一种文丘里施肥器吸肥管流量调控装置的制作方法

本实用新型涉及一种文丘里施肥器吸肥管流量调控装置，属于灌溉施肥技术领域。

背景技术：

水肥一体化灌溉技术既可满足灌溉的质量要求，同时对环境的污染也最小，是作物高产、高效和优质的重要技术手段。施肥装置是实现灌溉施肥的重要部件之一，文丘里施肥器因其结构简单、成本低且不需要附加动力等优点被广泛应用于灌溉施肥中，但其缺点在于某一特定结构的文丘里施肥器其施肥浓度相对固定，不能根据作物实际需肥需求进行变量施肥，而且其施肥浓度随入口水压或水流的波动而波动。

目前大多数文丘里施肥器是通过在其并联主管上安装施肥节制阀进行施肥浓度的调节，但该方式为手动调节且施肥浓度不易实现连续可调，难以应用于自动灌溉施肥控制系统中。为实现文丘里施肥器施肥浓度的连续、自动调节，有研究者在文丘里施肥器出口处安装电磁阀，并采用PWM技术调节电磁阀开关占空比的方法来调节文丘里施肥器的进出口压差，实现了肥液浓度的调节，但由于电磁阀频繁的开关动作势必会影响其使用寿命，而且在电磁阀开关频率较低时会出现出流不连续的现象，在入口水压较高时管道会出现较大的振动，因而该调节方式的实用性欠佳。现有研究和试验表明，通过调节文丘里施肥器吸肥管的管道流量，可有效实现施肥浓度的连续可调。而管道流量的调节主要是通过手动调节阀、电动阀和比例调节阀等方式实现的。除手动调节阀外，电动阀和比例调节阀均可实现自动控制，但大多电动阀只能实现全开与全关的二位控制，不能实现流量的连续可调，比例调节阀虽然可以实现流量连续可调，但其调节的反应时间较长，从阀门全开调节到全关的过程需要几分钟，难以实现快速的连续调节。

综上所述，有必要设计一种文丘里施肥器吸肥管流量调节装置，以实现文丘里施肥器施肥浓度的在线连续可调，从而使文丘里施肥器能应用于自动灌溉施肥系统中，根据作物实际的需水需肥规律进行变量施肥。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种文丘里施肥器吸肥管流量在线、快速、连续可调的调控装置及其控制方法，以解决现有文丘里施肥器施肥浓度固定、难以直接应用于自动灌溉施肥系统中进行变量施肥的问题。

本实用新型技术方案是：一种文丘里施肥器吸肥管流量调控装置，包括驱动器1、球阀2、固定夹3和接口电缆4；所述球阀2通过固定夹3固定于驱动器1上，球阀2的一端与文丘里施肥器的吸肥口相连，另一端与吸肥管相连；所述接口电缆4包括电源线、地线、信号输入线和信号输出线，所述接口电缆4与外部电缆线相连。

所述驱动器1包括控制主板11、直流电机12、联轴器13、限位器Ⅰ14、限位器Ⅱ15、限位杆16、驱动器外壳17；所述控制主板11包括单片机111、阀门控制电路、12V稳压电路112、3V稳压电路113和9V稳压电路114；所述阀门控制电路包括H桥驱动电路51、电压比较器52、阀门最小开度检测电路53和阀门最大开度检测电路54。

所述控制主板11固定于驱动器外壳17内的侧壁上，所述直流电机12、限位器Ⅰ14和限位器Ⅱ15固定于驱动器外壳17内的底板上；所述直流电机12的电机轴通过联轴器13与球阀2的阀杆相连，所述球阀2的阀杆上垂直设有一个限位杆16，从而可通过电机的转动带动球阀2的阀门转动，并使限位杆16随着球阀2阀杆的转动而转动。

所述限位器Ⅰ14包括支架Ⅰ141、复位弹簧Ⅰ142和限位开关Ⅰ143；所述支架Ⅰ141为Z型结构，复位弹簧Ⅰ142固定于支架Ⅰ141的上端平行板底部，限位开关Ⅰ143嵌套于复位弹簧Ⅰ142中；所述限位器Ⅱ15包括支架Ⅱ151、复位弹簧Ⅱ152和限位开关Ⅱ153，所述支架Ⅱ151为L型结构，复位弹簧Ⅱ152固定于支架Ⅱ151的竖直板背面，限位开关Ⅱ153嵌套于复位弹簧Ⅱ152中；所述限位器Ⅰ14和限位器Ⅱ15的安装位置满足限位开关Ⅰ143与限位开关Ⅱ153互成90°，并且满足在限位杆16随着球阀2阀杆旋转的过程中，当球阀2旋转到阀门最小开度位置处限位杆16刚好碰触到限位开关Ⅰ143，当球阀2旋转到阀门最大开度位置处限位杆16刚好碰触到限位开关Ⅱ153；当球阀2旋转到阀门最小/最大开度位置处，限位杆16碰触按压限位开关Ⅰ143/限位开关Ⅱ153，从而改变限位开关Ⅰ143/限位开关Ⅱ153原来的开关状态，但由于复位弹簧的伸缩作用，限位开关在限位杆16按压力的作用下随着复位弹簧一起向后缩，使得限位开关离开限位杆16的按压作用而又恢复原来的开关状态，因而限位开关的开关状态只在限位杆16碰触按压瞬间改变一次后又恢复为原来状态。

