精準變量噴霧控制系統的設計

李素璇，高 明，魏東輝，李文哲，孫 睿

(1.東北農業大學 a.電氣與信息學院；b.工程學院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

0 引言

精準農業已經被國內外廣泛關注并大力推廣，是農業信息技術與農業生產相互結合的一種新型農業，而變量噴霧則是精準農業中重要的組成部分。我國農藥生產技術處于國際領先地位，但農藥利用率低，植保機械技術落后，造成農產品農藥殘留量超標及環境污染問題日益嚴重。據農業部2015年統計，我國水稻、玉米、小麥三大糧食作物農藥利用率為36.6%，美國糧食作物農藥利用率大體在50%，歐洲主要國家糧食作物農藥利用率大體在65%，比中國高出15～30個百分點。我國多數地區仍以背負式手動噴霧器作為主要的噴霧植保器械，而歐美等國家多采用噴杠變量防飄噴霧技術，極大提高了農藥的利用率。因此，本文針對我國農藥利用率低的問題，設計出一種穩定性高、可靠性強的精準變量噴霧控制器。

1 精準變量噴霧控制系統總體設計

精準農業基本技術思想如圖1所示。該系統主要由藥箱B、水泵D、二通電磁比例閥P、壓力表M1、流量計F、壓力傳感器M2及精準變量噴霧控制器PW-1組成，如圖2所示。

試驗時，根據試驗要求對精準變量噴霧控制器PW-1進行設定流量值。啟動水泵D并抽取藥液，通過二通電磁比例閥P進行流量的調節，壓力表M1可以實時監控管道內壓力值是否為額定工作壓力，流量計測實際流量值并將信號反饋給控制器PW-1。藥液從4個噴嘴噴灑后，由于管道作業時會有壓力的損耗，因此在末端安裝壓力傳感器，將壓力信號反饋回控制器PW-1，可以輔助控制器PW-1調節二通電磁比例閥P的開度，使得精準變量噴霧系統迅速達到穩定狀態。該系統工藝流程圖和控制器設計流程圖如圖3和圖4所示。

圖1 精準農業基本技術思想

圖2 精準變量噴霧控制系統原理圖

圖3 精準變量噴霧系統工藝流程圖

圖4 控制器設計流程圖

2 精準變量噴霧控制系統硬件設計

該控制系統要求運行速度快，可靠性高，穩定性強，因此選用擴展性51系列單片機STC12C5A60S2為核心控制元件。該芯片是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,在同樣的晶振下平均指令運算速度是普通51系列單片機的8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換,特別適用于針對電機控制、強干擾等場合,滿足于精準變量噴霧系統對于數據的處理的要求，是一款性能高而且成本低的最優芯片選型。圖5為系統設計方案圖。

2.1 器件的選型

2.1.1 二通電磁比例閥選型

精準變量噴霧系統的核心元件是二通電磁比例閥，它可以通過改變節流口面積的大小來控制閥的流量。本系統采用的是TEEJET 344BRL型二通電磁比例閥，開度從全開到全關需要6s,最大工作壓力為1MPa,最大工作流量為349L/min，完全符合精準變量噴霧系統的要求。

該二通電磁比例閥采用B型調速電動機和R型比例閥的組合，其內部結構如圖6所示。電機外罩可以節省空間，排除凝結水;標記含完整電機編號和標記口期;內部減速器采用雙層結構，增加強度，同時維持所有金屬部件永久潤滑;拉伸定位銷可用于取下電機壓頭，允許手動操作或便捷電機更換操作;正負開關電氣系統內置兩只鎖環扣和平墊圈以確保連接器的密封性能;保險保護閥門和電氣系統，斷開電機電源20s后自動復位;指示器用于實現位置或操作審查。

圖5 系統設計方案圖

1.外罩 2.標記 3.內部減速器 4.拉仲定位銷 5.正負開關電氣系統 6.保險 7.指示器圖6 節流閥內部結構圖

2.1.2 流量計選型

流量是精準變量噴霧系統的一個重要反饋信號，對于提高系統流量的控制精度至關重要。系統最大工作流量為200L/min,因此本系統采用TEEJET 801型流量計，其流量測量范圍為50～250L/min，流量計每輸出95個脈沖數，相對應1L的藥液流量。當藥液通過流量計時，會沖擊安裝在內部的渦輪，產生驅動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和藥液阻力矩而產生旋轉。在一定的范圍內，渦輪產生的渦輪角速度與流體流速成正比，而渦輪角速度是通過裝在機殼外的傳感線圈來檢測的；渦輪葉片轉動切割磁感線將渦輪的角速度轉化為一定頻率的脈沖信號，最終藥液的流量以脈沖頻率的形式表示出來。圖7為精準變量噴霧系統流量計。

