田 健，陳愛慧，吳 昊，徐 冬，李 博，于文昌，許驍博，劉 巖

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

黑土地是指擁有黑色或暗黑色腐殖質(zhì)表土層的土地，富含大量有機質(zhì)成份。東北平原是世界三大黑土區(qū)之一。當前，東北黑土地數(shù)量在減少，質(zhì)量在下降，國家高度重視東北黑土地保護，提出了要采取有效措施，保護好這塊珍貴的黑土地。通過增施有機肥、秸稈還田等方式，增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤理化性狀和耕地基礎地力，是保護黑土地的有效措施。有機肥主要分為堆肥、漚肥、廄肥、沼肥、綠肥和泥肥等，東北平原地區(qū)秸稈資源豐富，畜牧養(yǎng)殖集約化程度在不斷提高，可為有機肥生產(chǎn)提供充足原材料[1-3]。事實證明有機肥還田可以提高農(nóng)作物品質(zhì)[4-5]，隨著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)全程機械化等政策的不斷實施[6-8]，有機肥撒施機作為有機肥還田的專用農(nóng)機具逐漸受到市場的認可。

1 有機肥撒施機概述

根據(jù)有機肥的形態(tài)不同，有機肥撒施機可分為固態(tài)有機肥撒施機和液態(tài)有機肥撒施機兩大類[9-10]，還有專門為果園大棚適用的小型化設計[11-13]，隨著新技術(shù)的發(fā)展，信息化、自動化與農(nóng)機具的融合也成為新的發(fā)展方向[14-17]。固態(tài)有機肥撒施機的結(jié)構(gòu)一般可由裝配式料箱、拋撒機構(gòu)、推肥機構(gòu)、肥量調(diào)節(jié)機構(gòu)、傳動機構(gòu)和行走系統(tǒng)等部分組成[18]。目前，市場上常見的推肥機構(gòu)設計分為鏈板輸送式、液壓推送式、攪龍輸送式和膠帶輸送式等幾類[19-22]。為適應不同土壤條件的有機肥撒施需求，有機肥撒施機一般都設計有特征施肥量調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)單位面積的施肥量，但實際操作一般較為繁瑣[23-24]。本文針對液壓推肥機構(gòu)，設計一種基于MCU控制器，以電磁流量閥作為執(zhí)行器，控制液壓油流量調(diào)節(jié)液壓缸動作速度的裝置，從而達到根據(jù)土壤需求調(diào)節(jié)特征施肥量的目的。

2 調(diào)速裝置的設計

2.1 調(diào)速裝置組成與工作原理

有機肥撒施機推肥機構(gòu)的液壓系統(tǒng)由液壓缸、電磁比例閥和液壓管路組成，液壓動力由拖拉機提供，電源供電由拖拉機蓄電池提供。工作原理是通過控制液壓回路中比例電磁閥閥門的開合比例，改變單位時間流入液壓缸中液壓油的流量，進而達到控制液壓缸的推進速度。電磁閥根據(jù)功率驅(qū)動器受控電平信號的變化，連續(xù)調(diào)節(jié)管路內(nèi)液壓油的單位流量，液壓缸可以完全停止或運動，實現(xiàn)調(diào)節(jié)撒肥機特征施肥量的目的。設計中采用MCU為控制核心，結(jié)合變量輸入和液晶顯示模塊，通過調(diào)理電路產(chǎn)生0～10 V電壓控制信號，控制比例電磁流量閥的開合比例，實現(xiàn)對撒肥機液壓系統(tǒng)的控制。工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理框圖

2.2 主要硬件設計

電路主要由電源供電、顯示屏、模擬量輸入信號采集和驅(qū)動調(diào)理電路組成。核心控制芯片采用STM32F042系列MCU，內(nèi)部集成有12bit高精度ADC、通用定時器和CAN總線等外設[25-26]。

