陳志剛，夏鄭偉，王鵬程，杜彥生

（1.江蘇大學(xué) 京江學(xué)院；2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；3.江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，噴霧施藥是控制苗圃、果園病蟲草害行之有效的方法［1］?；焖幙刂葡到y(tǒng)作為施藥控制系統(tǒng)的核心之一，在施藥過程中起著十分重要的作用［2-3］。傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑過程中，農(nóng)藥混合和攪拌都是在噴灑之前進(jìn)行［4-6］。混藥過程中人需要與農(nóng)藥接觸，對操作者有一定毒害危險(xiǎn)，且混藥量很難掌握，混藥比精度低，多余的農(nóng)藥會造成環(huán)境污染和浪費(fèi)［7-9］。為解決以上問題，在線自動混藥技術(shù)研究提上日程［10-12］。在線混藥系統(tǒng)將藥、水獨(dú)立放置，在施藥作業(yè)時自動混藥且對混藥比進(jìn)行控制，能夠因地制宜，提高農(nóng)藥的使用效率、減少環(huán)境污染和作物農(nóng)藥殘留問題，是構(gòu)建綠色、環(huán)保生態(tài)環(huán)境的有效手段［13-15］。孫竹等［16］設(shè)計(jì)一種微小型注入式直流混藥器并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該裝置采用直流變頻技術(shù)控制混藥泵流量，適用于柱塞泵噴霧機(jī)，但未考慮變量噴霧機(jī)使用情況，且未說明混藥比調(diào)節(jié)范圍；袁琦堡等［17］對實(shí)時混藥噴霧系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過改變控制信號的脈沖頻率調(diào)整精量柱塞泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制供藥量目的，但其控制精度主要取決于柱塞泵精度，存在一定局限性。

本文設(shè)計(jì)一種可用于變量噴霧機(jī)的實(shí)時混藥系統(tǒng)，通過液位傳感器獲取緩沖罐液位信息，并據(jù)此控制混藥量，在滿足變量噴霧機(jī)農(nóng)藥使用的同時節(jié)約農(nóng)藥；通過試驗(yàn)得出混藥系統(tǒng)實(shí)際工作時PWM 信號占空比與藥液流量的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)該模型設(shè)計(jì)控制算法，采用PI 控制器對PWM信號的占空比進(jìn)行反饋控制，使PWM 信號對藥液流量的調(diào)節(jié)更加快速準(zhǔn)確，彌補(bǔ)了相關(guān)研究的不足；通過流量傳感器對水流量進(jìn)行檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)混藥比的精確控制，混藥比調(diào)節(jié)范圍廣。

1 實(shí)時混藥系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

實(shí)時混藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由供水、供藥、混藥和控制4 部分組成。其中，供水部分包括水箱和隔膜泵，供藥部分包括藥劑罐和蠕動泵，混藥部分包括混藥器、空心錐形噴嘴和緩沖罐，控制部分包括基于STM32F407ZET6的嵌入式控制器、流量計(jì)、第一液位傳感器、第二液位傳感器等檢測元件，以及PWM 驅(qū)動模塊等執(zhí)行元件。系統(tǒng)工作時，水箱中的清水由隔膜泵泵出，經(jīng)流量傳感器進(jìn)入混藥器，混藥器采用文丘里效應(yīng)原理，將蠕動泵泵出的藥液吸入混藥管，清水和藥液在混藥管充分混合后射出，通過空心錐形噴嘴噴灑于緩沖罐中。緩沖罐下方裝有液位傳感器，對混藥量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。緩沖罐經(jīng)水泵與壓力表和變量噴霧機(jī)相連，進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。實(shí)時混藥系統(tǒng)實(shí)物如圖2 所示。

Fig.1 Real-time drug mixing system圖1 實(shí)時混藥系統(tǒng)

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變量噴霧機(jī)實(shí)時混藥控制系統(tǒng)以STM32F407ZET6 單片機(jī)為核心，外部由電源模塊、供水控制模塊、供藥控制模塊、人機(jī)交互模塊、第一液位傳感器和第二液位傳感器組成，其中供水控制模塊包括驅(qū)動電路、隔膜泵和流量傳感器；供藥控制模塊包括PWM 驅(qū)動電路、蠕動泵和電壓反饋電路，系統(tǒng)功能如圖3 所示。

