往復螺桿背負式水肥機控制系統設計

石世紀，羅 翔，杜毅鵬，何家成，汪 洋，任震宇，李曉賢，何培祥

(1.西南大學 工程技術學院，重慶 400715；2.貴州省農業機械技術推廣總站，貴陽 550003)

0 引言

水肥是由固體或液體肥料與水配兌而成的肥液。給農作物施水肥可同時進行澆水和施肥，達到省水省肥省人工的效果，是未來農業的發展方向。水肥機按照施用場地可分為用于設施大棚的水肥一體機和用于戶外田間的背負式水肥機兩類。

對于水肥一體化的研究，國內外都取得長足的進展。就國外而言，目前世界上微灌面積最大的國家為美國，而滴灌系統覆蓋率最高的國家是以色列，其滴管系統覆蓋率超過本土面積的60%[1-3]。我國相關的研究可以追溯到1974年，由墨西哥引進滴灌技術及設備，直到20世紀80年代初才在果樹種植方面有了初步的應用[4-5]。1980年，我國首套擁有自主研發產權的成套滴灌設備研制成功，并從理論和實際應用方面對滴灌技術進行深入研究，促進水肥一體化技術大范圍的推廣應用[6]。歷經40年多的發展應用，我國水肥一體化技術越趨先進，逐步接近世界領先水平，邁入快速發展階段[7-8]。

由目前國內外研究情況來看，水肥一體化技術適用于平原地區，在平坦的大面積耕地具有良好的適用性，但針對我國西南山地丘陵地區，其實用性受到極大的限制。我國云南、貴州、重慶等省市均為山地丘陵地形，多采用于戶外田間的背負式水肥機[9]，工作時需背負一個盛水肥的藥箱，這就加重了操作人員的背負載荷，增大了其勞動強度；且藥箱容積有限，所盛水肥少， 需不時的重裝水肥，降低了工作效率。因此，研發一種體積小、質量輕，適用于山地丘陵地區的水肥機具有重大意義。

為此，西南大學研制了一種往復螺桿背負式水肥機。該水肥機體積小，無藥箱，減小了勞動強度；水管可自動松放，亦可在電機和往復螺桿導向機構作用下呈螺旋形自動均勻地纏繞在卷管筒上，無需人工重裝水肥，提高了工作效率。同時，結合了PIC單片機的控制系統，實現了精準施肥，控制誤差在5%以內，提高了肥料利用率，減少了肥料殘留，更加切合綠色環保時代主題。

1 整機結構設計

往復螺桿背負式水肥機主要由往復螺桿導向機構、電機驅動機構、卷管機構，以及背負機構組成，如圖1所示。往復螺桿導向機構包括用于水管主導向的往復螺桿和與往復螺桿平行設置的導向軸，以及套于兩者上的導向組件。導向組件包括通過螺紋孔套于往復螺桿并通孔空套于導向軸上的導向螺母座及設置在導向螺母座上的導向器，水管穿過導向器與水肥箱連接。電機驅動機構包括電機和傳動組件，傳動組件包括一級主動輪和一級從動輪，以及一級同步帶、二級主動輪、二級從動輪及二級同步帶。卷管機構包括卷管筒軸、卷管筒及水管擋板，卷管筒上設置有水管通孔，水管穿過該通孔并與水肥噴施器連接。背負機構包括機架、背板及背帶，便于操作人員背負操作。

該水肥機工作時，水管卷在卷管筒上，水管一端連接水肥箱，另一端連接水肥噴施器，操作人員背負此裝置在田間行走。操作人員按動開關按鈕，卷在卷管筒上的水管即可在自身重力和操作人員行走拉力作用下自動松放，在電機和往復螺桿導向機構的作用下呈螺旋形自動均勻地纏繞在卷管筒上；連接水肥噴施器的那一端有操作人員手持并控制水肥噴施。

1.機架 2.二級從動輪 3.二級同步帶 4.二級主動輪 5.一級同步帶 6.一級主動輪 7.電機 8.背板 9.背帶 10.一級從動輪 11.卷管軸 12.水管擋板 13.水管通孔 14.卷管筒 15.導向軸 16.往復螺桿 17.導向器 18.導向母座圖1 往復螺桿背負式水肥機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reciprocating screw backpack-type fertilizer machine

