基于單片機的注入式混藥控制系統設計與實驗

張宋超， 薛新宇， 孫 竹， 周立新

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

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基于單片機的注入式混藥控制系統設計與實驗

張宋超， 薛新宇*， 孫 竹， 周立新

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

摘要針對電磁泵注入式施藥裝備設計了基于AT89S52單片機的控制系統，通過電壓轉化電路、電壓頻率采樣電路、光耦隔離電路和變頻輸出電路來實現對直流電磁泵輸入電壓的控制，實現單位時間內電磁泵流量的控制，達到不同混藥比的目的。同時，擴展了人工按鍵控制電路部分，構成一套完整的注入式施藥控制系統。實驗結果表明，該套控制系統能夠較好地保持與基頻同頻，變頻控制的誤差整體小于1.22%，系統工作穩定，調節頻率準確。

關鍵詞混藥器；單片機；電磁泵；變頻

傳統的植保機械采用人工預混方式，操作人員直接接觸農藥概率大，并會導致農藥在藥箱中的殘留，可能對環境造成污染，且在施藥過程中由于沉淀現象的存在，導致水和藥混合不均勻，影響施藥效果[1]。注入式混藥方法能夠實現農藥原液和水的分離操作，降低了操作人員自身農藥中毒的風險，實現藥、水的獨立貯存，方便了未使用完的農藥處理，同時藥、水能夠按照預先的比例要求完成“在線”混合，避免了農藥沉淀而導致的混藥不均勻現象。因此，國內外學者對在線混藥技術及混藥器開展了較多的研究。周良富等通過流體數值仿真技術，對射流式混藥器裝置結構參數間的關系進行了研究，并對模擬結果進行了相應實驗驗證[2]；胡開群等基于處方圖設計了一套注入式變量施藥控制系統，并通過田間實驗檢測了作業性能[3]；郭宇波等以水管長度、農藥劑型和液體黏度幾個因素，對SK靜態混藥器進行了混合均勻度研究[4]。而國外早在1970年Amsden便提出農藥在線混合技術[5]，經多年研究，基于體積平均信號處理方法所研制的光纖光度傳感器、以作業參數變化而改變活塞行程的計量泵以及靜態混藥器等都得到應用，在線混藥技術取得明顯的進步[6-11]。目前國外發達國家多采用大型機動噴桿噴霧機，將重點放在外加能源的在線混藥技術[12]。

筆者以單片機為核心設計了一套用于直接注入式混藥裝置的控制系統，并對系統的隨頻變頻控制性能進行了測試，變頻整體誤差小于1.22%，滿足應用要求。

1控制系統設計

控制電路原理：將動力裝置(汽油發動機)所帶動的磁電機的輸出電壓引出，一方面經過AC/DC轉換電路給整套系統供電；另一方面通過檢測分壓電阻兩端電壓的頻率，通過保持或改變當前電磁泵輸入電壓的頻率實現不同的混藥比。圖1是混藥裝置的總體方案示意圖。

圖1　總體方案示意Fig.1　Diagram of the overall scheme

1.1核心部件主要硬件包含單片機芯片、電壓轉換芯片、采樣芯片和光電隔離芯片。單片機選用ATMEL公司低功耗的AT89S52，其片內有8 K 字節的程序存儲器(ROM),256×8字節內部隨機存取數據存儲器(RAM)，3個16位定時/計數器，8個中斷源；電壓轉換芯片選用NS公司的KIA7805AP和KIA7812AP，其輸入電壓最大峰值35 V，輸出誤差小于4%；采樣芯片選用MOTOROLA公司的SN54/74LS14雙路施密特觸發器，上升沿和下降沿觸發，典型觸發延遲時間22 ns；光電隔離芯片選用東芝公司的6N137，最高轉換速率10 Mbit/s。圖2是變頻控制系統硬件原理圖。

1.2硬件功能設置單片機P0.0～P0.7口引出，用于人工設置電壓輸出頻率；P1.0接口用于接收施密特觸發器的輸出信號，判斷輸入電壓的頻率；P1.4口與光耦輸入控制端相接，用于輸出頻率脈沖。在單片機內部定時/計數器方面，定時器T0用于計算交流電壓頻率，定時器T2用于周期性檢測頻率，定時器T1用于計算光耦控制脈沖頻率。

圖2　控制系統硬件原理Fig. 2　Hardware principle of control system

1.3施密特觸發器波形轉換單片機測量頻率有測量頻率法和測量周期法，對于頻率較低的單片機頻率測量，使用后者方法比較適合。該系統測量正弦交流電的頻率，是先將交流電引入施密特觸發器，將正弦波形轉換成方波。

將交流電通過分壓電阻R2引入施密特觸發器，當電壓值達到施密特觸發器的閥值電壓，則輸出方波。該系統選用的是施密特觸發的反相器，所以，當輸入電壓達到閥值電壓后，輸出的方波為低電平，所以單片機測得的周期時間是2次電平的下降沿，如圖3中，圖3A是引入的正弦電壓，圖3B是施密特觸發器的電壓閥值，圖3C是施密特觸發器的輸出電壓波形。

圖3　施密特觸發器波形轉換Fig. 3　Wave-type conversion of Schmitt trigger

1.4光電隔離與變頻電壓輸出通過光耦將5 V和12 V進行隔離，保證單片機的輸出脈沖不受影響。光耦的輸出端引到mos管IRF540的門極(g)，用來控制mos管的導通；mos管的源極(s)直接接地，漏極(d)與電磁泵相接，這樣的接法可以保證mos管在工作時，門極和源極之間的壓差穩定。mos管的通斷控制吸藥電磁泵工作的啟停。