Fig.2 Real-time medicine mixing system圖2 實(shí)時混藥裝置

Fig.3 Composition principle of control system圖3 控制系統(tǒng)組成原理

電源模塊可將直流電源24V 轉(zhuǎn)換為多種低電壓形式輸出，滿足不同元器件供電需求。供水控制模塊通過驅(qū)動電路對單片機(jī)輸出的控制信號加以整形放大，隔膜泵根據(jù)控制指令調(diào)整工作狀態(tài)，并通過流量傳感器對流量進(jìn)行檢測。供藥模塊通過PWM 驅(qū)動電路調(diào)節(jié)蠕動泵內(nèi)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)蠕動泵輸出流量，通過電壓反饋電路對PWM 信號占空比進(jìn)行反饋。人機(jī)交互模塊由觸控顯示屏通過串口與單片機(jī)通信，可通過觸控屏輸入混藥比目標(biāo)值并顯示主要參數(shù)。

1.3 軟件與控制算法設(shè)計(jì)

實(shí)時混藥系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)藥液流量達(dá)到控制混藥比目的，藥液流量通過蠕動泵吸藥精準(zhǔn)控制，蠕動泵由直流電機(jī)驅(qū)動，吸藥量與直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速具有良好的線性關(guān)系［18］，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過改變電機(jī)兩端的驅(qū)動電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)［19］。工作電壓通過脈沖寬度調(diào)制信號的占空比進(jìn)行改變，理想狀態(tài)下，工作電壓值等于信號源電壓與占空比乘積［20］。但在實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動電路的變頻電路和整流電路會存在一定程度損耗，導(dǎo)致實(shí)際輸出的工作電壓與理想值之間存在一定差距。本文通過試驗(yàn)得出混藥系統(tǒng)實(shí)際工作時PWM 信號占空比與藥液流量的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該模型設(shè)計(jì)控制算法，并采用PI 控制器對PWM 信號的占空比進(jìn)行反饋控制，使PWM 信號對藥液流量的調(diào)節(jié)更加快速準(zhǔn)確。

1.3.1 PWM 產(chǎn)生方式

本系統(tǒng)對輸出頻率要求不高，可通過軟件編程方式實(shí)現(xiàn)PWM 信號輸出，PWM 信號中斷程序原理如圖4 所示。

Fig.4 PWM flow of timer interrupt generation圖4 定時器中斷產(chǎn)生PWM 流程

軟件方式產(chǎn)生的PWM 信號可通過單片機(jī)內(nèi)部定時器實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生PWM 信號需同時使用兩個定時器，其中一個控制頻率，另一個控制占空比。根據(jù)占空比計(jì)算公式（1）和（2）可知，定時器產(chǎn)生的中斷基準(zhǔn)時間為單個周期的1%，即每溢出100 次，代表PWM 信號輸出一個完整運(yùn)行周期。故中斷子程序定時器設(shè)置如下：

定時器溢出的前Nt次為高電平輸出，定時器溢出的后100-Nt次為低電平輸出，直至溢出次數(shù)達(dá)100 次。

式中：t0為中斷基準(zhǔn)時間，單位s；T為周期，單位s；f為頻率，單位Hz；r為占空比；Nt為PWM 高電平對應(yīng)溢出次數(shù)；Nd為PWM 低電平對應(yīng)溢出次數(shù)。

為使PWM 信號對電壓的調(diào)節(jié)更加快速準(zhǔn)確，本文采用PI 控制器對PWM 的占空比進(jìn)行反饋控制。PI 控制器表達(dá)式如下：

式中：KP為比例系數(shù)；Ek為模塊本次實(shí)際輸出與控制輸出之間的誤差；Ek-1為模塊上次實(shí)際輸出與控制輸出之間的誤差；Ti為積分時間常數(shù)；T 為系統(tǒng)采樣周期，取100 ms。

由表達(dá)式可以看出，PI 控制算法只需進(jìn)行兩次誤差計(jì)算即可得到合適的PWM 信號占空比輸出值。與相對復(fù)雜的PID 控制算法相比，PI 控制算法使用更加簡單，響應(yīng)速度更快，更加適用于實(shí)時混藥控制系統(tǒng)。

1.3.2 混藥比控制程序設(shè)計(jì)

混藥控制系統(tǒng)啟動后，操作人員可根據(jù)不同的施藥情況通過觸控顯示屏輸入混藥比目標(biāo)值。主控芯片采集流量傳感器發(fā)出的脈沖信號，對提供清水的隔膜泵流量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)混藥比計(jì)算所需蠕動泵流量。通過蠕動泵流量與PWM 信號占空比之間的數(shù)學(xué)模型計(jì)算需要產(chǎn)生的PWM 信號占空比，進(jìn)而生成PWM 調(diào)制信號。通過PI 控制器對PWM 信號進(jìn)行反饋，使PWM 信號的調(diào)節(jié)更加快速準(zhǔn)確。程序流程如圖5 所示。

