袁文鳳

(周口職業(yè)技術(shù)學院，河南 周口 466000)

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)種植過程逐漸由原來的小面積作業(yè)模式向大面積密集型發(fā)展，尤其是果樹種植。在此背景下傳統(tǒng)作業(yè)方式已經(jīng)無法滿足實際需求，因此需要對作業(yè)模式進行變革。果樹種植過程中需要對其進行噴霧處理，降低病蟲害對果樹的影響。當前果樹種植面積不斷擴大，傳統(tǒng)人為噴霧方式已經(jīng)無法滿足需求，需要通過自動化方式提升噴霧效率。在自動化噴霧過程中，需要對現(xiàn)代果樹種植模式進行分析，采用相應(yīng)控制系統(tǒng)，結(jié)合實際需求設(shè)置相應(yīng)的自動化功能。為此，研制了一種基于單片機的果樹施肥噴霧控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對噴霧位置的自動調(diào)節(jié)，在保證噴霧質(zhì)量基礎(chǔ)上提升噴霧效率，克服傳統(tǒng)噴霧方式存在的弊端，促進我國果樹種植進一步發(fā)展。

1 設(shè)計方案

設(shè)計針對當前較為常見的果樹種植地形，結(jié)合果樹種植地需求進行彷形設(shè)計，通過自動控制變更噴霧桿形狀，在特定情況下做出特定動作。同時，在明確系統(tǒng)要求下，確定系統(tǒng)方案，結(jié)合自動控制需求保證機械結(jié)構(gòu)各個部分的靈活性和應(yīng)變性。在以上設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合機械自由度要求設(shè)計出如圖1所示方案。

圖1 噴霧裝置總設(shè)計圖Fig.1 Spray device design

噴霧裝置主要包括底盤、支柱、機械臂及噴頭裝置。其中，底盤作用是支撐，配備移動裝置可實現(xiàn)在果樹種植區(qū)域內(nèi)移動；支柱可實現(xiàn)上下升降，通過支柱控制整個機械結(jié)構(gòu)的升降，便于控制其對不同高度的果樹進行噴霧。機械臂中間通過可旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)連接，在實際運轉(zhuǎn)過程中可根據(jù)需要噴霧的范圍及形狀自由變換器形狀，該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)一字型噴霧，也可實現(xiàn)人字形、圓形、橢圓等多個形狀。該裝置含有多個噴頭，且其與外界交互主要通過傳感器實現(xiàn)。

機械臂自由伸縮主要通過液壓缸實現(xiàn)，在實際噴霧過程中可通過模擬果樹形狀進行噴霧，并通過液壓缸控制機械臂轉(zhuǎn)動，形成果樹形狀，在此基礎(chǔ)上便可進行快速、高效的噴霧。方形噴霧過程簡圖如圖2所示。

圖2 噴霧過程簡圖Fig.2 Schematic diagram of spray process

在對大型果樹的噴霧過程中，可采用該仿行機構(gòu)結(jié)合果樹形狀進行仿真。以包裹形式將果樹包裹在其內(nèi)部進行噴霧，該種施肥方式不僅可實現(xiàn)對果樹360°范圍噴霧，還可提高肥料利用率。

本文采用單片機控制技術(shù)，對機械臂面對果樹時的仿形過程進行分析，以單片機作為控制中心，控制信號的輸入輸出，合理控制果樹仿形機構(gòu)形狀及使控制機構(gòu)與果樹間保持適當距離。

信息收集主要通過傳感器實現(xiàn)，通過傳感器結(jié)合單片機形成整個機構(gòu)的控制系統(tǒng)；單片機主要將信息輸出至機械臂中的液壓系統(tǒng)，控制液壓系統(tǒng)壓力實現(xiàn)對機械臂伸縮控制，實現(xiàn)機械臂的仿形過程，如圖3所示。

圖3 仿形系統(tǒng)控制過程Fig.3 Control process of copying system

2 液壓缸參數(shù)設(shè)置

2.1 底座部分液壓缸參數(shù)

結(jié)合實際需求，設(shè)置本機構(gòu)質(zhì)量為20kN，在進行底座部分設(shè)計時應(yīng)保證該結(jié)構(gòu)可承載該重量，并且保留有20%的余量，因此設(shè)置本文的液壓缸時設(shè)計其承重為F=20×(1+20%)=24kN。

在實際設(shè)計中，其底座部分主要由一個液壓裝置承載所有重力，其值為F1=F=24kN。

在此基礎(chǔ)上可計算液壓缸輸出力大小，即

F2=F1/(ηiΨ)

