邱 虎 劉瑞超 袁文丁 劉桂平 包本剛

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425199)

0 引 言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，由于人口多，耕地面積相對(duì)較少，糧食生產(chǎn)占主要地位。農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，科學(xué)合理的使用農(nóng)藥能夠有效地提高農(nóng)作物產(chǎn)量。然而在農(nóng)村，大部分農(nóng)民配比農(nóng)藥采用傳統(tǒng)手動(dòng)配比方式，直接用瓶蓋粗略量取農(nóng)藥倒入噴灑桶進(jìn)行混合。此外，不少農(nóng)民用戶為了確保能將害蟲徹底殺死，在配兌農(nóng)藥時(shí)往往使用大量的農(nóng)藥來(lái)達(dá)到滅殺效果。這一種配兌方式不僅加重了農(nóng)作物和土地的農(nóng)藥殘留，同時(shí)還污染了自然環(huán)境，更嚴(yán)重的還將危害使用者的健康[1,2]。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)思了一種農(nóng)藥濃度自動(dòng)配兌的裝置（可移動(dòng)式農(nóng)藥濃度自動(dòng)配兌裝置），從根源上來(lái)改變這種現(xiàn)狀。該裝置主要通過(guò)MSP430單片機(jī)[3]對(duì)農(nóng)藥的配兌進(jìn)行控制，可以完成任意比例農(nóng)藥的配兌，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)配兌狀況，具有配兌速度快，準(zhǔn)確度高，操作簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。

1 農(nóng)藥濃度自動(dòng)配兌裝置的原理

可移動(dòng)式農(nóng)藥濃度自動(dòng)配兌裝置主要由主控制器、驅(qū)動(dòng)模塊、配比模塊、檢測(cè)模塊、液晶顯示以及鍵盤輸入等功能模塊系統(tǒng)組成（如圖1）。使用者通過(guò)鍵盤輸入，將農(nóng)藥與水的比例、農(nóng)藥的用量、水的用量以及容器存儲(chǔ)容量的臨界值等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，然后啟動(dòng)裝置，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的比例和相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成農(nóng)藥與水的配兌和混合。

1.1 農(nóng)藥與水的抽取與測(cè)量

單片機(jī)依靠設(shè)定的數(shù)據(jù)，控制電機(jī)對(duì)水和農(nóng)藥進(jìn)行定量抽取[4,5]，同時(shí)，借助液體輸送管道末端安裝的流量傳感器對(duì)農(nóng)藥和水的用量進(jìn)行檢測(cè)，并將采集的信息輸送到單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)的處理對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、加速、減速、停止。

1.2 農(nóng)藥與水的配兌和混合

通過(guò)輸送管道輸送的農(nóng)藥和水注入配比容器進(jìn)行配兌后，依靠流量傳感器將配比完成的信號(hào)輸送至單片機(jī)，并通過(guò)單片機(jī)控制啟動(dòng)配比容器與噴灑容器之間的電磁閥，將配比的農(nóng)藥與水釋放到噴灑容器中進(jìn)行充分混合，混合完成后電磁閥關(guān)閉，重新進(jìn)行第二次配兌，如此循環(huán)(如圖2)。

1.3 數(shù)據(jù)顯示與系統(tǒng)報(bào)警

在配兌過(guò)程中，單片機(jī)將采集到的配兌比例、農(nóng)藥剩余量以及水剩余量等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)地通過(guò) LCD12864液晶進(jìn)行顯示，方便用戶隨時(shí)查看配比情況和農(nóng)藥與水的剩余量。同時(shí)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)農(nóng)藥和水用量的計(jì)算，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定臨界值時(shí)，快速響鈴報(bào)警，提醒使用者更換農(nóng)藥或水。此外，在噴灑過(guò)程中，噴灑容器的液面?zhèn)鞲衅鲗?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴灑容器的藥水容量，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定臨界值時(shí)，響鈴報(bào)警，提醒使用者。

2 農(nóng)藥濃度自動(dòng)配兌裝置模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

可移動(dòng)式農(nóng)藥濃度自動(dòng)配兌裝置的主控制器采用MSP430F149單片機(jī)，是一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器。其具有處理能力強(qiáng)，預(yù)算速度快，超低功耗，片內(nèi)資源豐富，以及方便高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、繼電器驅(qū)動(dòng)以及電磁閥驅(qū)動(dòng)等模塊。在農(nóng)藥配兌過(guò)程中，農(nóng)藥的抽取是微量的，并且實(shí)現(xiàn)可控制，因此采用LM298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥的抽取。由于配兌比例的限制，水的供給量往往很大，因此抽水電機(jī)由繼電器驅(qū)動(dòng)（如圖3）完成。同時(shí)，為讓配兌容器與噴灑容器之間相連的電磁閥正常工作，使配兌好的溶液快速有效地流入噴灑容器中，在對(duì)電磁閥的控制中增加了電磁閥驅(qū)動(dòng)，方便對(duì)電磁閥的有效控制。