Fig.5 Flow chart of mixing ratio control program圖5 混藥比控制程序流程

1.3.3 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動后，用戶通過人機(jī)交互模塊輸入混藥比目標(biāo)值。實(shí)時混藥控制系統(tǒng)分別通過第一液位傳感器和第二液位傳感器獲得水箱和緩沖罐的實(shí)時液位。當(dāng)?shù)诙何粋鞲衅鳈z測到緩沖罐內(nèi)的液位低于設(shè)置的最低液位時，通過驅(qū)動電路使隔膜泵開始工作，同時由生成的PWM 調(diào)制信號控制蠕動泵精準(zhǔn)吸藥，向混藥器持續(xù)注入清水和藥液，使緩沖罐內(nèi)液位上升?？刂葡到y(tǒng)通過流量傳感器獲得隔膜泵吸水時的實(shí)時流量，對PWM 信號進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。當(dāng)?shù)诙何粋鞲衅鳈z測到緩沖罐內(nèi)的液位高于設(shè)置的最高液位時停止混藥。在此過程中，車載變量噴霧機(jī)會根據(jù)實(shí)際需求從緩沖罐內(nèi)抽取一定量的藥水混合液，當(dāng)緩沖罐內(nèi)液位低于設(shè)置的最低液位時，隔膜泵和蠕動泵重新啟動，繼續(xù)進(jìn)行混藥，如此循環(huán)。當(dāng)?shù)谝灰何粋鞲衅鳈z測到水箱水位低于警戒水位時，發(fā)出警報(bào)并停止混藥。程序流程如圖6 所示。

Fig.6 System control flow圖6 系統(tǒng)控制流程

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)材料

實(shí)時混藥系統(tǒng)所用水泵為上海新西山公司的DP-70隔膜泵，最大功率150W，額定電壓DC12V，最大流量19L/min，軟管管徑12mm。流量傳感器選用LWGY-MK-DN6型液體渦輪流量計(jì)（杭州米科傳感技術(shù)有限公司），量程為0.1～0.6 m3/h，檢測精度為±2%F.S，電流輸出為4～20mA，工作電壓為直流24V。混藥泵選用潤澤流體RZ1030-4 蠕動泵，采用直流電機(jī)驅(qū)動，額定功率5W，電壓為DC12V，流量140mL/min，軟管管徑3mm。直流穩(wěn)壓電源PS-305DM，可提供0～24V 直流電壓。藥液由水和染色劑按一定比例混合進(jìn)行模擬。清水和藥液質(zhì)量稱量使用精量電子秤，精度為1%。計(jì)時采用秒表，精度為1ms。

2.2 藥液流量試驗(yàn)

在蠕動泵工作電壓0～12V 內(nèi)選取8 個試驗(yàn)電壓，分別為5、6、7、8、9、10、11、12V，通過直流穩(wěn)壓電源給蠕動泵供電。在各工作電壓下分別測量蠕動泵吸藥量，計(jì)時10s，計(jì)算得到蠕動泵工作電壓與吸藥量之間的變化關(guān)系如圖7所示。試驗(yàn)表明，蠕動泵吸藥量也與工作電壓存在著式（4）所示的良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 99。

其中，L為蠕動泵流量，單位mL/min；C為蠕動泵工作電壓，單位V。

為通過調(diào)節(jié)占空比對藥液流量進(jìn)行控制，本文將在不同占空比條件下對蠕動泵進(jìn)行吸藥量試驗(yàn)。選定信號源電壓為12V，PWM 頻率為1 000Hz，逐步改變占空比值，測量蠕動泵吸藥量。試驗(yàn)采用多次測量取平均值方式，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。通過試驗(yàn)測得蠕動泵流量—占空比特性曲線如圖8 所示。

Fig.7 Flow-voltage characteristic curve of peristaltic pump圖7 蠕動泵流量-電壓特性曲線

Fig.8 Characteristic curve of peristaltic pump flow-duty ratio test圖8 蠕動泵流量-占空比試驗(yàn)特性曲線

2.3 藥液流量分析

如圖8 所示，蠕動泵流量與脈寬調(diào)制信號占空比之間的關(guān)系并非標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，當(dāng)占空比在76% 以上時，蠕動泵流量增長速率發(fā)生了變化。雖然蠕動泵的流量與調(diào)制信號占空比之間不再維持線性關(guān)系，但依然保持單調(diào)遞增的趨勢，兩者之間的函數(shù)關(guān)系可表述為連續(xù)函數(shù)。為實(shí)現(xiàn)對蠕動泵流量的精準(zhǔn)控制，需要建立蠕動泵工作時的數(shù)學(xué)模型，求解流量與調(diào)制信號占空比之間的關(guān)系函數(shù)。當(dāng)調(diào)制信號占空比小于76% 時，蠕動泵流量與占空比之間具有良好的線性關(guān)系，而當(dāng)占空比大于76% 時則變?yōu)榉蔷€性關(guān)系，為使數(shù)學(xué)模型更加準(zhǔn)確，這里采用分段函數(shù)進(jìn)行處理。

