變量噴霧機實時混藥系統設計與實現

陳志剛，夏鄭偉，王鵬程，杜彥生

（1.江蘇大學 京江學院；2.江蘇大學電氣信息工程學院；3.江蘇大學 環境與安全工程學院，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

我國是一個農業大國，噴霧施藥是控制苗圃、果園病蟲草害行之有效的方法［1］。混藥控制系統作為施藥控制系統的核心之一，在施藥過程中起著十分重要的作用［2-3］。傳統的農藥噴灑過程中，農藥混合和攪拌都是在噴灑之前進行［4-6］。混藥過程中人需要與農藥接觸，對操作者有一定毒害危險，且混藥量很難掌握，混藥比精度低，多余的農藥會造成環境污染和浪費［7-9］。為解決以上問題，在線自動混藥技術研究提上日程［10-12］。在線混藥系統將藥、水獨立放置，在施藥作業時自動混藥且對混藥比進行控制，能夠因地制宜，提高農藥的使用效率、減少環境污染和作物農藥殘留問題，是構建綠色、環保生態環境的有效手段［13-15］。孫竹等［16］設計一種微小型注入式直流混藥器并進行實驗。該裝置采用直流變頻技術控制混藥泵流量，適用于柱塞泵噴霧機，但未考慮變量噴霧機使用情況，且未說明混藥比調節范圍；袁琦堡等［17］對實時混藥噴霧系統進行研究，通過改變控制信號的脈沖頻率調整精量柱塞泵轉速，達到控制供藥量目的，但其控制精度主要取決于柱塞泵精度，存在一定局限性。

本文設計一種可用于變量噴霧機的實時混藥系統，通過液位傳感器獲取緩沖罐液位信息，并據此控制混藥量，在滿足變量噴霧機農藥使用的同時節約農藥；通過試驗得出混藥系統實際工作時PWM 信號占空比與藥液流量的數學模型；根據該模型設計控制算法，采用PI 控制器對PWM信號的占空比進行反饋控制，使PWM 信號對藥液流量的調節更加快速準確，彌補了相關研究的不足；通過流量傳感器對水流量進行檢測，能夠實現混藥比的精確控制，混藥比調節范圍廣。

1 實時混藥系統

1.1 系統組成

實時混藥系統結構如圖1 所示，由供水、供藥、混藥和控制4 部分組成。其中，供水部分包括水箱和隔膜泵，供藥部分包括藥劑罐和蠕動泵，混藥部分包括混藥器、空心錐形噴嘴和緩沖罐，控制部分包括基于STM32F407ZET6的嵌入式控制器、流量計、第一液位傳感器、第二液位傳感器等檢測元件，以及PWM 驅動模塊等執行元件。系統工作時，水箱中的清水由隔膜泵泵出，經流量傳感器進入混藥器，混藥器采用文丘里效應原理，將蠕動泵泵出的藥液吸入混藥管，清水和藥液在混藥管充分混合后射出，通過空心錐形噴嘴噴灑于緩沖罐中。緩沖罐下方裝有液位傳感器，對混藥量進行實時監測。緩沖罐經水泵與壓力表和變量噴霧機相連，進行農藥噴灑。實時混藥系統實物如圖2 所示。

Fig.1 Real-time drug mixing system圖1 實時混藥系統

1.2 控制系統硬件設計

變量噴霧機實時混藥控制系統以STM32F407ZET6 單片機為核心，外部由電源模塊、供水控制模塊、供藥控制模塊、人機交互模塊、第一液位傳感器和第二液位傳感器組成，其中供水控制模塊包括驅動電路、隔膜泵和流量傳感器；供藥控制模塊包括PWM 驅動電路、蠕動泵和電壓反饋電路，系統功能如圖3 所示。

Fig.2 Real-time medicine mixing system圖2 實時混藥裝置

Fig.3 Composition principle of control system圖3 控制系統組成原理

電源模塊可將直流電源24V 轉換為多種低電壓形式輸出，滿足不同元器件供電需求。供水控制模塊通過驅動電路對單片機輸出的控制信號加以整形放大，隔膜泵根據控制指令調整工作狀態，并通過流量傳感器對流量進行檢測。供藥模塊通過PWM 驅動電路調節蠕動泵內直流電機轉速，進而調節蠕動泵輸出流量，通過電壓反饋電路對PWM 信號占空比進行反饋。人機交互模塊由觸控顯示屏通過串口與單片機通信，可通過觸控屏輸入混藥比目標值并顯示主要參數。

1.3 軟件與控制算法設計

實時混藥系統通過調節藥液流量達到控制混藥比目的，藥液流量通過蠕動泵吸藥精準控制，蠕動泵由直流電機驅動，吸藥量與直流電機的轉速具有良好的線性關系［18］，直流電機轉速可通過改變電機兩端的驅動電壓進行調節［19］。工作電壓通過脈沖寬度調制信號的占空比進行改變，理想狀態下，工作電壓值等于信號源電壓與占空比乘積［20］。但在實際應用中，驅動電路的變頻電路和整流電路會存在一定程度損耗，導致實際輸出的工作電壓與理想值之間存在一定差距。本文通過試驗得出混藥系統實際工作時PWM 信號占空比與藥液流量的數學模型，根據該模型設計控制算法，并采用PI 控制器對PWM 信號的占空比進行反饋控制，使PWM 信號對藥液流量的調節更加快速準確。

