李素璇，高 明，魏東輝，李文哲，孫 睿

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.電氣與信息學(xué)院；b.工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)被國內(nèi)外廣泛關(guān)注并大力推廣，是農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相互結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)，而變量噴霧則是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中重要的組成部分。我國農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，但農(nóng)藥利用率低，植保機械技術(shù)落后，造成農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留量超標(biāo)及環(huán)境污染問題日益嚴重。據(jù)農(nóng)業(yè)部2015年統(tǒng)計，我國水稻、玉米、小麥三大糧食作物農(nóng)藥利用率為36.6%，美國糧食作物農(nóng)藥利用率大體在50%，歐洲主要國家糧食作物農(nóng)藥利用率大體在65%，比中國高出15～30個百分點。我國多數(shù)地區(qū)仍以背負式手動噴霧器作為主要的噴霧植保器械，而歐美等國家多采用噴杠變量防飄噴霧技術(shù)，極大提高了農(nóng)藥的利用率。因此，本文針對我國農(nóng)藥利用率低的問題，設(shè)計出一種穩(wěn)定性高、可靠性強的精準(zhǔn)變量噴霧控制器。

1 精準(zhǔn)變量噴霧控制系統(tǒng)總體設(shè)計

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基本技術(shù)思想如圖1所示。該系統(tǒng)主要由藥箱B、水泵D、二通電磁比例閥P、壓力表M1、流量計F、壓力傳感器M2及精準(zhǔn)變量噴霧控制器PW-1組成，如圖2所示。

試驗時，根據(jù)試驗要求對精準(zhǔn)變量噴霧控制器PW-1進行設(shè)定流量值。啟動水泵D并抽取藥液，通過二通電磁比例閥P進行流量的調(diào)節(jié)，壓力表M1可以實時監(jiān)控管道內(nèi)壓力值是否為額定工作壓力，流量計測實際流量值并將信號反饋給控制器PW-1。藥液從4個噴嘴噴灑后，由于管道作業(yè)時會有壓力的損耗，因此在末端安裝壓力傳感器，將壓力信號反饋回控制器PW-1，可以輔助控制器PW-1調(diào)節(jié)二通電磁比例閥P的開度，使得精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)。該系統(tǒng)工藝流程圖和控制器設(shè)計流程圖如圖3和圖4所示。

圖1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基本技術(shù)思想

圖2 精準(zhǔn)變量噴霧控制系統(tǒng)原理圖

圖3 精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)工藝流程圖

圖4 控制器設(shè)計流程圖

2 精準(zhǔn)變量噴霧控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該控制系統(tǒng)要求運行速度快，可靠性高，穩(wěn)定性強，因此選用擴展性51系列單片機STC12C5A60S2為核心控制元件。該芯片是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,在同樣的晶振下平均指令運算速度是普通51系列單片機的8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,特別適用于針對電機控制、強干擾等場合,滿足于精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)的處理的要求，是一款性能高而且成本低的最優(yōu)芯片選型。圖5為系統(tǒng)設(shè)計方案圖。

2.1 器件的選型

2.1.1 二通電磁比例閥選型

精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)的核心元件是二通電磁比例閥，它可以通過改變節(jié)流口面積的大小來控制閥的流量。本系統(tǒng)采用的是TEEJET 344BRL型二通電磁比例閥，開度從全開到全關(guān)需要6s,最大工作壓力為1MPa,最大工作流量為349L/min，完全符合精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)的要求。

該二通電磁比例閥采用B型調(diào)速電動機和R型比例閥的組合，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。電機外罩可以節(jié)省空間，排除凝結(jié)水;標(biāo)記含完整電機編號和標(biāo)記口期;內(nèi)部減速器采用雙層結(jié)構(gòu)，增加強度，同時維持所有金屬部件永久潤滑;拉伸定位銷可用于取下電機壓頭，允許手動操作或便捷電機更換操作;正負開關(guān)電氣系統(tǒng)內(nèi)置兩只鎖環(huán)扣和平墊圈以確保連接器的密封性能;保險保護閥門和電氣系統(tǒng)，斷開電機電源20s后自動復(fù)位;指示器用于實現(xiàn)位置或操作審查。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計方案圖

1.外罩 2.標(biāo)記 3.內(nèi)部減速器 4.拉仲定位銷 5.正負開關(guān)電氣系統(tǒng) 6.保險 7.指示器圖6 節(jié)流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 流量計選型

流量是精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)的一個重要反饋信號，對于提高系統(tǒng)流量的控制精度至關(guān)重要。系統(tǒng)最大工作流量為200L/min,因此本系統(tǒng)采用TEEJET 801型流量計，其流量測量范圍為50～250L/min，流量計每輸出95個脈沖數(shù)，相對應(yīng)1L的藥液流量。當(dāng)藥液通過流量計時，會沖擊安裝在內(nèi)部的渦輪，產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和藥液阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的范圍內(nèi)，渦輪產(chǎn)生的渦輪角速度與流體流速成正比，而渦輪角速度是通過裝在機殼外的傳感線圈來檢測的；渦輪葉片轉(zhuǎn)動切割磁感線將渦輪的角速度轉(zhuǎn)化為一定頻率的脈沖信號，最終藥液的流量以脈沖頻率的形式表示出來。圖7為精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)流量計。