當(dāng)調(diào)制信號占空比處于48%～76% 之間時，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可得式（5）所示的數(shù)學(xué)模型方程，相關(guān)系數(shù)R2=0.99973。

其中：L為蠕動泵流量，單位mL/min；r為PWM 信號占空比。

當(dāng)調(diào)制信號占空比處于76%～100% 之間時，利用Ori?gin 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，可得式（6）所示的數(shù)學(xué)模型方程，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 33。

其中：L為蠕動泵流量，單位mL/min；r為PWM 信號占空比；A1=-1 187.027 3，t1=2.434 01，A2=-1 435.096 5，t2=21.434 12，y0=165.282 01。擬合曲線如圖9 所示，可以看出均能較好地描述蠕動泵流量與調(diào)制信號占空比之間的關(guān)系。

Fig.9 Fitting curve of peristaltic pump flow-duty ratio圖9 蠕動泵流量—占空比擬合曲線

2.4 混藥比控制試驗(yàn)與分析

根據(jù)蠕動泵流量與PWM 信號占空比關(guān)系的數(shù)學(xué)模型編寫控制算法，使得藥液流量能夠精確控制，進(jìn)而對混藥比進(jìn)行控制。將完成好的實(shí)時混藥系統(tǒng)搭載到南通廣益機(jī)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的3WG-8A 型風(fēng)送式變量噴霧機(jī)上，對實(shí)時混藥系統(tǒng)進(jìn)行混藥比控制試驗(yàn)。由于不同情況下的施藥要求可能會發(fā)生變化，實(shí)時混藥系統(tǒng)需要對混藥比進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)選用的隔膜泵最大流量為19L/min，可實(shí)現(xiàn)混藥比140∶1 到400∶1 之間的實(shí)時調(diào)節(jié)。為了對混藥控制效果進(jìn)行檢驗(yàn)，本文選取混藥比分別為150∶1、200∶1、250∶1、300∶1、350∶1、400∶1 進(jìn)行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)時混藥系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行20s，測量系統(tǒng)運(yùn)行過程中累計(jì)的清水流量和藥液流量，計(jì)算得出混藥系統(tǒng)在該混藥比（累計(jì)清水流量與累計(jì)藥液流量的比值）下的實(shí)際比值。對每個混藥比分別進(jìn)行3 次試驗(yàn)，得到該混藥比的平均誤差，如圖10 所示。

Fig.10 Error of mixing ratio圖10 混藥比誤差

由圖10 可以看出，實(shí)時混藥系統(tǒng)在運(yùn)行時會產(chǎn)生一定誤差，誤差范圍整體小于5%，且隨著混藥比增大誤差也有增大趨勢。這是因?yàn)榛焖幈仍酱?，蠕動泵流量越小，對蠕動泵的精度要求越高?/p>

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以STM32F407ZET6 單片機(jī)為核心的實(shí)時混藥系統(tǒng)，可根據(jù)不同的施藥環(huán)境設(shè)置混藥比，實(shí)現(xiàn)自動混藥。通過流量傳感器對水流量進(jìn)行檢測，PWM 信號對藥液流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用PI 控制器對PWM 信號的占空比進(jìn)行反饋控制，可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)混藥比準(zhǔn)確控制?；焖幈瓤刂圃囼?yàn)表明：設(shè)計(jì)的實(shí)時混藥系統(tǒng)混藥比在140：1 至400：1 之間在線可調(diào)，且控制誤差在5% 以下，能夠滿足大部分施藥需求。

系統(tǒng)能夠根據(jù)緩沖罐內(nèi)的液位情況控制混藥進(jìn)程，液位過低時持續(xù)混藥，液位高于指定位置時停止混藥，使緩沖罐內(nèi)的藥水混合液保持在合理液位，便于配合變量噴霧使用，提高了農(nóng)藥利用率。

將脈寬調(diào)制技術(shù)與PI 控制方法應(yīng)用于在線混藥系統(tǒng)可準(zhǔn)確控制混藥比。但本文只研究了其對混藥比的影響，未研究其對混藥均勻性的影響，后續(xù)將進(jìn)一步研究。