一种变量灌溉施肥装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种变量灌溉施肥装置及其控制方法，属于灌溉施肥技术领域。
【背景技术】
[0002]微灌系统在发展设施农业、节水农业和生态农业等方面具有日益突出的重要作用，灌溉施肥作为微灌系统的主要内容，是实现作物高产、高效和优质的重要技术手段。
[0003]目前，国内外常用的灌溉施肥方式有机械注入式、水力驱动比例式施肥泵、压差式施肥罐和文丘里施肥器等。机械注入式具有输入肥液浓度均匀的优点，但需要泵及动力装置，设备投入及能耗较大，且需对其进行管理与维护；水力驱动比例式施肥泵利用进入泵的水体形成压差水头作为动力，驱动活塞或隔膜将肥液注入灌溉管道，施肥精度高、工作稳定，但其施肥比例仅取决于管道压力及流量，难以通过施肥泵本身控制施肥浓度，而且其成本很高；压差式施肥罐的结构简单、成本低，但存在施肥浓度前大后小的缺点，即在灌溉施肥过程中，随着灌溉水不断进入液肥贮罐中而使罐内肥料浓度逐渐降低，从而严重影响施肥效果；文丘里施肥器因结构简单、成本低、使用方便而且不需外部动力等优点而被广泛应用，其缺点在于吸肥量主要受主管入口水流影响，施肥器本身不能主动调节施肥浓度。而且，上述灌溉施肥方式除机械注入式外，难以实现自动控制，且只能对单一肥料溶液或营养液进行实时施肥，若要施用多种肥液或营养液，只能分时进行或预先通过人工将多种肥料溶液或营养液混合，费时费力，容易造成预混肥液的浪费。
[0004]综上所述，目前灌溉施肥领域的不足之处在于性价比不高难以推广应用或者不便自动定量调节施肥浓度。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:本发明提供一种低成本、低功耗、能同时对多种肥液或营养液进行施肥的变量灌溉施肥装置及其控制方法，用于解决目前灌溉施肥领域的性价比不高难以推广应用或者不便自动定量调节施肥浓度的问题。
[0006]本发明技术方案是:一种变量灌溉施肥装置，包括水流电磁阀1、流量变送器2、混合缓冲箱3、母液罐、母液电磁阀、清洗电磁阀6和控制器7 ;所述混合缓冲箱3设有入水口34、出水口 35、第一母液入口 31、第二母液入口 32、第三母液入口 33、清洗出口 36 ;所述母液罐包括第一母液罐41、第二母液罐42和第三母液罐43 ；所述母液电磁阀包括第一母液电磁阀51、第二母液电磁阀52和第三母液电磁阀53 ;所述控制器7包括单片机MSP430F2132、电磁阀驱动电路和人机交互单元；
所述混合缓冲箱3的入水口 34与流量变送器2的出口端相连，流量变送器2的入口端与所述水流电磁阀I的出口端相连，水流电磁阀I的入口端与水源主干管相连，混合缓冲箱3的出水口 35与微灌管网的入口相连；第一母液入口 31、第二母液入口 32和第三母液入口 33分别与第一母液电磁阀51、第二母液电磁阀52和第三母液电磁阀53的出口端相连，第一母液电磁阀51、第二母液电磁阀52和第三母液电磁阀53的入口端分别与第一母液罐41、第二母液罐42和第三母液罐43的出口相连，混合缓冲箱3的清洗出口 36与清洗电磁阀6的入口端相连；
所述水流电磁阀1、第一母液电磁阀51、第二母液电磁阀52、第三母液电磁阀53和清洗电磁阀6的控制端分别与所述电磁阀驱动电路的输出端相连，电磁阀驱动电路的输入端与单片机MSP430F2132的I/O端口相连，所述流量变送器2的输出端与单片机MSP430F2132的外部中断端口相连。
