接收數據並發送數據，其流程圖如圖10a與10b所示。3.2 系統子站軟體設計3.2.1 數據採集程序設計 數據採集主要是指經感測器採集過來的電壓信號，經A/D轉換後送到單片機，再通過單片機的軟體處理為此電壓信號對應的濕度、溫度和土壤水分信號，其流程圖如圖11所示[6]。3.2.2 數據處理程序設計 數據處理主要是將從A/D採集來的數據經過一定的軟體演算法處理後，得到與實際情況最相符的數據，即誤差最小，其程序流程圖如圖12所示[6]。3.2.3 數據顯示程序設計 顯示數據經過解碼器74LS138和驅動74LS47將數據送至LED顯示。數據顯示子程序主要完成將待顯示的數據移出單片機，送至解碼器74LS138和驅動器74LS47，其程序流圖如圖13[7]。
4 小結設計通過遠程式控制制實施節水灌溉，實現了實時顯示檢測數據和實時上傳檢測數據的功能，並能根據採集到的有關作物生長的環境參數及所需水量來控制給水的時間和流量。通過無線遙控節水灌溉技術可節省人力物力，解決當前水資源短缺卻又浪費的緊張局勢。主站和子站之間採用無線傳輸，克服了傳統有線傳輸的地域限制，實現了站點之間的數據傳送。此外，通過溫濕度和水分感測器採集作物土壤及周圍環境的信息，可較全面地體現農作物的需水狀況，且節約成本，有效地實現了節水灌溉。

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3. 水量伺服裝置和自水裝置到底有什麼區別昂

1，受進水溫度的影響不同：

水量伺服裝置，受進水溫度的影響比較小。自水裝置受進水專溫度的影響大。

2，工作原屬理不同：

水量伺服裝置，通過一個微型直流電機控制出水量。自水裝置，是通過記憶合金彈簧的功能，根據進水溫度的高低自動控制水量的多少。

3，溫度控制效果不同：

水量伺服裝置的溫度控制更好一點，比較精確，控制恆溫的范圍也更大。自水裝置的溫度控制相對差一點。

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自動節水裝置

自動節水裝置採用先進的動態調壓節流技術，根據供水水壓自動調整節水裝置的過流面積、從而保證節水裝置的出水流量、壓力、流速基本穩定，為用水提供適合的穩定水流，從而實現高效節水並提高用水舒適度。

4. 求水位自動控制裝置的原理圖

水位自動控制裝置（液位自動控制）的原理圖如下：

工作過程：

假定由於某一因素使得疏水生成量突然增大，那麼系統原有的平衡被破壞，加熱器內水位上升，相應地信號筒內水位也上升，使得槽孔處汽體的通流面積減小，調節管路內汽相流量減小，液相流量增大，導致調節閥喉部汽相通流面積減小，疏水有效通流面積增大，從而疏水排出量不斷增大，最後在新的水位高度上建立平衡，反之亦然。控制系統的調節過程可分為減壓、抽吸、控制3個不同環節。

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1、減壓環節：

疏水從加熱器排出經疏水管路進人調節閥，在收縮段內加速，壓力降低到喉部混合點壓力的過程，稱為減壓環節。減壓環節的計算任務是根據控制環節的疏水流量分配，確定出喉部混合點的壓力。在其它條件不變鎮絕賣的情況下，減小節流閥開度，能降低混合點處的壓力。

2、抽吸環節：

根據信號筒感受到的加熱器內水位訊號，調節汽體和一部分疏水按一定比例混合，經調節管路到達調節閥喉部混合點的過程，御逗稱為抽吸環節。抽吸環節是根據減壓環節獲得的壓力降，求出調節管路內的汽液兩相流量。

3、控制環節：

兩股流體在調節閥喉部相互作用後混合，壓力迅速降低，而後在擴張段內充分迴流，壓力有所升高的過程，稱為控制環節。控制環節是確定疏水流量在調節閥前疏水管路及調節管路內的分配比例，以滿足系統管路內的壓力平衡。

由於兩股流體的相互作用發生在調節閥喉部處很短的距離內，且汽液兩相間存在著極其復雜的傳熱傳質過程，液體內蒸時由於相間熱阻的存在，汽液兩相間達到熱平衡需要一定的時間。汽化速率的大小與閃蒸時液體的過熱度、傳宏跡熱系數、傳熱面積及流型都有關系，在計算時必須做一些簡化處理。