所述H桥驱动电路51可以采用型号为LV8400V的集成电路；所述限位开关Ⅰ143和限位开关Ⅱ153均为设有公共端CC、常开端NO、常闭端NC的三端行程开关；所述阀门最小开度检测电路为两个阻值相同的电阻R3和R4构成的串联支路；所述阀门最大开度检测电路为两个阻值相同的电阻R1和R2构成的串联支路；所述电压比较器52为一个型号为TLC393、具有2个通道的单片集成电压比较器；所述单片机111的型号为STC12C5A60S2，其内部集成有ADC转换器和PWM控制器。

所述H桥驱动电路51的V_CC端与12V稳压电路112输出端相连，GND端与12V稳压电路112的地线相连，IN1和IN2端分别与单片机111的PWM0、PWM1输出端相连，OUT1和OUT2端分别与限位开关Ⅰ143的公共端CC和限位开关Ⅱ153的公共端CC相连；限位开关Ⅰ143的常闭端NC与直流电机12的正极相连，限位开关Ⅰ143的常开端NO与电阻R3相连，电阻R3的另一端与电阻R4相连，电阻R4的另一端与限位开关Ⅱ153的公共端CC相连，限位开关Ⅱ153的常闭端NC与直流电机12的负极相连，限位开关Ⅱ153的常开端NO与电阻R2相连，电阻R2的另一端与电阻R1相连，电阻R1的另一端与限位开关Ⅰ143的公共端CC相连；电阻R1和R2的公共端与电压比较器52的1IN+端相连，电阻R3和R4的公共端与电压比较器52的2IN+端相连，电压比较器52的V_DD端与12V稳压电路112输出端相连，GND端与12V稳压电路112地线相连，1IN-和2IN-分别与9V稳压电路114的输出端相连，1OUT端分别与单片机111的ADC0端和电阻R5的一端相连，2OUT端分别与单片机111的ADC1端和电阻R6的一端相连，电阻R5和R6的另一端分别与3V稳压电路113的输出端相连。

所述12V稳压电路112的输入端与接口电缆4的电源线相连，12V稳压电路112的输出端与9V稳压电路114的输入端相连，9V稳压电路114的输出端与3V稳压电路113的输入端相连，3V稳压电路113的输出端与单片机111的电源端相连，所有电路的地线连接在一起。

所述12V稳压电路112可以由LM7812稳压芯片及外围阻容元件组成，此为公知常识，在此不作详细描述。

所述3V稳压电路113可以由LM317稳压芯片及外围阻容元件组成，此也为公知常识，在此不作详细描述。

所述9V稳压电路114可以由LM7809稳压芯片及外围阻容元件组成，此为公知常识，在此不作详细描述。

所述接口电缆4中电源线与地线的一端分别与12V稳压电路112的输入端正负极相连，另一端分别与外部12~15VDC电源的输出端正负极相连；所述接口电缆4中信号输入线的一端与单片机111的串口RX端相连，另一端与外部控制器或上位机的串口TX端相连，信号输出线的一端与单片机111的串口TX端相连，另一端与外部控制器或上位机的串口RX端相连，这样可通过信号输入线和信号输出线，实现所述文丘里施肥器吸肥管流量调控装置与外部控制器或上位机进行串口通信，以获取来自上位机的目标施肥浓度、施肥浓度实时检测值等信息。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过采用连续调节阀门开度来改变文丘里施肥器吸肥管流量，解决文丘里施肥器施肥浓度固定、不能连续可调的问题，并且根据误差等级采用五档变速调节阀门转动速度，更快更准地实现了肥液浓度的在线连续调节，同时采用限位开关、电阻分压电路和电压比较器等构成的简易电路，实现了最小/最大阀门开度的极限位置的感知，以及阀门到达极限位置时自动切断电机回路，以避免继续执行阀门调节动作而发生电机堵转造成的电机损坏，从而使其能更好地应用于自动灌溉施肥系统中进行变量施肥。

