陳思欣，何家成，何培祥

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400716)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國平均每公頃土地的化肥施用量高達(dá)434.3kg，是化肥使用上限的1.93倍。長期施用化肥在促進(jìn)糧食增產(chǎn)的同時，也給土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)[1]。研究指出，合理利用有機(jī)肥料能夠在確保農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時，對提高土壤環(huán)境質(zhì)量有積極作用[1-3]。

為了普及有機(jī)肥的使用，我國科研機(jī)構(gòu)自主研發(fā)以拖拉機(jī)為動力平臺的施肥作業(yè)機(jī)，如針對玉米的2BMF-4C型[4]、2BML-2(Z)型[5]玉米免耕施肥機(jī)及針對小麥的2BMF-6型[4]、2BMD-12型[6]免耕施肥機(jī)。通過配合拖拉機(jī)，施肥機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積耕地的高效作業(yè)[7]。我國西南地區(qū)耕地主要以山地丘陵為地貌特征，以小農(nóng)經(jīng)濟(jì)為經(jīng)營模式的分散的小面積耕地。因此，小型的作業(yè)機(jī)具更適用。為此，設(shè)計了一款小型固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)。

有機(jī)肥施肥作業(yè)過程中，為了達(dá)到保護(hù)土壤環(huán)境及資源的合理利用的目標(biāo)，必須控制施肥量[8]，所以在機(jī)具通過人力輔助行走時，施肥量必須為定值。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

小型固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)主要由機(jī)架、肥料箱、排肥機(jī)構(gòu)、同步帶組、電機(jī)、行走速度檢測器、排肥量設(shè)定旋鈕及控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。工作時，電機(jī)通過同步帶組帶動排肥機(jī)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)行排肥；控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前施肥機(jī)的行走速度與設(shè)定的施肥量計算當(dāng)前電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速，依據(jù)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的電壓從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到計算值，以達(dá)到施肥機(jī)的施肥量只與設(shè)定值有關(guān)，與行走速度無關(guān)的目的。

1.控制開關(guān) 2.施肥量設(shè)定旋鈕 3.機(jī)架 4.排肥機(jī)構(gòu) 5.肥料箱 6.車輪及車輪轉(zhuǎn)速檢測裝置 7.同步帶組 8.電機(jī)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 車輪轉(zhuǎn)速檢測裝置設(shè)計

車輪轉(zhuǎn)速檢測裝置包括霍爾傳感器、磁鐵及磁鐵固定盤，如圖2所示。磁鐵固定盤通過螺栓與車輪固定，磁鐵安裝在磁鐵固定盤的小孔中?；魻杺鞲衅髋c機(jī)架固定，當(dāng)霍爾傳感器檢測到周邊存在較強(qiáng)的磁場強(qiáng)度時輸出低電平，否則輸出高電平。施肥機(jī)工作時，磁鐵固定盤隨著車輪一起轉(zhuǎn)動，機(jī)架相對于輪軸的位置不變。因此，每當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)到霍爾傳感器正前方時，霍爾傳感器輸出低電平；霍爾傳感器位于2個磁鐵之間時，輸出高電平。控制器通過檢測兩個電平變化之間的時間，再結(jié)合施肥機(jī)的機(jī)械參數(shù)即可計算出當(dāng)前的車輪轉(zhuǎn)速。施肥機(jī)的行走速度與霍爾傳感器輸出的信號之間的關(guān)系為

(1)

式中v—施肥機(jī)的行走速度；

d—車輪直徑；

N—磁鐵個數(shù)；

t—霍爾傳感器輸出兩個上升沿的時間。

根據(jù)人的行走速度、施肥機(jī)車輪尺寸再結(jié)合式(1)，最終確定在磁鐵固定盤上安裝12個磁鐵，即車輪每轉(zhuǎn)過30°，霍爾傳感器輸出信號就由高變低一次。

1.機(jī)架 2.霍爾傳感器 3. 磁鐵固定盤 4.螺栓 5.磁鐵

2.2 排肥器的設(shè)計

排肥器包括同步帶組、承肥帶、傳動輪、電機(jī)，以及張緊器，如圖3所示。其中，傳動帶位于肥料箱底部并作為肥料箱的底板。刮肥板安裝在承肥帶上，并由螺絲固定，當(dāng)承肥帶轉(zhuǎn)動由傳動輪帶動時，刮肥板也隨著承肥帶轉(zhuǎn)動。肥料導(dǎo)入肥料箱后，實(shí)際是落在了承肥帶上，刮肥板就把承肥帶上的肥料分成了許多小格。隨著承肥帶轉(zhuǎn)動，肥料在到達(dá)承肥帶底面時就會在重力的作用下脫離。

排肥器的實(shí)時排肥量由車輪轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)的單位施肥量這兩個因素決定，每畝施肥量則可換算施肥機(jī)的為每米施肥量，因此排肥器的排肥量和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系就極為重要。設(shè)承肥帶的寬度為b、刮肥板高度為h、刮肥板間距為sg、肥料的密度為ρ，那么每個小格可存放的肥料質(zhì)量mg為

mg=ρ·hbsg

(2)

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與傳動輪半徑可以計算出單位時間內(nèi)承肥帶轉(zhuǎn)過的距離之間的關(guān)系，即

(3)

式中s—單位時間內(nèi)承肥帶轉(zhuǎn)過的距離；

n—電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；

r—傳動輪直徑。

單位時間內(nèi)排出肥料的質(zhì)量為

(4)

式中M—單位時間內(nèi)排出肥料的質(zhì)量。

將式(2)與式(3)代入式(4)即可得到單位時間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與排肥機(jī)構(gòu)排肥量之間的關(guān)系為