2軟件部分設計

軟件的設計按照功能主要可以分為2個部分：一是用于測量交流電機發出電壓的頻率；二是給電磁泵發出所需頻率的脈沖。

軟件算法設計思想：主程序首先啟動T2，用T2的定時中斷來實現周期性地檢測交流電的周期。要測量交流電的周期，就是要測量施密特觸發器的輸出波形2次下降沿的間隔時間。先等待高電平的到來，在這個高電平下降沿T0開始計時，繼續等待下一個高電平的下降沿到，停止計時。將測量到的時間的一半賦給T1，由T1所產生的定時中斷來發出PWM波，在產生PWM波的同時，實時檢測P0口的電壓變化，發現有變化，下一周期則按照對應的關系調整PWM波的輸出頻率(圖4)。

在中斷服務程序中，T1的中斷服務程序作用是周期性取反P1.4口的輸出(圖5)，T2的中斷服務程序是保證周期性的檢測交流電的頻率(圖6)。

圖4　主程序流程Fig. 4　Main program flow

圖5　定時器T1中斷服務程序流程Fig. 5　Program flow of interrupt servicing of timer T1

圖6　定時器T2中斷服務程序流程Fig. 6　Program flow of interrupt servicing of timer T2

3系統性能測試與分析

3.1系統變頻控制性能試驗結果對搭建好的控制系統進行連續3 h的性能實驗。以50 Hz基頻交流電作為測試源，如圖7所示，根據實際混藥比例的范圍，分別做了1.0倍(隨頻)和0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4倍(倍頻)響應性能測試，圖8～15分別是實驗中測量示波器的波形輸出。

圖7　基頻f波形Fig. 7　Waveform of fundamental frequency f

圖8　0.7f調制輸出波形 Fig. 8　Waveform of 0.7f modulation output

圖9　0.8f調制輸出波形Fig. 9　Waveform of 0.8f modulation output

圖10　 0.9f調制輸出波形Fig. 10　Waveform of 0.9f modulation output

圖11　1.0f調制輸出波形Fig. 11　 Waveform of 1.0f modulation output

圖12　1.1f調制輸出波形Fig. 12　 Waveform of 1.1f modulation output

圖13　1.2f調制輸出波形Fig. 13　Waveform of 1.2f modulation output

3.2實驗結果分析系統做了控制信號和電源電壓隔離處理，從圖8～15可以看出，輸出電壓波形較為平滑，圖16是變頻輸出值和理論值的直觀比較。

圖14　1.3f調制輸出波形Fig. 14　Waveform of 1.3f modulation output

圖15　1.4f調制輸出波形Fig. 15　Waveform of 1.4f modulation output

圖16　變頻輸出波形理論值和測量值對比Fig. 16　Comparison between waveform theoretical value and measured value of frequency conversion output

按相對誤差計算公式：

式中，δ為相對誤差(%)；fT為理論輸出頻率(Hz)；fM為實際輸出頻率(Hz)。

從圖17中可以看出，相對誤差在1.3倍頻時，相對誤差值最大，為1.22%，在1.0隨頻時相對誤差最小，為0。經實驗驗證，系統地控制精度和穩定度能夠達到應用要求。

圖17　理論頻率和測量頻率的相對誤差Fig. 17　Relative errors of theoretical frequency and measured frequency

4結論與討論

該研究基于AT89S52單片機設計了一套注入式混藥控制系統，經過測試，控制系統連續工作3 h，穩定，調頻最大測量誤差不超過1.22%；變單片機P0口為拓展口，可根據實際應用需要，通過安檢組合，最大可輸出128個頻率的控制脈沖，適用范圍廣，能夠滿足混藥應用的要求，且成本低廉，易于實現，具有一定的應用價值。

在對系統進行性能試驗中，對輸出頻率的波形進行觀察，偶爾會出現波形跳躍和諧波現象，在實際應用中應增加“濾波電路”環節，以保證頻率控制的準確性。以“計數”方式來測量脈沖頻率的電路中，受到其他因素的干擾會出現“脈沖丟失”現象，可通過冗余計數的方式來提高測量精度，但會降低系統的響應速率，應用中應在“準確度”和“響應速率”做出權衡選擇。該實驗的比例調節電路中，倍頻的步長選擇為“0.1”用來驗證系統的可靠性；在硬件配置允許的情況下，后續的研究中有2個方向：減小步長，使得其足夠小近似實現“無級”調整；加大步長，使得混藥比調節范圍擴大，適用的場合更廣。

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Design and Test of Injection-type Chemical Mixer Control System Based on Single Chip Microcomputer

ZHANG Song-chao, XUE Xin-yu*, SUN Zhu

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing, Jiangsu 210014)

AbstractA control system based on the AT89S52 single chip microcomputer was designed for electromagnetic pump injection spraying equipment. In the system, the voltage conversion circuit, voltage frequency sampling circuit, optical coupling isolation circuit and voltage frequency conversion output circuit were integrated to achieve the DC electromagnetic pump input voltage control per unit time and the further flow control for different pesticide mixing ratios. Meanwhile, the manual buttons were expanded for some other spare functions to constitute a complete injection control system. Experimental results showed that the system could maintain the same frequency of the base voltage frequency, and overall errors of frequency conversion were less than 1.22%, which verified the stability and accuracy of the system.

Key wordsChemical mixer; Single Chip Microcomputer; Electromagnetic pump; Frequency conversion

基金項目公益性行業(農業)科研專項(201203025)；江蘇省農機三新工程項目(NJ2014-09)。

作者簡介張宋超(1983- )，男，江蘇南京人，助理研究員，在讀博士，從事精準施藥技術研究。*通訊作者，研究員，博士，博士生導師，從事植保與環境工程技術研究。

收稿日期2016-02-04

中圖分類號S 22

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-186-04