小型固態有機肥施肥機的設計

陳思欣，何家成，何培祥

(西南大學 工程技術學院，重慶 400716)

0 引言

據統計，我國平均每公頃土地的化肥施用量高達434.3kg，是化肥使用上限的1.93倍。長期施用化肥在促進糧食增產的同時，也給土壤質量和農業生產的持續發展帶來新的挑戰[1]。研究指出，合理利用有機肥料能夠在確保農作物穩產高產的同時，對提高土壤環境質量有積極作用[1-3]。

為了普及有機肥的使用，我國科研機構自主研發以拖拉機為動力平臺的施肥作業機，如針對玉米的2BMF-4C型[4]、2BML-2(Z)型[5]玉米免耕施肥機及針對小麥的2BMF-6型[4]、2BMD-12型[6]免耕施肥機。通過配合拖拉機，施肥機能夠實現大面積耕地的高效作業[7]。我國西南地區耕地主要以山地丘陵為地貌特征，以小農經濟為經營模式的分散的小面積耕地。因此，小型的作業機具更適用。為此，設計了一款小型固態有機肥施肥機。

有機肥施肥作業過程中，為了達到保護土壤環境及資源的合理利用的目標，必須控制施肥量[8]，所以在機具通過人力輔助行走時，施肥量必須為定值。

1 整體結構與工作原理

小型固態有機肥施肥機主要由機架、肥料箱、排肥機構、同步帶組、電機、行走速度檢測器、排肥量設定旋鈕及控制系統組成，如圖1所示。工作時，電機通過同步帶組帶動排肥機構運動進行排肥；控制系統根據當前施肥機的行走速度與設定的施肥量計算當前電機需要的轉速，依據得到的電機轉速調節電機兩端的電壓從而使電機轉速達到計算值，以達到施肥機的施肥量只與設定值有關，與行走速度無關的目的。

1.控制開關 2.施肥量設定旋鈕 3.機架 4.排肥機構 5.肥料箱 6.車輪及車輪轉速檢測裝置 7.同步帶組 8.電機

2 關鍵部件設計

2.1 車輪轉速檢測裝置設計

車輪轉速檢測裝置包括霍爾傳感器、磁鐵及磁鐵固定盤，如圖2所示。磁鐵固定盤通過螺栓與車輪固定，磁鐵安裝在磁鐵固定盤的小孔中。霍爾傳感器與機架固定，當霍爾傳感器檢測到周邊存在較強的磁場強度時輸出低電平，否則輸出高電平。施肥機工作時，磁鐵固定盤隨著車輪一起轉動，機架相對于輪軸的位置不變。因此，每當磁鐵轉到霍爾傳感器正前方時，霍爾傳感器輸出低電平；霍爾傳感器位于2個磁鐵之間時，輸出高電平。控制器通過檢測兩個電平變化之間的時間，再結合施肥機的機械參數即可計算出當前的車輪轉速。施肥機的行走速度與霍爾傳感器輸出的信號之間的關系為

(1)

式中v—施肥機的行走速度；

d—車輪直徑；

N—磁鐵個數；

t—霍爾傳感器輸出兩個上升沿的時間。

根據人的行走速度、施肥機車輪尺寸再結合式(1)，最終確定在磁鐵固定盤上安裝12個磁鐵，即車輪每轉過30°，霍爾傳感器輸出信號就由高變低一次。

1.機架 2.霍爾傳感器 3. 磁鐵固定盤 4.螺栓 5.磁鐵

2.2 排肥器的設計

排肥器包括同步帶組、承肥帶、傳動輪、電機，以及張緊器，如圖3所示。其中，傳動帶位于肥料箱底部并作為肥料箱的底板。刮肥板安裝在承肥帶上，并由螺絲固定，當承肥帶轉動由傳動輪帶動時，刮肥板也隨著承肥帶轉動。肥料導入肥料箱后，實際是落在了承肥帶上，刮肥板就把承肥帶上的肥料分成了許多小格。隨著承肥帶轉動，肥料在到達承肥帶底面時就會在重力的作用下脫離。

排肥器的實時排肥量由車輪轉速與預設的單位施肥量這兩個因素決定，每畝施肥量則可換算施肥機的為每米施肥量，因此排肥器的排肥量和電機轉速之間的關系就極為重要。設承肥帶的寬度為b、刮肥板高度為h、刮肥板間距為sg、肥料的密度為ρ，那么每個小格可存放的肥料質量mg為

mg=ρ·hbsg

(2)

根據電機轉速與傳動輪半徑可以計算出單位時間內承肥帶轉過的距離之間的關系，即

(3)

式中s—單位時間內承肥帶轉過的距離；

n—電機轉速(r/min)；

r—傳動輪直徑。

單位時間內排出肥料的質量為

(4)

