基于单片机控制的节水喷灌装置的设计与模拟

2014-12-04李洋

承德石油高等专科学校学报 2014年4期

李洋

(河北科技大学(承德油专校区)机械工程系，河北承德 067000)

传统摇臂喷头装置喷头仰角不能调节，其通过水流冲击产生动力带动喷头旋转，不但需较大水压，而且喷灌范围随水压变化难以精确控制，一般仅适用于灌溉圆形草坪。当喷灌非圆形状草坪时，不能有效灌溉草坪边角，且极易喷射到草坪外，造成水资源浪费。本文所述基于单片机控制的新型喷灌装置，通过MCS-51单片机驱动两个步进电机对旋转喷头的旋转速度和俯仰角度进行控制，使水流精确喷射圆形和非圆形状草坪，克服了传统摇臂喷头装置灌溉图形的局限性和水利用率低的缺点。

1 设计方案

1.1 机械传动结构

机械传动结构如图1示，能实现摇臂1绕固定支架11的整周转动和绕A处的俯仰摆动。

机械传动结构包括齿轮传动和平行四边形机构。齿轮传动中，大齿轮6固联在固定支架11上，小齿轮8为行星齿轮，控制旋转步进电机9带动小齿轮8转动时，可动支架4绕固定支架11同步旋转，实现摇臂1及与其固联的位于摇臂1端部的主喷头2、副喷头组3绕固定支架11的整周转动动作。平行四边形机构ABCD中，主动件摇杆CD的上下摆动由控制俯仰步进电机5转动实现;再通过连杆BC带动AB杆(即摇臂1)同步上下摆动，从而实现主喷头2及副喷头组3绕A处的俯仰摆动。

1.2 电气控制结构

1.2.1 硬件设计

电路部分由MCS-51单片机最小系统和两个步进电机驱动组成，如图2所示。左侧部分为单片机最小系统电路，其结构包括CPU、片内振荡器、时钟电路、程序存储器等，单片机的P1和P3接口分别接入驱动器电路，然后连接到步进电机端口。

1.2.2 程序设计

装置控制部分程序思路为:单片机的P0口和P3口对应输出定义执行数组，将旋转和俯仰的函数程序转换为电平信号后输出到驱动电路，使得驱动芯片输出规律的电压和电流信号，驱动两个步进电机，带动机械传动机构执行旋转和俯仰的命令完成机械动作。

以喷灌正方形草坪为例，从RS232接口输入正方形程序，程序框图如图3所示。打开电源开关，程序设定的脉冲关系转换为电平信号后控制两个步进电机，配合完成精确喷灌正方形草坪的动作。同理，从RS232接口输入不同的程序，通过摇臂的俯仰和旋转的机械动作，可实现其它形状草坪的精确喷灌。

为避免水管和线路的缠绕问题，程序进行了防缠绕设计，使控制旋转步进电机绕轮盘的转动每360°变换一次方向，且在这360°的运行中元件箱匀速转动。

2 装置效果模拟

该设计的模拟装置主要部件包括太阳能电池板、元件箱、传动机构、喷头、底座等，如图4所示。连接部位主要采用螺纹连接和固熔胶固定。齿轮模数取0.5。由于承德市纬度为41°，太阳能电池板倾角设置为61°，以确保足够的平均受光功率。太阳能电池板电源引线连接锂电池后接入MCS-51单片机最小系统电源接孔。

副喷头组在主喷头下方同一竖直平面内排列成一列，其位置和角度经过多次调试，最终定位后达到主喷头和副喷头组水流从草坪边界向里均匀分布无重叠的效果。考虑装置外观对环境美观带来的影响，改进时元件箱外观将采用与景观相搭配的卡通型(海豚造型)设计。

3 实测效果模拟

为了检验实际效果，进行了多次喷洒测试，喷灌了60 cm×60 cm的正方形，得到的喷灌实景如图5所示。测得主喷头水流落点的实际偏差为0～3 cm，在四个顶点处有较小的圆角。同时进行了其他图形的扩展测试。以正六边形为例，经RS232接口写入正六边形程序，喷灌了边长为50 cm的正六边形，效果如图6所示，测得主喷头水流落点的实际偏差为0～2 cm，在六个顶点处仍有较小的圆角。

喷洒效果计算以正方形草坪为例，令喷洒在草坪内的面积为有效喷洒面积，有效喷洒面积与总喷洒面积的比值为水的利用效率。按最大实际偏差估算，水的利用效率为91.3%，而普通摇臂喷头装置在喷洒相同形状草坪时，水的利用效率为80%左右，因此，该装置水的利用率明显提高，达到预期效果，基本实现了精确喷灌多种形状草坪的的设计目标。