式中F2—液壓缸輸出力大?。?/p>

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負載率，取0.65。

則在以上基礎(chǔ)上可計算出液壓缸輸出力大小41.03kN。

2.2 支架部分液壓缸參數(shù)

本設(shè)計支架部分重量為10kN，且該部分在升降過程中保持平穩(wěn)，其速度較慢，因此設(shè)定其慣性載荷不變。其公稱壓力表示為P=10MPa。

則該部分的輸出壓力可表示為

F4=F3/(ηiΨ)

式中F4—支架部分液壓缸輸出壓力;

F3—支架部分重量；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負載率，取0.65。

在此基礎(chǔ)上，可計算得出輸出壓力為17.09kN。

2.3 噴桿仿形液壓缸設(shè)計

本文設(shè)計的支架部分重量為7kN，且該部分在升降過程中保持平穩(wěn)，其速度較慢，因此設(shè)定其慣性載荷不變。其公稱壓力表示為P=10MPa。

則該部分的輸出壓力可表示為

F6=F5/(ηiΨ)

式中F6—噴桿仿形部分液壓缸輸出壓力;

F5—噴桿部分質(zhì)重量；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負載率，取0.65。

則在此基礎(chǔ)上可計算得出輸出壓力為11.97kN。

3 仿形機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的仿形噴霧系統(tǒng)在傳統(tǒng)噴霧裝置基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，加入了自動化控制系統(tǒng)，并可根據(jù)果樹分布情況以及單棵果樹形狀進行仿形，因此需要該結(jié)構(gòu)具有較為完善的控制系統(tǒng)。前文已經(jīng)針對液壓缸部分進行設(shè)計，本部分展開控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計。

機構(gòu)在運行過程中的各種形狀及機械臂位置主要通過液壓缸控制來實現(xiàn)，對單個液壓缸而言，其運動范圍將決定其所控制機構(gòu)的運動空間大小，因此整個仿形機構(gòu)位置由所有液壓缸共同控制完成。在需要做出相應(yīng)動作時，所有液壓缸機構(gòu)便會完成自己相應(yīng)動作，其活塞連桿便會到達相應(yīng)位置；一旦完成其自身空間動作后便會停止動作，直至下個動作命令出現(xiàn)再次執(zhí)行相應(yīng)動作。機構(gòu)液壓缸位置控制原理如圖4所示。

圖4 機構(gòu)液壓缸位置控制原理Fig.4 Position control principle of hydraulic cylinder

在進行液壓機構(gòu)運動程度控制時，主要通過光電感應(yīng)設(shè)備感受活塞連桿的運動位置，如需要活塞連桿運動至如圖開關(guān)1位置，光電開關(guān)1發(fā)出光電信號遇到活塞連桿后將信號反射回來，檢測信號強度；而光電開關(guān)2以及光電開關(guān)3均發(fā)射的信號已經(jīng)被信號吸收板吸收，無法反射回去。當連桿上部分與光電開關(guān)1發(fā)生的光電信號持平時，其信號將會被逐漸被信號吸收板所吸收，在此基礎(chǔ)上控制中心將立刻接收不到光電開關(guān)1發(fā)出的信號，機構(gòu)便會立即停止運行。通過多個液壓裝置共同控制仿形機構(gòu)，以此實現(xiàn)機械臂在到達相應(yīng)位置。

單片機選擇?；谝陨峡刂葡到y(tǒng)要求，選擇的單片機必須具備較強可靠性，在功能性、反應(yīng)速度、智能性等方面均需具備較高水平。考慮到單片機用于控制噴霧系統(tǒng)，則必須具備一定性價比。因此，首選STC系列單片機，綜合對比多款單片機最終選擇STC12C5A08S2型號單片機作為控制系統(tǒng)的控制芯片。該款單片機如圖5所示。

圖5 STC12C5A08S2型號單片F(xiàn)ig.5 STC12C5A08S2 model single

STC12C5A08S2型號單片機具備仿形噴霧結(jié)構(gòu)所需的多種特點，該種單片機性能優(yōu)越，且反應(yīng)速度快、處理數(shù)據(jù)能力強，具有一定性價比。本仿形機構(gòu)的最小系統(tǒng)主要由STC12C5A08S2型號單片機、時鐘電路及復位電路幾個部分組成，通過該最小系統(tǒng)便可執(zhí)行相應(yīng)動作。本結(jié)構(gòu)最小系統(tǒng)較為復雜，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 最小系統(tǒng)Fig.6 Minimum system

