基于單片機的施藥監測系統設計與試驗

孫 琦

(廊坊市廣播電視大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

在當代農業的發展中，農藥在農業生產中占據著非常重要的地位，出現了各種類型的農藥，用量逐年上升。但是施藥中，工作人員缺乏重要的安全意識，農作物及環境中的農藥殘留問題更是嚴重，對人體和環境造成非常大的危害[1]。農藥在農業生產中起著非常大的推動作用，也無法避免地對四周環境和食用者產生了嚴重的污染和損害。人體經常食用農殘過高的食物，農藥在體內長期積累，嚴重危害著食用者的身體健康[2]。經統計：2015年水稻、小麥和玉米這三大農作物的農藥利用率為36.6%，與農業發達國家還是存在很大差距；發達國家的農藥利用率最高可達到60%，平均比我國高20個百分點。施藥的機器、技術和觀念的落后這些都是主要的影響因素[3-5]。為此，通過區分農田中作物的不同信息，然后通過變量施藥，以達到精準施藥的目的。工作時，通過使用多種不同傳感器，實時采集施藥參量數據，根據不同的信息變量精準施藥[6-14]，并實時收集并長期儲存施藥信息。

我國土地等資源利用強度很大，歐美等國家耕地層一般在35cm以上，我國大部分地區的耕地層只有15～20cm，保水保肥能力差。因此，提高化肥農藥利用率，發展綠色可持續農業，使用高效科學的施藥方法。本文設計基于STC89C52RC單片機的施藥監測系統，利用傳感器收集實時數據，數據庫處理編輯儲存施藥參量，根據長期儲存的施藥參量進行變量施藥，合理用藥。

1 試驗設計

1.1 設計原理

以STC89C52RC單片機為控制中心，組合信息采集器(各類傳感器、單片機、SD卡數據存儲模塊)、信息傳送模塊、顯示模塊、電腦，以及串口通信模塊等主要結構形成系統，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.2 總體設計

本設計采用STC89C52RC單片機監控整個施藥監測過程。STC89C52RC單片機是STC生產的一款低耗、高性能的微控制器，具有 8K字節系統可編程Flash存儲器。該機型可以支持串口通信，工作電壓為5.5～3.3V，代碼指令可以兼容以前的型號，在傳統的基礎具有更強大的兼容性。

該系統中使用的顯示裝置為液晶顯示器，使用者可以設置成數字或漢字，適用多種電路。根據系統設計的其他模塊的需求，采用串口電路，減少裝置中的線路連接，簡化安裝程序。

信息傳送模塊為用戶與系統互換信息的門戶，采用字母與數字結合的簡單形式，使用4×4按鍵，共16個按鍵。

SD卡數據庫儲存傳感器采集的施藥信息。傳感器長期采集施藥信息，分析施藥過程，并在用戶分析數據時，將前面儲存的數據以圖表或數字的形式輸出。

采用的傳感器主要有數字型和模擬型兩種類型：數字型傳感器可將得到的信息直接與數字設施互換信息，快速讀取信息；模擬型傳感器提取信息速度快，處理信息的范圍寬。本系統從傳感器的特點和設計成本綜合考慮，傳感器采用數字傳感器。系統以20個施藥監控點為試驗點，測試各個試驗點的系統測量值和實際測量值的誤差，通過對比驗證該系統是否可行。同時，采取多個試驗點驗證可測試系統的穩定性，表明該系統中使用的傳感器可用。采用的壓力傳感器，如圖2所示；速度傳感器，如圖3所示；流量傳感器，如圖4所示。

采用單片機為控制中心的施藥監控系統可實現精準施藥，從而最大程度上減少農藥的各種危害，降低資源的浪費，維持生態穩定和減輕環境壓力，促進農業的可持續發展。精準施藥的核心是收集田間病蟲草害的信息，采取變量分區精準噴灑施藥，按照農作物的不同需求進行合理施肥施藥，減少種植戶的成本輸出。