1.3.1 PWM 產生方式

本系統對輸出頻率要求不高，可通過軟件編程方式實現PWM 信號輸出，PWM 信號中斷程序原理如圖4 所示。

Fig.4 PWM flow of timer interrupt generation圖4 定時器中斷產生PWM 流程

軟件方式產生的PWM 信號可通過單片機內部定時器實現。產生PWM 信號需同時使用兩個定時器，其中一個控制頻率，另一個控制占空比。根據占空比計算公式（1）和（2）可知，定時器產生的中斷基準時間為單個周期的1%，即每溢出100 次，代表PWM 信號輸出一個完整運行周期。故中斷子程序定時器設置如下：

定時器溢出的前Nt次為高電平輸出，定時器溢出的后100-Nt次為低電平輸出，直至溢出次數達100 次。

式中：t0為中斷基準時間，單位s；T為周期，單位s；f為頻率，單位Hz；r為占空比；Nt為PWM 高電平對應溢出次數；Nd為PWM 低電平對應溢出次數。

為使PWM 信號對電壓的調節更加快速準確，本文采用PI 控制器對PWM 的占空比進行反饋控制。PI 控制器表達式如下：

式中：KP為比例系數；Ek為模塊本次實際輸出與控制輸出之間的誤差；Ek-1為模塊上次實際輸出與控制輸出之間的誤差；Ti為積分時間常數；T 為系統采樣周期，取100 ms。

由表達式可以看出，PI 控制算法只需進行兩次誤差計算即可得到合適的PWM 信號占空比輸出值。與相對復雜的PID 控制算法相比，PI 控制算法使用更加簡單，響應速度更快，更加適用于實時混藥控制系統。

1.3.2 混藥比控制程序設計

混藥控制系統啟動后，操作人員可根據不同的施藥情況通過觸控顯示屏輸入混藥比目標值。主控芯片采集流量傳感器發出的脈沖信號，對提供清水的隔膜泵流量進行計算，根據混藥比計算所需蠕動泵流量。通過蠕動泵流量與PWM 信號占空比之間的數學模型計算需要產生的PWM 信號占空比，進而生成PWM 調制信號。通過PI 控制器對PWM 信號進行反饋，使PWM 信號的調節更加快速準確。程序流程如圖5 所示。

Fig.5 Flow chart of mixing ratio control program圖5 混藥比控制程序流程

1.3.3 主程序設計

系統啟動后，用戶通過人機交互模塊輸入混藥比目標值。實時混藥控制系統分別通過第一液位傳感器和第二液位傳感器獲得水箱和緩沖罐的實時液位。當第二液位傳感器檢測到緩沖罐內的液位低于設置的最低液位時，通過驅動電路使隔膜泵開始工作，同時由生成的PWM 調制信號控制蠕動泵精準吸藥，向混藥器持續注入清水和藥液，使緩沖罐內液位上升。控制系統通過流量傳感器獲得隔膜泵吸水時的實時流量，對PWM 信號進行動態調整。當第二液位傳感器檢測到緩沖罐內的液位高于設置的最高液位時停止混藥。在此過程中，車載變量噴霧機會根據實際需求從緩沖罐內抽取一定量的藥水混合液，當緩沖罐內液位低于設置的最低液位時，隔膜泵和蠕動泵重新啟動，繼續進行混藥，如此循環。當第一液位傳感器檢測到水箱水位低于警戒水位時，發出警報并停止混藥。程序流程如圖6 所示。

Fig.6 System control flow圖6 系統控制流程

2 試驗與分析

2.1 試驗材料

實時混藥系統所用水泵為上海新西山公司的DP-70隔膜泵，最大功率150W，額定電壓DC12V，最大流量19L/min，軟管管徑12mm。流量傳感器選用LWGY-MK-DN6型液體渦輪流量計（杭州米科傳感技術有限公司），量程為0.1～0.6 m3/h，檢測精度為±2%F.S，電流輸出為4～20mA，工作電壓為直流24V。混藥泵選用潤澤流體RZ1030-4 蠕動泵，采用直流電機驅動，額定功率5W，電壓為DC12V，流量140mL/min，軟管管徑3mm。直流穩壓電源PS-305DM，可提供0～24V 直流電壓。藥液由水和染色劑按一定比例混合進行模擬。清水和藥液質量稱量使用精量電子秤，精度為1%。計時采用秒表，精度為1ms。

2.2 藥液流量試驗

在蠕動泵工作電壓0～12V 內選取8 個試驗電壓，分別為5、6、7、8、9、10、11、12V，通過直流穩壓電源給蠕動泵供電。在各工作電壓下分別測量蠕動泵吸藥量，計時10s，計算得到蠕動泵工作電壓與吸藥量之間的變化關系如圖7所示。試驗表明，蠕動泵吸藥量也與工作電壓存在著式（4）所示的良好線性關系，相關系數R2=0.999 99。