附图说明

图1是本实用新型装置的整体结构图；

图2是本实用新型装置的结构示意图；

图3是本实用新型装置的控制原理框图；

图4是本实用新型装置的阀门控制电路图；

图5是本实用新型装置的限位杆工作示意图。

图1-5中各标号：1-驱动器，11-控制主板，111-单片机，112-12V稳压电路，113-3V稳压电路，114-9V稳压电路，12-直流电机，13-联轴器，14-限位器Ⅰ，141-支架Ⅰ，142-复位弹簧Ⅰ，143-限位开关Ⅰ，15-限位器Ⅱ，151-支架Ⅱ，152-复位弹簧Ⅱ，153-限位开关Ⅱ，16-限位杆，17-驱动器外壳，2-球阀，3-固定夹，4-接口电缆，51-H桥驱动电路，52-电压比较器，53-阀门最小开度检测电路，54-阀门最大开度检测电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1-5所示，一种文丘里施肥器吸肥管流量调控装置，包括驱动器1、球阀2、固定夹3和接口电缆4；所述球阀2通过固定夹3固定于驱动器1上，球阀2的一端与文丘里施肥器的吸肥口相连，另一端与吸肥管相连；所述接口电缆4包括电源线、地线、信号输入线和信号输出线，所述接口电缆4与外部电缆线相连。

进一步的，所述驱动器1包括控制主板11、直流电机12、联轴器13、限位器Ⅰ14、限位器Ⅱ15、限位杆16、驱动器外壳17；所述控制主板11包括单片机111、阀门控制电路、12V稳压电路112、3V稳压电路113和9V稳压电路114；所述阀门控制电路包括H桥驱动电路51、电压比较器52、阀门最小开度检测电路53和阀门最大开度检测电路54。

进一步的，所述控制主板11固定于驱动器外壳17内的侧壁上，所述直流电机12、限位器Ⅰ14和限位器Ⅱ15固定于驱动器外壳17内的底板上；所述直流电机12的电机轴通过联轴器13与球阀2的阀杆相连，所述球阀2的阀杆上垂直设有一个限位杆16，从而可通过电机的转动带动球阀2的阀门转动，并使限位杆16随着球阀2阀杆的转动而转动。

进一步的，所述限位器Ⅰ14包括支架Ⅰ141、复位弹簧Ⅰ142和限位开关Ⅰ143；所述支架Ⅰ141为Z型结构，复位弹簧Ⅰ142固定于支架Ⅰ141的上端平行板底部，限位开关Ⅰ143嵌套于复位弹簧Ⅰ142中；所述限位器Ⅱ15包括支架Ⅱ151、复位弹簧Ⅱ152和限位开关Ⅱ153，所述支架Ⅱ151为L型结构，复位弹簧Ⅱ152固定于支架Ⅱ151的竖直板背面，限位开关Ⅱ153嵌套于复位弹簧Ⅱ152中；所述限位器Ⅰ14和限位器Ⅱ15的安装位置满足限位开关Ⅰ143与限位开关Ⅱ153互成90°，并且满足在限位杆16随着球阀2阀杆旋转的过程中，当球阀2旋转到阀门最小开度位置处限位杆16刚好碰触到限位开关Ⅰ143，当球阀2旋转到阀门最大开度位置处限位杆16刚好碰触到限位开关Ⅱ153；当球阀2旋转到阀门最小/最大开度位置处，限位杆16碰触按压限位开关Ⅰ143/限位开关Ⅱ153，从而改变限位开关Ⅰ143/限位开关Ⅱ153原来的开关状态，但由于复位弹簧的伸缩作用，限位开关在限位杆16按压力的作用下随着复位弹簧一起向后缩，使得限位开关离开限位杆16的按压作用而又恢复原来的开关状态，因而限位开关的开关状态只在限位杆16碰触按压瞬间改变一次后又恢复为原来状态。

进一步的，所述H桥驱动电路51可以采用型号为LV8400V的集成电路；所述限位开关Ⅰ143和限位开关Ⅱ153均为设有公共端CC、常开端NO、常闭端NC的三端行程开关；所述阀门最小开度检测电路为两个阻值相同的电阻R3和R4构成的串联支路；所述阀门最大开度检测电路为两个阻值相同的电阻R1和R2构成的串联支路；所述电压比较器52为一个型号为TLC393、具有2个通道的单片集成电压比较器；所述单片机111的型号为STC12C5A60S2，其内部集成有ADC转换器和PWM控制器。