圖7 脈沖型流量計

2.1.3 壓力傳感器選型

壓力信號是精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)穩(wěn)定作業(yè)的重要信息，噴霧霧滴的大小、飄移和分布質(zhì)量直接影響噴霧的效果。因此，在噴頭噴桿末端，安置壓力傳感器實時監(jiān)測精準(zhǔn)噴霧系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)并進行反饋，以便控制器將噴霧壓力控制在合理的范圍。精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)的額定工作壓力在0～0.7MPa，本系統(tǒng)采用的是北京星儀傳感器技術(shù)有限公司CYYZ11型壓力傳感器。該傳感器屬于壓阻式壓力傳感器，它基于電阻應(yīng)變片和應(yīng)變電橋原理。它的精度高、穩(wěn)定性好，測量壓力(0～1MPa)與輸出電壓(1～5V)具有良好的線性關(guān)系，在實驗時可以通過采集到的電壓值獲得實時的系統(tǒng)壓力。

圖8 壓力傳感器

2.1.4 液位傳感器選型

藥液箱中藥液的余量通過液位傳感器來測量。農(nóng)作物噴霧機控制系統(tǒng)采用SLDTB型號的液位傳感器，其主要技術(shù)參數(shù)如下:量程1.3m，精度0.5% Fs，電壓18～36VDC，輸出4～20mA。其優(yōu)點如下:①可以隨時測量出罐中的各點液位;②直流4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出;③密封性能非常好，保證了測量元件可以不和液肥直接發(fā)生接觸，很好地防止了液肥對元件的腐蝕。投入式液位傳感器如圖9所示。

圖9 投入式液位傳感器

2.2 電路設(shè)計

2.2.1 二通電磁比例閥

系統(tǒng)工作時，為了實現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴霧，需要對流經(jīng)二通電磁比例閥的藥液流量進行實時的控制，改變其閥芯的開度。因為控制信號的引腳輸出功率較小，無法驅(qū)動二通電磁比例閥內(nèi)電機轉(zhuǎn)動，所以二通電磁比例閥驅(qū)動電路選擇H橋電路驅(qū)動閥芯工作。電路中，使用同或門及異或門對控制信號進行更換，從而進一步對閥芯進行控制。

2.2.2 信號采集電路

精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)工作時，利用傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行執(zhí)行相應(yīng)動作。信號采集電路主要是由傳感器與控制線相互連接，完成信息采集傳遞。流量計供電電壓為12VDC，輸出信號為脈沖信號，可以直接通過單片機進行采集。流量傳感器電路原理圖如圖10所示。

壓力傳感器輸出信號為4～20mA電流信號，利用歐姆定律U=RI，在壓力傳感器信號與接地端串聯(lián)一個250Ω精密電路，然后在250Ω兩端采集電壓信號。壓力傳感器輸出信號不作為控制器被控對象進行控制，只對壓力信號進行采集，需要將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸出為0～5VDC。壓力傳感器電路設(shè)計如圖11所示。

圖10 流量傳感器電路原理圖

圖11 壓力傳感器電路原理圖

2.2.3 藥箱液位顯示硬件電路

液位顯示系統(tǒng)選用STC12C5412AD作為處理器，LM2576將12V轉(zhuǎn)化成5V給系統(tǒng)供電，且用單片機的P1.1、P1.2、P1.3等3個引腳與74HC595鎖存器進行連接，達到此系統(tǒng)中所有原件及顯示工能的操作。8個LED燈連接74HC595鎖存器，數(shù)據(jù)通過所有燈的亮滅及數(shù)碼管顯示的存儲箱中液體的容積來進行數(shù)據(jù)分析。圖12是該檢測電路的原理圖。

圖12 液位傳感器檢測電路原理圖

3 精準(zhǔn)變量噴霧控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

精準(zhǔn)變量噴霧控制系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)與設(shè)計在Keil 4中完成。采用模塊化設(shè)計方式，主要包括主程序、初始化程序及定時中斷程序。程序運行時，通過程序初始化進入主循環(huán)，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)、流量計及壓力傳感器的數(shù)據(jù)反饋回系統(tǒng)，對二通電磁比例閥的開度進行控制。系統(tǒng)主程序流程圖如圖13所示。

圖13 主程序流程圖

4 試驗數(shù)據(jù)與分析

4.1 壓力調(diào)節(jié)試驗

搭建了精準(zhǔn)變量噴霧控制的控制回路及藥液管路平臺，進行實驗分析。噴頭采用的是DICKEY-John公司生產(chǎn)的TT11100-XVP系列的TT111006型號廣角扇形噴頭，其在正常的工作壓力時可以達到很好的噴霧飄移控制效果。由于藥液的密度與水相近，因此在試驗臺藥箱中選用水作為測試對象。首先，啟動精準(zhǔn)噴霧控制器，將控制器設(shè)置為手動模式；水泵開始在噴霧管道中注水，待試驗臺中噴頭正常噴霧工作運行時，通過手動調(diào)節(jié)二通電磁比例閥開度，改變管道中的壓力。該試驗主要目的在于以TT111006噴頭的技術(shù)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)系統(tǒng)是否能在誤差極小的情況下正常運行。

4.2 流量調(diào)節(jié)試驗

精準(zhǔn)變量噴霧的重要指標(biāo)是流量的調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)性能影響到整個精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)控制性能及精度。在實際作業(yè)時，基于車速的變化，對應(yīng)的流量也會發(fā)生改變。啟動精準(zhǔn)噴霧控制器后，系統(tǒng)軟件模擬車速，將控制器設(shè)置為自動模式。

5 結(jié)論

精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)在實驗室搭建試驗臺的基礎(chǔ)上，進行了大量的試驗和分析，表明系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性與可靠性。在大量的試驗中，精準(zhǔn)變量噴霧控制器作為控制的核心，體積小，使用操作簡單，性能指標(biāo)基本滿足高精度要求，為日后田間動態(tài)試驗奠定了基礎(chǔ)。

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