圖7 脈沖型流量計

2.1.3 壓力傳感器選型

壓力信號是精準變量噴霧系統穩定作業的重要信息，噴霧霧滴的大小、飄移和分布質量直接影響噴霧的效果。因此，在噴頭噴桿末端，安置壓力傳感器實時監測精準噴霧系統壓力數據并進行反饋，以便控制器將噴霧壓力控制在合理的范圍。精準變量噴霧系統的額定工作壓力在0～0.7MPa，本系統采用的是北京星儀傳感器技術有限公司CYYZ11型壓力傳感器。該傳感器屬于壓阻式壓力傳感器，它基于電阻應變片和應變電橋原理。它的精度高、穩定性好，測量壓力(0～1MPa)與輸出電壓(1～5V)具有良好的線性關系，在實驗時可以通過采集到的電壓值獲得實時的系統壓力。

圖8 壓力傳感器

2.1.4 液位傳感器選型

藥液箱中藥液的余量通過液位傳感器來測量。農作物噴霧機控制系統采用SLDTB型號的液位傳感器，其主要技術參數如下:量程1.3m，精度0.5% Fs，電壓18～36VDC，輸出4～20mA。其優點如下:①可以隨時測量出罐中的各點液位;②直流4～20mA標準電流信號輸出;③密封性能非常好，保證了測量元件可以不和液肥直接發生接觸，很好地防止了液肥對元件的腐蝕。投入式液位傳感器如圖9所示。

圖9 投入式液位傳感器

2.2 電路設計

2.2.1 二通電磁比例閥

系統工作時，為了實現精準變量噴霧，需要對流經二通電磁比例閥的藥液流量進行實時的控制，改變其閥芯的開度。因為控制信號的引腳輸出功率較小，無法驅動二通電磁比例閥內電機轉動，所以二通電磁比例閥驅動電路選擇H橋電路驅動閥芯工作。電路中，使用同或門及異或門對控制信號進行更換，從而進一步對閥芯進行控制。

2.2.2 信號采集電路

精準變量噴霧系統工作時，利用傳感器所采集的數據進行執行相應動作。信號采集電路主要是由傳感器與控制線相互連接，完成信息采集傳遞。流量計供電電壓為12VDC，輸出信號為脈沖信號，可以直接通過單片機進行采集。流量傳感器電路原理圖如圖10所示。

壓力傳感器輸出信號為4～20mA電流信號，利用歐姆定律U=RI，在壓力傳感器信號與接地端串聯一個250Ω精密電路，然后在250Ω兩端采集電壓信號。壓力傳感器輸出信號不作為控制器被控對象進行控制，只對壓力信號進行采集，需要將電流信號轉換為電壓信號，輸出為0～5VDC。壓力傳感器電路設計如圖11所示。

圖10 流量傳感器電路原理圖

圖11 壓力傳感器電路原理圖

2.2.3 藥箱液位顯示硬件電路

液位顯示系統選用STC12C5412AD作為處理器，LM2576將12V轉化成5V給系統供電，且用單片機的P1.1、P1.2、P1.3等3個引腳與74HC595鎖存器進行連接，達到此系統中所有原件及顯示工能的操作。8個LED燈連接74HC595鎖存器，數據通過所有燈的亮滅及數碼管顯示的存儲箱中液體的容積來進行數據分析。圖12是該檢測電路的原理圖。

圖12 液位傳感器檢測電路原理圖

3 精準變量噴霧控制系統軟件設計

精準變量噴霧控制系統軟件程序的開發與設計在Keil 4中完成。采用模塊化設計方式，主要包括主程序、初始化程序及定時中斷程序。程序運行時，通過程序初始化進入主循環，根據設置的參數、流量計及壓力傳感器的數據反饋回系統，對二通電磁比例閥的開度進行控制。系統主程序流程圖如圖13所示。

圖13 主程序流程圖

4 試驗數據與分析

4.1 壓力調節試驗

搭建了精準變量噴霧控制的控制回路及藥液管路平臺，進行實驗分析。噴頭采用的是DICKEY-John公司生產的TT11100-XVP系列的TT111006型號廣角扇形噴頭，其在正常的工作壓力時可以達到很好的噴霧飄移控制效果。由于藥液的密度與水相近，因此在試驗臺藥箱中選用水作為測試對象。首先，啟動精準噴霧控制器，將控制器設置為手動模式；水泵開始在噴霧管道中注水，待試驗臺中噴頭正常噴霧工作運行時，通過手動調節二通電磁比例閥開度，改變管道中的壓力。該試驗主要目的在于以TT111006噴頭的技術參數為標準，校準系統是否能在誤差極小的情況下正常運行。

4.2 流量調節試驗

精準變量噴霧的重要指標是流量的調節，該調節性能影響到整個精準變量噴霧系統控制性能及精度。在實際作業時，基于車速的變化，對應的流量也會發生改變。啟動精準噴霧控制器后，系統軟件模擬車速，將控制器設置為自動模式。

5 結論

精準變量噴霧系統在實驗室搭建試驗臺的基礎上，進行了大量的試驗和分析，表明系統具有很高的穩定性與可靠性。在大量的試驗中，精準變量噴霧控制器作為控制的核心，體積小，使用操作簡單，性能指標基本滿足高精度要求，為日后田間動態試驗奠定了基礎。

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