2 控制系統結構設計

2.1 整機主要工作流程

往復螺桿背負式水肥機主要實現水肥的自動噴施控制和水管呈螺旋形自動均勻地纏繞在卷管筒，要實現上述兩個功能，整機工作流程可以劃分為兩大模塊：①首先操作人員觸動工作開關1，電磁閥開啟，并等待水肥噴施完后關閉，同時蜂鳴器響起，提醒操作人員松開工作開關1，如圖2所示。②操作人員背負此裝置行走在田間，卷在卷管筒上的水管即可在自身重力和操作人員行走拉力的作用下自動松放。當需要自動收縮纏繞時，操作人員觸動工作開關2，電機正轉，同時檢測電機是否過流，一旦電機過流電機則停止轉動，且蜂鳴器提醒操作人員松開工作開關2，否則電機繼續正轉；當操作人員松開工作開關2時，電機則停止轉動，如圖3所示。

圖2 水肥噴施工作流程Fig.2 Water and fertilizer spraying workflow

圖3 水管自動收緊工作流程Fig.3 Waterline automatic tightening workflow

由上述工作流程可知該系統主要的輸入信號項，并表明該控制系統的主要輸出信號項為控制信號項。在對該控制系統的軟硬件設計時，應當基于該工作流程進行設計。

2.2 輸入信號及輸出控制項的確定

基于整機主要工作流程，結合整機的實際工作情況，從而確定整個控制系統的輸入信號和輸出控制項。輸入信號首先需要觸發的兩個工作開關是機器執行兩個工作步驟，因此需要工作開關1信號和工作開關2信號。水肥噴施量要在一定范圍內可調，因此需要水肥噴施量調節信號，為防止電機過流而燒毀電機，需要檢測電機電流信號，實現電機的過流保護。輸出控制項主要控制目標是電磁閥和電機，控制電機正轉實現水管自動纏繞，控制電磁閥開關實現水肥噴施量的控制。除此之外，為提高該機的使用便捷性，采用蜂鳴器和指示燈進行機器工作狀態的提示。

2.3 控制系統結構圖

控制系統采用單片機進行輸入信號的處理及控制信號的輸出。已知輸入信號有水肥噴施量調節信號、工作開關1信號、工作開關2信號及電機電流信號等，輸出控制項主要有指示燈、蜂鳴器、電磁閥及電機等。其中，蜂鳴器、電磁閥和電機則需要借助場效應管進行電路控制。控制系統的整體結構示意圖，如圖4所示。

圖4 控制系統結構圖Fig.4 Control system structure

3 硬件系統設計

引腳數量和可靠性是確定主控芯片的兩個主要指標。該機對控制要求不高，最終選用PIC18F13K22作為主控芯片。其有28個引腳，8MHz內部晶振，8K程序存儲器[10]，能夠完全滿足該機器的控制要求。

由硬件電路結構框圖劃分功能模塊，并確定需要使用的殊功能引腳。其中，外部振蕩器電路為固定引腳OSC1和 OSC2，程序燒寫接口為5個固定引腳，水肥噴施量調節則需要具有A/D功能的引腳，確定了該系統所需的特殊功能引腳；再基于剩余所需的功能模塊分配I/O引腳，最終確定硬件電路原理圖如圖5所示。

圖5 硬件電路設計原理圖Fig.5 Hardware circuit design schematic

下面以PIC18F23K22芯片為主控芯片對各個控制模塊電路進行設計。

3.1 水肥噴施量、開關信號檢測電路設計

水肥噴施量檢測如圖5中水肥噴施量設置模塊所示，噴藥量調節利用電位器R的分壓檢測電路實現。其中，電位器R接入5V電源，單片機引腳AN4通過AD(Analog-to-Digital)轉換檢測電位器R分壓變化，內部按比例計算出相應的噴藥時間從而確定噴藥量，并采用RC濾波濾掉調節過程中產生的毛刺，使得水肥噴施量調節更精確。

開關信號檢測如圖5中工作開關模塊所示。當開關K1未接通時，輸入單片機引腳RC0為電容C2上端的高電平信號；當按下開關K1后，電阻R18、R19間的線路接地，輸入單片機引腳RC0為低電平信號，從而判斷工作開關1是否被按下。同理，工作開關2的檢測與工作開關1的檢測一致。