圖4流速傳感器

該系統通過傳感器采集農作物的參量信息，將信息傳送至單片機STC89C52，分析長期儲存的參量信息，根據采集的信息變量施藥，將收集的信息儲存于SD卡，用戶可以用電腦中將收集信息以圖表或數據的形式觀察分析，觀察施藥系統是否工作準確。

2 機構組成和施藥監控

2.1 機構組成

施藥監控系統組成。以STC89C52RC單片機為核心，包括信息采集器(各類傳感器、SD卡數據存儲模塊)、信息傳送模塊、顯示模塊、電腦以及串口通信模塊等主要結構。系統的電路圖如圖5所示。

2.2 施藥監控控制

施藥監控系統主要根據傳感器監控施藥收集施藥管道中農藥的流速、壓力、流量等信息，將信息輸送至單片機，通過單片機的分析，校正系統設置，監控施藥量是否符合系統設置的數據，保證施藥的準確性。

圖5 系統電路圖

3 試驗與結果

3.1 試驗基本條件

為了試驗施藥監控裝置可靠性和準確性，在試驗田上進行試驗，將本文設計的系統安裝在行走的施藥機械上進行速度、壓力和流量等參量的試驗，并對試驗結果進行分析比較。

3.2 試驗設計

為了檢測采用基于STC89C52RC單片機的施藥監測系統的有效性，首先驗證送藥管道速度的準確性[15]，測試施藥系統所在機械速度值與實際值的相對誤差。該速度值可在系統顯示器中讀取，速度檢測原理如圖6所示。實際值采用秒表記錄，根據秒表記錄，以機械行走100m為試驗段，以20個施藥監控點為試驗點，測試數據結果如表1所示。

圖6 速度檢測原理圖表1 施藥速度測試

試驗點系統速度/km·h-1實際速度/km·h-1誤差/%10.7650.7731.0521.3451.3782.4531.8751.9152.1342.2452.3092.8552.5462.6132.6362.9643.0242.0273.5833.6852.8583.8743.9882.9494.1364.2232.1104.7434.8031.27114.9865.0831.95125.2385.3361.87135.7395.8682.25146.4656.6242.46156.9727.1762.93167.2427.3571.59177.7467.9142.17188.0728.3012.84198.5738.6791.24208.8989.0331.52

由上述數據中可以了解到：系統速度和實際速度的相對誤差最大值2.85%，最小值為1.05%，平均誤差值為2.16%。該誤差對施藥系統的準確性影響不大，故速度這個影響因素不會造成施藥監控系統的偏差。

壓力試驗測量值來自藥監控系統通過壓力變送器上的壓力值[16]，而實際壓力值采集于試驗裝置上的標準壓力表。以20個施藥監控點為試驗點，測試數據結果如表2所示。

表2 施藥壓力試驗

續表2

由表2中數據了解到，測量壓力和實際壓力的誤差最大值3.5%，最小值為1.19%，平均誤差值為2.15%。由此可見，該系統設計可以達到施藥監控的目的。

流量試驗測試監控系統藥液流量誤差。其中，實際流量直接用量筒量出，系統流量由安裝在行走農藥噴灑機械上的施藥監控系統液晶顯示裝置直接讀取數據。在同一時段測量藥液流量，以20個同樣施藥監控點為試驗點，試驗數據如表3所示。

表3 施藥流量試驗

續表3

從上述數據檢測結果可知，系統流量和實際流量的相對誤差最大值2.93%，最小值為1.19%，平均誤差值為2.09%，該系統設計可以達到施藥監控的目的。

4 結論

本研究對單片機的施藥監測系統設計進行驗證，結果表明：采用STC89C52RC單片機為控制中心的施藥監測系統，完全滿足農業生產需求，可實時采集施藥信息，監控施藥過程。該系統的目的就是為了施藥精確，控制農藥的使用，減少農作物內過多殘留，確保噴灑的農藥可以達到殺蟲除草的量。

試驗表明：該系統可保證農藥噴灑機械的正常運行，減少種植戶的成本投入，減少農殘對人體的危害，減輕農藥對生態環境危害，在多樣化種植中的變量施藥有著非常大的應用價值。

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