2.3 檢測(cè)模塊

在檢測(cè)模塊中，對(duì)水以及農(nóng)藥的用量的檢測(cè)采用流量傳感器，對(duì)噴灑容器中藥水的容量的檢測(cè)采用液面?zhèn)鞲衅?。水流量傳感器主要由塑料閥體 、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，進(jìn)行調(diào)控。液面?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)不同液體容量電阻值的差異，通過(guò)檢測(cè)溶液的液面，當(dāng)液面低于傳感器后，輸出狀態(tài)發(fā)生改變，反饋給控制器。

2.4 LCD12864液晶顯示屏

為方便用戶獲得更多的數(shù)據(jù)信息，本裝置采用LCD12864液晶進(jìn)行顯示。LCD12864液晶是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，控制器ST7920?？娠@示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16X16 點(diǎn)陣）、128 個(gè)字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。LCD12864液晶用來(lái)顯示用戶對(duì)配兌裝置設(shè)定的比例、用量等數(shù)值，實(shí)時(shí)顯示農(nóng)藥的配兌狀況，方便使用者對(duì)裝置及時(shí)掌握控制。

2.5 鍵盤輸入

鍵盤由四個(gè)二極管、兩個(gè)電阻組成（如圖4），采用兩個(gè)IO口進(jìn)行控制，構(gòu)成六個(gè)按鍵的鍵盤輸入。六個(gè)按鍵分別為上、下、左、右、確認(rèn)鍵和返回鍵，使用者通過(guò)按鍵，對(duì)配兌裝置進(jìn)行設(shè)定。

3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)基本的類型：數(shù)據(jù)處理和過(guò)程控制。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳遞以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等。過(guò)程控制主要指單片機(jī)根據(jù)一定的算法實(shí)行計(jì)算，計(jì)算后輸出，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把整個(gè)控制分解成很多個(gè)部分，每個(gè)小的部分叫作一個(gè)控制模塊，整個(gè)系統(tǒng)由主控程序模塊、顯示程序模塊、鍵盤掃描程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制程序模塊、檢測(cè)程序模塊、警報(bào)程序模塊等構(gòu)成（如圖5）。

4 結(jié) 論

本文主要闡述了利用MSP430系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)藥自動(dòng)配兌和噴灑的控制，通過(guò)進(jìn)行多次試驗(yàn)，該裝置操作簡(jiǎn)便，配比精準(zhǔn)，實(shí)用性強(qiáng)，解決了傳統(tǒng)手動(dòng)配比農(nóng)藥的不足，優(yōu)化了配比過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了多比例，快速度，高精度，寬領(lǐng)域的配兌操作。但在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥配兌過(guò)程中要完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、精準(zhǔn)化，還存在困難。其一，使用者在配兌前仍需手動(dòng)將農(nóng)藥瓶裝上配兌裝置，同時(shí)，多瓶農(nóng)藥以及操作裝置同時(shí)裝載到配兌裝置上，難免會(huì)加重整個(gè)噴灑系統(tǒng)的重量；其二，由于農(nóng)藥的采集都是微量的，但現(xiàn)在的電機(jī)和流量傳感器對(duì)微小流量的采集和檢測(cè)都存在局限性，而超高精度的電機(jī)和流量傳感器的價(jià)格十分昂貴，且難以獲得。雖然存在這些制約因素，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展的現(xiàn)代，能帶給廣大農(nóng)民用戶極大地便利，同時(shí)該自動(dòng)配兌裝置對(duì)農(nóng)藥的科學(xué)有效使用有著非常廣泛的研究?jī)r(jià)值。

[1]顧中言,許小龍,韓麗娟.我國(guó)農(nóng)藥應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和需解決的關(guān)鍵問(wèn)題[J].江蘇農(nóng)藥,2001,(2):9-10.

[2]孫言峰.高效低毒農(nóng)藥的配制及注意事項(xiàng)[J].科學(xué)種養(yǎng), 2011,(7):7.

[3]王沖,陳榮.基于SOP單片機(jī)的農(nóng)藥濃度快速檢測(cè)裝置研制[J].安徽農(nóng)藥科學(xué),2011,39(29):18274-18275.

[4]游艷艷.談農(nóng)藥配制使用的工藝方法[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,(1):290.

[5]張國(guó)斌.農(nóng)藥配制濃度簡(jiǎn)易公式[J].新農(nóng)業(yè),1981,(4):25.