3.2 電磁閥、蜂鳴器及指示燈的控制電路設計

電磁閥和蜂鳴器采用場效應管電路進行控制，電路原理圖如圖5中電磁閥控制模塊和操作提示模塊所示。電磁閥線圈和蜂鳴器作為感性負載，需要并聯二極管D2、D3進行續流，單片機的RC2和RA3引腳分別控制場效應管Q2、Q3，R16、R22為限流電阻，防止控制電路電流過大。場效應管源極和柵極存在電容效應，會產生壓差，因此并聯下拉電阻R17、R23進行去除，從而保證效應管工作的穩定性和可靠性[10]，如圖5中操作提示模塊所示。單片機RC2引腳直接控制指示燈，串聯電阻R24用于限流。

3.3 電機及其電流控制電路設計

電機及其電路控制電路如圖5中電機控制模塊所示。對電機進行控制時，并聯D1二極管進行續流，Q0為場效應管，控制引腳為單片機的RA0引腳；R5為限流電阻，防止控制電路電流過大，R7下拉電阻用于去除場效應管柵極與源極間由于電容效應產生的壓差，確保場效應管工作的可靠性。為實現電機電流的檢測與保護，場效應管Q0源極串聯電阻R6，并檢測R6兩端的電壓，經過放大器LM392(放大器LM392的反向端接地)，將電壓信號放大，并經過比較器LM324，比較器LM324反向端接地。當電機電流過大時，比較器LM324輸出高電平，使得場效應管Q1導通，致使場效應管Q0無法導通，電機停止轉動，從而實現硬件電路的電機過流保護；同時，比較器的高電平信號輸入到引腳RA1，由軟件控制電機停止轉動。

4 軟件系統設計

依據整機工作流程及硬件系統結構，考慮實際工作過程中會遇到的問題，在保證機器工作安全可靠的前提下進行控制系統程序的設計，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統主程序流程圖Fig.6 System main program flow chart

采用模塊化程序設計，通過判斷工作開關的狀態實現水肥噴施和管自動收緊子程序的調用，大大簡化了程序設計流程。

圖7所示為水肥噴施子程序流程圖。完成水肥噴施后，蜂鳴器響起提示操作人員完成噴施工作，設計更加人性化。圖8所示為水管自動收緊子程序。工作開關2的開合控制水管是否自動收緊，同時設計了電機過流保護程序，一旦檢測到電流過大，電機立即停止轉動，蜂鳴器長鳴提醒操作人員松開工作開關2，大大提高了系統的可靠性和安全性。

圖7 水肥噴施子程序流程圖Fig.7 Flow chart of water and fertilizer spray subroutine

5 試驗分析

5.1 水肥噴施量測試試驗

本文設計的控制系統應用于制作好的往復螺桿背負式水肥機上，并對其進行噴藥量準確性檢測試驗。所用到的試驗裝置主要有往復螺桿背負式水肥機和1 200mL量程的量杯。

圖8 水管自動收緊子程序流程圖Fig.8 Flowchart of automatic tightening subroutine

試驗對往復螺桿背負式水肥機水肥噴施量選取了11組設定值，在50～100mL區間，以5mL間隔為1組進行試驗，每組進行10次的噴施計算總噴施水肥量，并計算出平均每次水肥噴施量，最后采用偏差進行分析。試驗結果如表1所示。

由表1可知：該水肥機水肥噴施量的平均偏差為2.55%，滿足設計要求。

5.2 田間測試

為了驗證該往復螺桿背負式水肥機工作效果，進行了實地測試。現場測試效果表明：該往復螺桿背負式水肥機能達到預期要求。操作人員背負此裝置行走在田間，卷在卷管筒上的水管即可在自身重力和操作人員行走拉力的作用下自動松放，在電機和往復螺桿導向機構的作用下呈螺旋形自動均勻地纏繞在卷管筒上，水肥噴施量精準，達到控制誤差在5%以內，提高了肥料利用率，減少了肥料殘留。

表1 水肥噴施量測試試驗數據Table 1 Test data of water and fertilizer spray volume test

6 結論

針對往復螺桿背負式水肥機設計了控制系統，實現了該機的半自動化，并設有電機電流檢測電路、報警電路，大大提高了機器的安全性和可靠性。水管可自動松放，亦可在電機和往復螺桿導向機構作用下呈螺旋形自動均勻地纏繞在卷管筒上，無需人工重裝水肥，提高了工作效率。該系統能夠準確控制水肥噴施量，噴施誤差在5%以內，大大提高了肥料利用率，減少了肥料殘留，具有良好的經濟效益和環境效益。