時鐘電路屬于一種信號裝置，主要作用是在系統(tǒng)工作時產(chǎn)生時鐘信號，促進整個系統(tǒng)按照一定次序展開工作。為保證時鐘電路充分發(fā)揮作用，在設(shè)計時盡量讓單片機與時鐘電路靠在一起，保證時鐘電路為單片機提供準確的時鐘信號。

復位電路主要是對電路進行清零處理，即讓所有電路都回到起始狀態(tài)，通過復位電路可促使機械結(jié)構(gòu)恢復其最初形狀。

在以上各分電路支持下便組成控制整個機構(gòu)的硬件系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)較為簡潔，且在實際設(shè)計過程中不會占據(jù)較大空間，僅僅通過幾塊PCB電路板便可實現(xiàn)。該種結(jié)構(gòu)便于維護保養(yǎng)，在出現(xiàn)故障時可及時發(fā)現(xiàn)問題所在，恢復系統(tǒng)性能。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件系統(tǒng)便可實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

3.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要用于控制仿形系統(tǒng)在相應(yīng)位置實現(xiàn)相應(yīng)功能。上位機部分主要采用LABVIEW判斷仿形機構(gòu)機械臂位置并將相應(yīng)信息傳輸至單片機，通過單片機控制中心對其進行控制。

光電結(jié)構(gòu)的發(fā)出和接收的光電信號需要進行處理，以此控制液壓缸結(jié)構(gòu)，信號處理均通過控制中心實現(xiàn)。在接收和傳輸過程中，以光電信號作為基本介質(zhì)，結(jié)構(gòu)中的電機及電磁閥均通過光電信號進行控制。

仿形機構(gòu)工作流程如圖7所示。

圖7 仿形機構(gòu)工作流程Fig.7 Flow chart of profiling mechanism

該機構(gòu)工作過程中，首先需要對其程序進行初始化處理，恢復各項參數(shù)，避免出現(xiàn)遺留數(shù)據(jù)對系統(tǒng)工作造成的影響。

系統(tǒng)正式工作后，需通過傳感器判斷果樹位置，并將收集到的圖像信息傳遞至單片機處理中心，將運動信息傳遞出來，控制仿形機構(gòu)進行仿形動作。在仿形過程中，主要通過光線信號控制各個機械臂自身動作，在整個機構(gòu)的配合下實現(xiàn)機構(gòu)仿形過程；仿形結(jié)束后，便可進行噴霧作業(yè)，在噴霧完成后便恢復至初始狀態(tài)，機構(gòu)通過底盤部分的移動裝置移至下一個噴霧地點，循環(huán)往復直至完成所有噴霧作業(yè)。

實際設(shè)計中以C語言作為編程語言，結(jié)合單片機展開作業(yè)，整個編程較為復雜，本處僅以最基本信號展示方式作為研究對象進行闡述。通過N0、N1以及N2分別表示不同顯示功能，兩兩自由組合一共可得出8種組合方式；結(jié)合相應(yīng)指令及各式進行圖像顯示過程控制，通過3種組合可實現(xiàn)常見邏輯表示方式，如表1所示。

表1 顯示設(shè)置及組合邏輯

圖8 仿形噴霧操作實效圖Fig.8 Effect of profile spray operation

通過以上硬件及軟件便可實現(xiàn)對整個結(jié)構(gòu)的控制，對其展試驗發(fā)現(xiàn)該機構(gòu)可噴淋95%以上面積，符合噴霧需求，可用于實際生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1)對傳統(tǒng)噴霧機構(gòu)進行改進，對果樹進行仿形，并通過單片機作為控制中心芯片，設(shè)置多自由度機械臂，可展開多種姿勢，實現(xiàn)對果樹的有效仿形。通過光電信號作為命令傳輸結(jié)構(gòu)，并在實際傳輸中通過液壓傳動裝置控制機械臂運動，可實現(xiàn)多種動作。

2)在設(shè)計中確定底座、支架、噴桿部分液壓裝置的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合實際需求，硬件系統(tǒng)選擇STC12C5A08S2型號單片機作為控制系統(tǒng)的控制芯片，通過C語言作為編程語言，結(jié)合單片機展開作業(yè)，按照設(shè)定的流程進行編程，最終通過試驗確定本結(jié)構(gòu)具有一定可行性。

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