[0007]所述混合缓冲箱3为水平放置的圆柱体状，由PVC材质一体化成型而制成，混合缓冲箱3的长度是其横截面直径的3倍，其上的入水口 34、出水口 35、母液入口和清洗出口 36均为圆管接口，母液入口包括第一母液入口 31、第二母液入口 32、第三母液入口 33，入水口34和出水口 35的管径均为混合缓冲箱3横截面直径的1/3，三个母液入口的管径相同且不超过入水口 34管径的1/2，清洗出口 36的管径不大于入水口 34的管径且不小于母液入口的管径；入水口 34和出水口 35分别垂直安装于混合缓冲箱3圆柱体结构的两个底面上，并使入水口 34和出水口 35的圆心均位于底面中垂直于水平方向的直径上且距混合缓冲箱3顶端的1/3处；三个母液入口等间距设于混合缓冲箱3的正上方，并使第一母液入口 31位于距混合缓冲箱3入口底面5cm处，第三母液入口 33在混合缓冲箱3上的位置不超过混合缓冲箱3总长度的2/3 ;这样的结构设计，可使水和肥料母液或营养液在混合缓冲箱3中充分混合均匀后再经出水口 35流出。清洗出口 36设于混合缓冲箱3正下方且靠近出水口35，用于排泄混合缓冲箱3中的残余肥液或清洗液。
[0008]所述流量变送器2为工作电压为DC12V、输出信号为0~lkHz的电磁流量变送器。无堵流部件，对入口水流几乎无压力损失，电磁流量变送器的输出端与单片机MSP430F2132的外部中断INTO端口相连，利用单片机的外部计数功能实现电磁流量变送器输出频率的检测，然后根据电磁流量变送器的输出频率与流量的关系换算为入口水流的流量。单片机与电磁流量变送器的连接及对频率的检测均为常规技术。
[0009]所述水流电磁阀1、第一母液电磁阀51、第二母液电磁阀52、第三母液电磁阀53和清洗电磁阀6均为脉冲电磁阀，其阀门的开/关动作只需正向/反向通过一个宽度约30ms、幅度为3~9V的直流脉冲电压即可完成，而且阀门的开/关状态无需电能维持，属于低功耗器件；各个阀门的尺寸应与其接口的管径相适应，其中第一母液电磁阀51、第二母液电磁阀52、第三母液电磁阀53的规格相同。
[0010]所述第一母液罐41、第二母液罐42和第三母液罐43的规格相同，由透明有机玻璃材质一体化成型而制成，包括上下两大部分，上部分呈圆柱体状，且在该圆柱体上底面中心处设有一个直径为上底面直径1/3的圆形敞口，用于向母液罐中添加肥料母液或营养液母液，下部分呈漏斗状，易于母液罐中的肥料母液或营养液母液流出；第一母液罐41、第二母液罐42和第三母液罐43分别盛装不同成分的肥料母液或营养液母液，并分别垂直竖立安装于混合缓冲箱3的第一母液入口 31、第二母液入口 32和第三母液入口 33上，三个母液罐(第一母液罐41、第二母液罐42和第三母液罐43)分别通过三个母液电磁阀(第一母液电磁阀51、第二母液电磁阀52和第三母液电磁阀53)与三个母液入口(第一母液入口 31、第二母液入口 32和第三母液入口 33)相连，这样可对每个母液罐中的流出母液进行单独控制，当相应的母液电磁阀打开时，母液罐中的母液在重力作用下自行流出，由于母液流量相对较小，母液各个时刻在重力作用下的流量可近似相等，从而可根据母液电磁阀的打开时间控制母液流出量。不同母液入口管径下，母液在重力作用下的流量可通过试验得出。
[0011]更进一步地，可根据灌溉施肥的实际应用情况，在混合缓冲箱3上增设母液入口，同时相应地增设母液罐和母液电磁阀。
[0012]进一步地，所述人机交互单元由笔段式液晶显示模块HT1621和4个按键组成，主要用于设定施肥浓度、施肥量和控制方式等，以及显示当前