李 洋

(河北科技大學(xué)(承德油專校區(qū))機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

傳統(tǒng)搖臂噴頭裝置噴頭仰角不能調(diào)節(jié)，其通過水流沖擊產(chǎn)生動(dòng)力帶動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)，不但需較大水壓，而且噴灌范圍隨水壓變化難以精確控制，一般僅適用于灌溉圓形草坪。當(dāng)噴灌非圓形狀草坪時(shí)，不能有效灌溉草坪邊角，且極易噴射到草坪外，造成水資源浪費(fèi)。本文所述基于單片機(jī)控制的新型噴灌裝置，通過MCS-51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)噴頭的旋轉(zhuǎn)速度和俯仰角度進(jìn)行控制，使水流精確噴射圓形和非圓形狀草坪，克服了傳統(tǒng)搖臂噴頭裝置灌溉圖形的局限性和水利用率低的缺點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1示，能實(shí)現(xiàn)搖臂1繞固定支架11的整周轉(zhuǎn)動(dòng)和繞A處的俯仰擺動(dòng)。

機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括齒輪傳動(dòng)和平行四邊形機(jī)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)中，大齒輪6固聯(lián)在固定支架11上，小齒輪8為行星齒輪，控制旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)9帶動(dòng)小齒輪8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可動(dòng)支架4繞固定支架11同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)搖臂1及與其固聯(lián)的位于搖臂1端部的主噴頭2、副噴頭組3繞固定支架11的整周轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。平行四邊形機(jī)構(gòu)ABCD中，主動(dòng)件搖桿CD的上下擺動(dòng)由控制俯仰步進(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn);再通過連桿BC帶動(dòng)AB桿(即搖臂1)同步上下擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)主噴頭2及副噴頭組3繞A處的俯仰擺動(dòng)。

1.2 電氣控制結(jié)構(gòu)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

電路部分由MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)和兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成，如圖2所示。左側(cè)部分為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，其結(jié)構(gòu)包括CPU、片內(nèi)振蕩器、時(shí)鐘電路、程序存儲(chǔ)器等，單片機(jī)的P1和P3接口分別接入驅(qū)動(dòng)器電路，然后連接到步進(jìn)電機(jī)端口。

1.2.2 程序設(shè)計(jì)

裝置控制部分程序思路為:單片機(jī)的P0口和P3口對(duì)應(yīng)輸出定義執(zhí)行數(shù)組，將旋轉(zhuǎn)和俯仰的函數(shù)程序轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)后輸出到驅(qū)動(dòng)電路，使得驅(qū)動(dòng)芯片輸出規(guī)律的電壓和電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行旋轉(zhuǎn)和俯仰的命令完成機(jī)械動(dòng)作。

以噴灌正方形草坪為例，從RS232接口輸入正方形程序，程序框圖如圖3所示。打開電源開關(guān)，程序設(shè)定的脈沖關(guān)系轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)后控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，配合完成精確噴灌正方形草坪的動(dòng)作。同理，從RS232接口輸入不同的程序，通過搖臂的俯仰和旋轉(zhuǎn)的機(jī)械動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)其它形狀草坪的精確噴灌。

為避免水管和線路的纏繞問題，程序進(jìn)行了防纏繞設(shè)計(jì)，使控制旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)繞輪盤的轉(zhuǎn)動(dòng)每360°變換一次方向，且在這360°的運(yùn)行中元件箱勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 裝置效果模擬

該設(shè)計(jì)的模擬裝置主要部件包括太陽能電池板、元件箱、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴頭、底座等，如圖4所示。連接部位主要采用螺紋連接和固熔膠固定。齒輪模數(shù)取0.5。由于承德市緯度為41°，太陽能電池板傾角設(shè)置為61°，以確保足夠的平均受光功率。太陽能電池板電源引線連接鋰電池后接入MCS-51單片機(jī)最小系統(tǒng)電源接孔。

副噴頭組在主噴頭下方同一豎直平面內(nèi)排列成一列，其位置和角度經(jīng)過多次調(diào)試，最終定位后達(dá)到主噴頭和副噴頭組水流從草坪邊界向里均勻分布無重疊的效果?？紤]裝置外觀對(duì)環(huán)境美觀帶來的影響，改進(jìn)時(shí)元件箱外觀將采用與景觀相搭配的卡通型(海豚造型)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)測(cè)效果模擬

為了檢驗(yàn)實(shí)際效果，進(jìn)行了多次噴灑測(cè)試，噴灌了60 cm×60 cm的正方形，得到的噴灌實(shí)景如圖5所示。測(cè)得主噴頭水流落點(diǎn)的實(shí)際偏差為0～3 cm，在四個(gè)頂點(diǎn)處有較小的圓角。同時(shí)進(jìn)行了其他圖形的擴(kuò)展測(cè)試。以正六邊形為例，經(jīng)RS232接口寫入正六邊形程序，噴灌了邊長(zhǎng)為50 cm的正六邊形，效果如圖6所示，測(cè)得主噴頭水流落點(diǎn)的實(shí)際偏差為0～2 cm，在六個(gè)頂點(diǎn)處仍有較小的圓角。

噴灑效果計(jì)算以正方形草坪為例，令噴灑在草坪內(nèi)的面積為有效噴灑面積，有效噴灑面積與總噴灑面積的比值為水的利用效率。按最大實(shí)際偏差估算，水的利用效率為91.3%，而普通搖臂噴頭裝置在噴灑相同形狀草坪時(shí)，水的利用效率為80%左右，因此，該裝置水的利用率明顯提高，達(dá)到預(yù)期效果，基本實(shí)現(xiàn)了精確噴灌多種形狀草坪的的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

該裝置不僅能實(shí)現(xiàn)精確噴灌方形草坪，改變程序后還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀草坪的精確噴灌。多個(gè)裝置組合使用，適用范圍更廣。同時(shí)，裝置采用太陽能供電，節(jié)能且節(jié)水，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

［1］嚴(yán)海軍，劉竹青，王福星，等.國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(12):77－80.

［2］孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］馮文旭.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］王炳忠，申彥波.從資源角度對(duì)太陽能裝置最佳傾角的討論［J］.太陽能，2010(7):17－20.