(5)

1.張緊器 2.機(jī)架 3.排肥機(jī)構(gòu) 4.同步帶組 5.電機(jī) 6.刮板 7.傳動輪

3 硬件電路設(shè)計

3.1 電路框圖

電路框圖如圖4所示。硬件電路主要完成的信號采集工作為：采集車輪轉(zhuǎn)速，采集設(shè)定的施肥量，采集電池電壓，檢測工作開關(guān)。電路需要控制的變量為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制排肥速度，報警指示燈的工作狀態(tài)。

3.2 電路原理圖

圖5為電路原理圖。由圖5可知：本電路需要單片機(jī)I/O口的個數(shù)較少，對單片機(jī)的運(yùn)算速度要求不高，因此采用了美國mircochip公司的PIC18F13K22；其最大工作頻率為64MHz，具有12路精度為10位的A/D轉(zhuǎn)換通道，4個定時器模塊，1個捕捉模塊。

圖4 電路框圖

考慮到施肥機(jī)的功率較小，其電機(jī)的工作電流最大約為5A，因此采用了美國TI公司的DRV8432。該芯片集電機(jī)驅(qū)動的H橋與柵極驅(qū)動為一體，可驅(qū)動兩路電機(jī)，將輸出端并聯(lián)后其最大工作電流為14A，允許峰值工作電流為24A，并帶有過流保護(hù)功能。單片機(jī)只需要輸出正反轉(zhuǎn)指令以及用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號給DRV8432即可。使用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動電路與采用4個IGBT搭建的H橋電路相比，采用該芯片后有效地簡化了整個電路的復(fù)雜性，同時提高了電路的可靠性，縮小了硬件電路的體積。

圖5 電路原理圖

4 軟件設(shè)計

4.1 主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖6所示。其主要功能為：單片機(jī)內(nèi)的各個模塊進(jìn)行初始化、電池低電壓報警，以及在檢測到工作開關(guān)按下后調(diào)用施肥子程序。

圖6 主程序流程圖

在對單片機(jī)內(nèi)各個功能模塊進(jìn)行初始化后，檢測電池電壓，如果電池電壓過低則進(jìn)入報警程序。當(dāng)電池電壓正常時，檢測工作開關(guān)是處于閉合狀態(tài)，如果為未按下則返回檢測電池電壓，如果按下則調(diào)用施肥子程序。

4.2 施肥子程序設(shè)計

施肥子程序流程圖如圖7所示。該程序的主要功能：由檢測車輪轉(zhuǎn)速經(jīng)運(yùn)算后控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及施肥機(jī)行走速度過快報警。

程序檢測到車輪的轉(zhuǎn)速后，先進(jìn)行轉(zhuǎn)速是否過快判斷，以確保計算出來的電機(jī)轉(zhuǎn)速是在電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速內(nèi)；當(dāng)檢測到施肥機(jī)行走速度過快時，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動并進(jìn)行報警。如果強(qiáng)行在施肥機(jī)行走速度過快時進(jìn)行施肥，會導(dǎo)致實(shí)際施肥量無法達(dá)到設(shè)定施肥量的情況發(fā)生，且已施肥量無法確定。因此，當(dāng)施肥機(jī)行走速度過快時，立即停轉(zhuǎn)并進(jìn)行報警。當(dāng)檢測到施肥機(jī)行走速度正常時，首先由檢測到的轉(zhuǎn)速計算出電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速，其次再根據(jù)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速計算出需要脈寬調(diào)制的占空比并輸出相應(yīng)的電壓。最后，由于改變電壓以后電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要一定的響應(yīng)時間，因此延時一小段時間后再回到主程序。

圖7 施肥子程序流程圖

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

為了測試該施肥機(jī)的實(shí)際工作性能，在西南大學(xué)的試驗(yàn)田對該機(jī)的施肥精度進(jìn)行了試驗(yàn)。施肥機(jī)撒施的肥料為雞糞酒糟有機(jī)肥。試驗(yàn)時，施肥機(jī)施肥量設(shè)置為4檔，分別為150、650、1 150、1 650kg/hm2；行走速度分別為V1、V2和V33檔，V1為勻速0.70m/s，V2為勻速1.2m/s，V3為變速(0～1.5m/s)。由于該施肥機(jī)由人工推動行走。因此，為了保證V1、V2為勻速運(yùn)動，操作人員跟隨一個參考小車行走，該參考小車的速度可由人工進(jìn)行設(shè)置；V3則為操作人員隨意推動行走。

5.2 施肥精度測試

在進(jìn)行施肥精度試驗(yàn)時，在不同施肥量的檔位下分別用V1、V2、V3進(jìn)行施肥，并對施肥機(jī)施100m的實(shí)際施肥量進(jìn)行記錄，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出：在不同設(shè)置施肥量下，施肥機(jī)實(shí)際施肥量稍低于理論施肥量，但其誤差皆在4%以內(nèi)，施肥精度高；并且在不同行走速度下，施肥機(jī)實(shí)際施肥量的差異甚小，從而驗(yàn)證了理論上的施肥量與行走速度無關(guān)。

表1 施肥量精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

1)本固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)能夠在不同的行走速度下，根據(jù)所設(shè)定的施肥量進(jìn)行施肥作業(yè)，施肥量只與設(shè)定值有關(guān)，與行走速度無關(guān)。

2) 本施肥機(jī)實(shí)際施肥量與理論施肥量的誤差控制在4%以內(nèi)，精度較高，滿足實(shí)際使用需求。