其中，L為蠕動泵流量，單位mL/min；C為蠕動泵工作電壓，單位V。

為通過調節占空比對藥液流量進行控制，本文將在不同占空比條件下對蠕動泵進行吸藥量試驗。選定信號源電壓為12V，PWM 頻率為1 000Hz，逐步改變占空比值，測量蠕動泵吸藥量。試驗采用多次測量取平均值方式，提高數據準確性。通過試驗測得蠕動泵流量—占空比特性曲線如圖8 所示。

Fig.7 Flow-voltage characteristic curve of peristaltic pump圖7 蠕動泵流量-電壓特性曲線

Fig.8 Characteristic curve of peristaltic pump flow-duty ratio test圖8 蠕動泵流量-占空比試驗特性曲線

2.3 藥液流量分析

如圖8 所示，蠕動泵流量與脈寬調制信號占空比之間的關系并非標準的線性關系，當占空比在76% 以上時，蠕動泵流量增長速率發生了變化。雖然蠕動泵的流量與調制信號占空比之間不再維持線性關系，但依然保持單調遞增的趨勢，兩者之間的函數關系可表述為連續函數。為實現對蠕動泵流量的精準控制，需要建立蠕動泵工作時的數學模型，求解流量與調制信號占空比之間的關系函數。當調制信號占空比小于76% 時，蠕動泵流量與占空比之間具有良好的線性關系，而當占空比大于76% 時則變為非線性關系，為使數學模型更加準確，這里采用分段函數進行處理。

當調制信號占空比處于48%～76% 之間時，對試驗數據進行線性擬合，可得式（5）所示的數學模型方程，相關系數R2=0.99973。

其中：L為蠕動泵流量，單位mL/min；r為PWM 信號占空比。

當調制信號占空比處于76%～100% 之間時，利用Ori?gin 軟件對試驗數據進行非線性擬合，可得式（6）所示的數學模型方程，相關系數R2=0.999 33。

其中：L為蠕動泵流量，單位mL/min；r為PWM 信號占空比；A1=-1 187.027 3，t1=2.434 01，A2=-1 435.096 5，t2=21.434 12，y0=165.282 01。擬合曲線如圖9 所示，可以看出均能較好地描述蠕動泵流量與調制信號占空比之間的關系。

Fig.9 Fitting curve of peristaltic pump flow-duty ratio圖9 蠕動泵流量—占空比擬合曲線

2.4 混藥比控制試驗與分析

根據蠕動泵流量與PWM 信號占空比關系的數學模型編寫控制算法，使得藥液流量能夠精確控制，進而對混藥比進行控制。將完成好的實時混藥系統搭載到南通廣益機電有限責任公司生產的3WG-8A 型風送式變量噴霧機上，對實時混藥系統進行混藥比控制試驗。由于不同情況下的施藥要求可能會發生變化，實時混藥系統需要對混藥比進行在線調節。本系統選用的隔膜泵最大流量為19L/min，可實現混藥比140∶1 到400∶1 之間的實時調節。為了對混藥控制效果進行檢驗，本文選取混藥比分別為150∶1、200∶1、250∶1、300∶1、350∶1、400∶1 進行試驗。每次試驗時混藥系統持續運行20s，測量系統運行過程中累計的清水流量和藥液流量，計算得出混藥系統在該混藥比（累計清水流量與累計藥液流量的比值）下的實際比值。對每個混藥比分別進行3 次試驗，得到該混藥比的平均誤差，如圖10 所示。

Fig.10 Error of mixing ratio圖10 混藥比誤差

由圖10 可以看出，實時混藥系統在運行時會產生一定誤差，誤差范圍整體小于5%，且隨著混藥比增大誤差也有增大趨勢。這是因為混藥比越大，蠕動泵流量越小，對蠕動泵的精度要求越高。

3 結語

本文設計了以STM32F407ZET6 單片機為核心的實時混藥系統，可根據不同的施藥環境設置混藥比，實現自動混藥。通過流量傳感器對水流量進行檢測，PWM 信號對藥液流量進行調節，采用PI 控制器對PWM 信號的占空比進行反饋控制，可在一定范圍內實現混藥比準確控制。混藥比控制試驗表明：設計的實時混藥系統混藥比在140：1 至400：1 之間在線可調，且控制誤差在5% 以下，能夠滿足大部分施藥需求。

系統能夠根據緩沖罐內的液位情況控制混藥進程，液位過低時持續混藥，液位高于指定位置時停止混藥，使緩沖罐內的藥水混合液保持在合理液位，便于配合變量噴霧使用，提高了農藥利用率。

將脈寬調制技術與PI 控制方法應用于在線混藥系統可準確控制混藥比。但本文只研究了其對混藥比的影響，未研究其對混藥均勻性的影響，后續將進一步研究。