精準果樹紅外自動噴藥控制系統總體設計與研究

丁銳+馬宇良+李大尉+焦丹丹

摘 要：該控制系統涵蓋三大組成部分：果樹信息檢測用以檢測果樹的有無和果實間隙；藥液回路系統通過對傳輸裝置、液泵、汽油機、電磁閥、噴頭、噴桿的設計，形成完整的藥液回路裝置系統；控制器用以實現硬件的整體控制，包括是否噴灑農藥等。

關鍵詞：信息檢測；藥液回路；控制器；精準紅外掃描；步進電機

1.總體設計思路

噴藥系統總體的設計如圖1-1，整個系統的果樹信息檢測通過紅外光電開關實現果樹有無和間距的檢測，其中，轉速控制電路通過對步進電機的控制，實現對曲柄滑塊的運動的控制，從而進行多方向和角度的掃描。其基本工作過程如下：

1.1信息檢測系統通過電機對曲柄滑塊的控制，進行果樹的掃描；

1.2若掃描到果樹，則光電開關輸出開信號傳送給控制器，總控制器將信號傳輸到電磁閥，實現電磁閥的開控制；若未掃描到果樹，則光電開關輸出閉信號傳送給控制器，總控制器將信號傳輸到電磁閥，實現電磁閥的關控制；

1.3電磁閥收到開信號后，三缸柱塞泵通過藥液回路系統抽送農藥，實施噴灑；電磁閥收到關信號后，三缸柱塞泵不抽送藥液，不進行噴藥動作；

1.4通過電磁閥的開關控制，進行果樹間歇式的噴藥。

2.果樹信息檢測系統

果樹信息檢測系統的基本技術是采用紅外光電開關進行紅外掃描，獲取是否有果樹和果樹間距的測量值，從而控制決定是否采取噴藥動作[1]，通過信息檢測系統，實現了精準果樹精準間歇式噴藥，避免農藥的浪費，提供農藥利用率，降低農藥對土壤和環境的污染。

2.1紅外光電信息檢測

2.1.1檢測裝置的選擇

信息檢測系統通常采用的方式有紅外掃描技術，超聲波技術、圖像傳感技術，具體如下：

（1）超聲波傳感器

通過超聲波的發射和接收之間的時間差進行超聲波探測，實現精準果樹果樹的噴藥。國內外采用超聲波技術在噴霧上取得了一定的進展。

但是其存在的主要缺陷是：波束發散、超聲波儀器價格較為昂貴的缺陷，波束發散的缺陷會導致超聲波傳感器檢測果樹距離時，定位精度不高的問題，不能做到精準的農藥噴灑過程。

（2）圖像傳感器

圖像傳感技術是將圖像傳感器安裝在噴藥機械裝置上，通過機器視覺技術分析精準果樹樹木圖形和顏色，針對有樹木的位置和病害部位進行專門的噴藥操作。

然而，圖像傳感技術在精準果樹噴藥系統中存在圖像獲取信息量大，處理數據量大的問題，這些問題會導致控制器發出的信號出現延時情況，也不能很好地進行精準果樹農藥的精準噴灑。

（3）紅外掃描傳感器

通過紅外光電信號的掃描實現對果樹的檢測，紅外傳感器具有掃描速度快，效率高，靈敏度高，精準度高的優點，而且紅外光不受到外界光束的影響。在果樹檢測的精準度和效率上都是最佳選擇。

2.1.2紅外光電開關工作原理

紅外探測器對紅外線的接收和發射方式主要是直射式和反射式兩種方式。其中，直射式是將紅外發射和接收模塊放置在有一定間距的兩端，靶標遮擋光波的傳播方向，通過控制器發出相關指令，做出相關動作；反射式是將紅外發射和接收模塊放置在同一端，通過發射模塊發出紅外光，經靶標反射回接收模塊，進而通過控制器發出相關指令。兩種方式的紅外探測器相比，反射式的紅外探測器結構更簡單，操作更方便。研究采用反射式紅外探測器，通過光電開關的動作進行噴藥，擬定選用ES50-D08NK型光電開關。

其工作原理是通過被檢測物體遮擋紅外光線，實現發射，通過電路將信號傳送給單片機控制器實現目標物體的探測，工作原理如圖1-2所示。

2.2步進電機動力裝置

選用步進電機，控制曲柄的轉速，實現實時控制。通常控制曲柄轉速的裝置采用電機提供動力，再經由減速裝置，將液泵的動力降低，從而實現曲柄的轉動，該該方法不能滿足曲柄轉速的實時改變，且不易于安裝。本試驗采用步進電機作為整個信息檢測系統的動力裝置，實現曲柄的控制，從而實現果樹掃描。擬定選用85BYGH303 型永磁感應子式步進電機。

通過步進電機，將脈沖信號轉換為角位移，作為動力供給單元。

2.3掃描檢測裝置

掃描裝置通過水平前進和垂直方向的往復運動實現對果樹的檢測。

掃描裝置的運動以往都是采用將裝置固定在某一點，噴藥機進行一定的速率的前進運動，則噴藥機的掃描裝置軌跡近似一條直線；本次掃描裝置的設計在保持噴藥機以一定速度前進的同時，通過機械控制使裝置做上下垂直的往復運動，在兩個速度的合成下，裝置掃描的軌跡近乎一條正余弦曲線。

通過這種改進方式，掃描范圍增大，檢測范圍更廣。掃描裝置上安裝有紅外光電開關，隨著掃描范圍的擴大，紅外掃描范圍也隨之增大，對精準果樹中果樹的檢測面積更廣，噴灑農藥更均勻。

3.藥液回路系統

藥液回路系統分為藥液的傳輸和藥液的回流兩大部分。其組成部分有：液泵、藥箱、供藥管道、噴桿、噴頭、電磁閥，組成機構圖如圖1-3所示。

基本工作原理為：藥液通過液泵壓力被抽出，從出水管輸送到電磁閥，電磁閥產生開關信號控制噴頭的藥液噴出；當電磁閥關閉時，剩余的藥液將通過回流管返回到藥箱中。

試驗采用的電磁閥型號選用2W-15GBN-Y32B-DC24V 型，通過電磁力控制電磁閥的開關，該型號電磁閥的基本參數如表1-1所示。

實驗中，藥箱選用抗腐蝕的高密度聚乙烯容器；供藥管路的基本組成如1-3圖所示，包括吸水管、出水管、回流管；噴桿選用長度為1-2.5m的可伸縮桿，進行掃描；噴頭選用扇形雙噴嘴。

4.控制器

控制器是整個精準果樹噴藥控制系統的核心，通過控制器實現對硬件電路、信息檢測系統以及控制軟件的實時控制[2]。控制器決定電磁閥是否打開，噴頭是否進行噴藥等動作，對控制器的要求是高性能，穩定性良好。研究選用的控制器為AT89S52單片機，其基本的性能參數如表1-2所示：

本文是對精準果樹紅外自動噴藥控制系統進行了整體設計，確定了系統的總體設計思想和架構。對系統的三大主要部分：信息檢測系統、藥液回路系統、控制器的型號進行了選擇，確定了總體設計方案。

參考文獻；

[1]王長新，陳善美，王富民，王可田.精準果樹噴藥常見問題與解決方法[J].河北果樹，2015，01：44-45.

[2]唐占英.精準果樹噴藥易造成藥害的原因[J].果樹實用技術與信息，2012，09：34-35.