进一步的，所述H桥驱动电路51的V_CC端与12V稳压电路112输出端相连，GND端与12V稳压电路112的地线相连，IN1和IN2端分别与单片机111的PWM0、PWM1输出端相连，OUT1和OUT2端分别与限位开关Ⅰ143的公共端CC和限位开关Ⅱ153的公共端CC相连；限位开关Ⅰ143的常闭端NC与直流电机12的正极相连，限位开关Ⅰ143的常开端NO与电阻R3相连，电阻R3的另一端与电阻R4相连，电阻R4的另一端与限位开关Ⅱ153的公共端CC相连，限位开关Ⅱ153的常闭端NC与直流电机12的负极相连，限位开关Ⅱ153的常开端NO与电阻R2相连，电阻R2的另一端与电阻R1相连，电阻R1的另一端与限位开关Ⅰ143的公共端CC相连；电阻R1和R2的公共端与电压比较器52的1IN+端相连，电阻R3和R4的公共端与电压比较器52的2IN+端相连，电压比较器52的V_DD端与12V稳压电路112输出端相连，GND端与12V稳压电路112地线相连，1IN-和2IN-分别与9V稳压电路114的输出端相连，1OUT端分别与单片机111的ADC0端和电阻R5的一端相连，2OUT端分别与单片机111的ADC1端和电阻R6的一端相连，电阻R5和R6的另一端分别与3V稳压电路113的输出端相连。

进一步的，所述12V稳压电路112的输入端与接口电缆4的电源线相连，12V稳压电路112的输出端与9V稳压电路114的输入端相连，9V稳压电路114的输出端与3V稳压电路113的输入端相连，3V稳压电路113的输出端与单片机111的电源端相连，所有电路的地线连接在一起。

进一步的，所述12V稳压电路112由LM7812稳压芯片及外围阻容元件组成，此为公知常识，在此不作详细描述。

进一步的，所述3V稳压电路113由LM317稳压芯片及外围阻容元件组成，此也为公知常识，在此不作详细描述。

进一步的，所述9V稳压电路114由LM7809稳压芯片及外围阻容元件组成，此为公知常识，在此不作详细描述。

进一步的，所述接口电缆4中电源线与地线的一端分别与12V稳压电路112的输入端正负极相连，另一端分别与外部12~15VDC电源的输出端正负极相连；所述接口电缆4中信号输入线的一端与单片机111的串口RX端相连，另一端与外部控制器或上位机的串口TX端相连，信号输出线的一端与单片机111的串口TX端相连，另一端与外部控制器或上位机的串口RX端相连，这样可通过信号输入线和信号输出线，实现所述文丘里施肥器吸肥管流量调控装置与外部控制器或上位机进行串口通信，以获取来自上位机的目标施肥浓度、施肥浓度实时检测值等信息。

由上述电路的连接关系以及限位器、限位杆的安装关系知，直流电机12的正负极分别与限位开关Ⅰ143和限位开关Ⅱ153的两个常闭端NC相连，而限位开关Ⅰ143和限位开关Ⅱ153的公共端CC分别与H桥驱动电路51的两个输出端OUT1和OUT2相连，因此可以通过单片机111的PWM0和PWM1端口，控制H桥驱动电路51的IN1和IN2的输入电平，实现直流电机12的正反转控制，同时可通过控制单片机111的PWM0或PWM1端口的输出占空比，实现直流电机12的转速控制；当球阀2反转减小阀门开度至阀门最小开度位置时，限位杆16在球阀2的阀杆带动下碰触并按压限位开关Ⅰ143，使其开关状态发生变化，即限位开关Ⅰ143的常闭端NC与公共端CC断路、常开端NO与公共端CC通路，使直流电机12断路而停止转动，从而可避免因不知阀门到达最小开度的极限位置而继续执行减小阀门动作所造成的电机堵转现象，此时由电阻R3和R4串联支路构成的阀门最小开度检测电路53，并联于H桥驱动电路51的OUT1和OUT2两端之间，由于电阻R3和R4阻值相同、OUT1和OUT2两端的压差为12V，电阻R3和R4的分压电压为6V，即电压比较器52的2IN+端为6V，由电压比较器52的2IN-端恒为9V以及其输出端为漏极开路CMOS结构可知，电压比较器52的2OUT端输出低电平0V；同理，球阀2正转增大阀门开度至阀门最大开度位置时，限位杆16按压限位开关Ⅱ153使直流电机12断路而停止转动，以避免因不知阀门到达最大开度的极限位置而继续执行增大阀门动作所造成的电机堵转现象，同时使电压比较器52的1IN+端为6V，从而电压比较器52的1OUT端输出低电平0V；当球阀2的阀门未处于最小/最大开度位置而正常转动时，电阻R3和R4串联支路构成的阀门最小开度检测电路53、电阻R1和R2串联支路构成的阀门最大开度检测电路54均断路，此时电压比较器52的1IN+端和2IN+端均为12V，从而使电压比较器52的两个输出端1OUT和2OUT均输出高电平3V，因此可通过单片机111的ADC0和ADC1端口，实时检测1OUT和2OUT的输出电压是否为0V或3V，判断球阀2阀门是否处于最小/最大阀门开度位置。

上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。