式中M—單位時間內排出肥料的質量。

將式(2)與式(3)代入式(4)即可得到單位時間內，電機轉速與排肥機構排肥量之間的關系為

(5)

1.張緊器 2.機架 3.排肥機構 4.同步帶組 5.電機 6.刮板 7.傳動輪

3 硬件電路設計

3.1 電路框圖

電路框圖如圖4所示。硬件電路主要完成的信號采集工作為：采集車輪轉速，采集設定的施肥量，采集電池電壓，檢測工作開關。電路需要控制的變量為電機的轉速，從而控制排肥速度，報警指示燈的工作狀態。

3.2 電路原理圖

圖5為電路原理圖。由圖5可知：本電路需要單片機I/O口的個數較少，對單片機的運算速度要求不高，因此采用了美國mircochip公司的PIC18F13K22；其最大工作頻率為64MHz，具有12路精度為10位的A/D轉換通道，4個定時器模塊，1個捕捉模塊。

圖4 電路框圖

考慮到施肥機的功率較小，其電機的工作電流最大約為5A，因此采用了美國TI公司的DRV8432。該芯片集電機驅動的H橋與柵極驅動為一體，可驅動兩路電機，將輸出端并聯后其最大工作電流為14A，允許峰值工作電流為24A，并帶有過流保護功能。單片機只需要輸出正反轉指令以及用于調節電機轉速的PWM信號給DRV8432即可。使用該芯片作為電機驅動電路與采用4個IGBT搭建的H橋電路相比，采用該芯片后有效地簡化了整個電路的復雜性，同時提高了電路的可靠性，縮小了硬件電路的體積。

圖5 電路原理圖

4 軟件設計

4.1 主程序設計

主程序流程圖如圖6所示。其主要功能為：單片機內的各個模塊進行初始化、電池低電壓報警，以及在檢測到工作開關按下后調用施肥子程序。

圖6 主程序流程圖

在對單片機內各個功能模塊進行初始化后，檢測電池電壓，如果電池電壓過低則進入報警程序。當電池電壓正常時，檢測工作開關是處于閉合狀態，如果為未按下則返回檢測電池電壓，如果按下則調用施肥子程序。

4.2 施肥子程序設計

施肥子程序流程圖如圖7所示。該程序的主要功能：由檢測車輪轉速經運算后控制電機的轉速及施肥機行走速度過快報警。

程序檢測到車輪的轉速后，先進行轉速是否過快判斷，以確保計算出來的電機轉速是在電機的最高轉速內；當檢測到施肥機行走速度過快時，停止電機轉動并進行報警。如果強行在施肥機行走速度過快時進行施肥，會導致實際施肥量無法達到設定施肥量的情況發生，且已施肥量無法確定。因此，當施肥機行走速度過快時，立即停轉并進行報警。當檢測到施肥機行走速度正常時，首先由檢測到的轉速計算出電機需要的轉速，其次再根據得到的電機轉速計算出需要脈寬調制的占空比并輸出相應的電壓。最后，由于改變電壓以后電機的轉速需要一定的響應時間，因此延時一小段時間后再回到主程序。

圖7 施肥子程序流程圖

5 試驗

5.1 試驗條件

為了測試該施肥機的實際工作性能，在西南大學的試驗田對該機的施肥精度進行了試驗。施肥機撒施的肥料為雞糞酒糟有機肥。試驗時，施肥機施肥量設置為4檔，分別為150、650、1 150、1 650kg/hm2；行走速度分別為V1、V2和V33檔，V1為勻速0.70m/s，V2為勻速1.2m/s，V3為變速(0～1.5m/s)。由于該施肥機由人工推動行走。因此，為了保證V1、V2為勻速運動，操作人員跟隨一個參考小車行走，該參考小車的速度可由人工進行設置；V3則為操作人員隨意推動行走。

5.2 施肥精度測試

在進行施肥精度試驗時，在不同施肥量的檔位下分別用V1、V2、V3進行施肥，并對施肥機施100m的實際施肥量進行記錄，試驗數據如表1所示。

由表1可以看出：在不同設置施肥量下，施肥機實際施肥量稍低于理論施肥量，但其誤差皆在4%以內，施肥精度高；并且在不同行走速度下，施肥機實際施肥量的差異甚小，從而驗證了理論上的施肥量與行走速度無關。

表1 施肥量精度試驗數據

6 結論

1)本固態有機肥施肥機能夠在不同的行走速度下，根據所設定的施肥量進行施肥作業，施肥量只與設定值有關，與行走速度無關。

2) 本施肥機實際施肥量與理論施肥量的誤差控制在4%以內，精度較高，滿足實際使用需求。