2.2.1 執(zhí)行器——電磁閥

電磁閥是重要的執(zhí)行器件，主要功能是可以比例調(diào)節(jié)液壓油的流量，實現(xiàn)對推肥液壓缸的速度控制。需要直流供電，兼容標準的控制信號，具有較好的線性度，所以設計采用德國力士樂的比例電磁閥，如圖2所示，最大流量可達25 L·min-1，控制信號電平范圍為0～10 V，電壓流量線性曲線如圖3所示。該比例電磁閥由直流24 V供電，具有位移傳感器和比例控制器，線性度更好，可以準確執(zhí)行流量控制動作。根據(jù)性能曲線圖，可以推算出理論條件下的流量和控制電壓的關(guān)系表達式

圖2 比例電磁閥

圖3 電壓流量線性曲線

Fout=0.278(10Vin-10)

(1)

式中，F(xiàn)out表示流量值，單位L·min-1；Vin表示控制信號電壓值，單位V。

2.2.2 電源電路設計

供電電源采用拖拉機的蓄電池供電，工作時電壓波動較大，而且電磁閥比例控制器需要隔離供電，設計中采用隔離DC-DC模塊和LDO芯片組合供電。原理圖如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖

2.2.3 采集和PAC電路

GP8101是一種新型專用PAC(PWM to Analog Convertor)芯片，集成度高，價格具有競爭力，可根據(jù)輸入的PWM信號占空比轉(zhuǎn)換產(chǎn)生0～10 V模擬量信號，轉(zhuǎn)換精度高達±1%。設計中使用MCU定時器TIM3生成PWM信號，同時通過采集變阻器上電壓信號ADC值，改變PWM信號的占空比，則PAC芯片可輸出0～10 V信號。原理圖如圖5所示。

圖5 PWM和采集電路原理圖

2.2.4 顯示器模塊

顯示屏采用組態(tài)液晶觸摸屏模塊，兼容CAN和RS232串行數(shù)據(jù)總線，可以顯示圖表、中英文及數(shù)字等信息，能滿足正常使用需求。觸摸屏功能仿真如圖6所示。

圖6 顯示屏仿真

2.3 裝置的程序設計

STM32F042系列內(nèi)置定時器總線時鐘設置為16 MHz，預分頻設置16倍，定時器自動裝載寄存器(TIM3_ARR)設定為4 096，則輸出PWM信號頻率約為244 Hz，初始占空比為50%。內(nèi)置ADC分辨率12位，開啟DMA中斷后讀取數(shù)據(jù)寄存器(ADC_DR)中值，并賦值比較寄存器(TIM3_CCR3)，更新PWM信號占空比。程序流程圖如圖7所示?？梢怨浪愠隼碚摿髁恐店P(guān)系表達式為

圖7 流程圖

(2)

式中，F(xiàn)out表示流量值，單位L·min-1；SADC表示采集的ADC值。

轉(zhuǎn)動變阻器可修改PWM信號占空比，通過串行數(shù)據(jù)總線，將參數(shù)傳輸至觸摸屏中以顯示。因為比例電磁閥線性度較好，若占空比和0～10 V輸出信號相關(guān)性較好，即可將占空比作為評價流量的指標。

3 實驗與結(jié)論

3.1 實驗結(jié)果分析

實驗中通過旋鈕修改PWM信號占空比，觀察PWM占空比和PAC芯片輸出信號的關(guān)系，如圖8所示，電平信號在0～10 V范圍內(nèi)變化，隨PWM占空比升高而升高，符合比例電磁閥驅(qū)動器控制信號要求。

圖8 示波器

3.2 結(jié)論

本文進行了有機肥撒施機液壓推肥機構(gòu)調(diào)速裝置的電路設計和軟件調(diào)試，采用PAC電路將PWM信號轉(zhuǎn)化成為0～10 V模擬量信號，可以向電磁閥驅(qū)動器提供連續(xù)的模擬信號，符合設計要求。因電磁閥實際流量與驅(qū)動電平信號非線性相關(guān)，實際生產(chǎn)中需要標定，所以，能夠控制比例電磁閥的開關(guān)度，調(diào)節(jié)管路中液壓油流量，就可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)撒肥機特征施肥量的目的。