變量噴藥裝置控制系統的設計與試驗*

周文娟

（黑龍江職業學院電氣工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

近年來，隨著人們對生態環境及食品健康的關注，開始對精準農業中農藥噴藥裝置及噴藥技術提出新的要求。

國外發達國家對基于地圖或實時傳感器技術的可變量噴藥系統的研究已日漸成熟。如Carrara等[1]利用ITAF變量施藥系統對西西里島的小麥進行除草劑變量施用研究，比傳統方法節約了29%的除草劑。德國的農業工程研究所[2]開發出適用于谷物和豆類田間管理的實時變量噴藥系統，經試驗檢測，可降低除草劑平均用量的24.6%。

我國農業機械化水平相對發達國家較滯后，目前大都停留在試驗階段。如黃燕等[3]研制了可測量液肥施用裝置，得出液肥料質量分數，電動機轉速及噴頭口直徑大小對噴頭流量的影響規律及主次關系。尹東富等[4]研發出的基于處方圖的變量對靶噴藥系統的對靶率超過90%，施藥量降低60%以上。徐艷蕾等[5]利用流體網絡理論建立噴藥網絡的數學模型，搭建的變量噴藥系統數據分析噴藥量與理論值誤差均小于10%。

本文所設計的噴藥裝置可對藥液的液位進行標定，此外，還可測試主閥進水口不同壓力下的3個分閥在一定的時間范圍內的藥液流量。經過控制器液位標定數據誤差分析得出，藥液液位誤差范圍為0.01%，可為噴藥農用機械的研制提供可行性參考。

1 噴藥裝置整體方案設計

1.1 主要結構和工作原理

噴藥裝置試驗臺結構示意圖如圖1所示。噴藥裝置試驗臺主要由液位傳感器、攪拌器、調節閥、溢流閥、液體泵、藥箱、3段12個噴頭、流量計、壓力傳感器以及各種管道組成[6]。

圖1 噴藥裝置試驗臺結構示意圖

試驗開始時，接通電源，電動機帶動液體泵工作，藥液的流動路線為藥箱、過濾器、液體泵、壓力表、主閥、調節閥、過濾器、壓力傳感器，最后藥液從噴頭噴出。當藥液從液體泵流出時，液位傳感器實時記錄箱內剩余藥液的液位，壓力表檢測主閥進水口的壓力；藥液經過3個分閥時，可用壓力傳感器測其時的壓力；改變調節閥的狀態，進而改變主閥進水口壓力，可達到調整3個分閥在一定時間內流量的目的。此外，從溢流閥接一條管道到攪拌器，可實現藥液的攪拌回流；從調節閥再增加一條回流管到藥液箱，可防止藥液的浪費。

1.2 部件選取和設計

控制器采用的是意大利BRAVO 180S農作物噴灑計算機，如圖2所示，其上有8個按鍵，分別為RATE、ESC、PM、OK、上、下、左、右，7個DIP開關。在本次實驗中有效的是5個，包括主閥，1、2、3分閥，調節閥，可控制各閥的開、關及開度。

圖2 意大利BRAVO 180S農作物噴灑計算機

流量傳感器采用Tee Jet公司的801流量計，輸出為脈沖，每升有82個脈沖，計量輸出的流量，要換算成流速L/min，需要用單片機定時測量，設輸出脈沖為N，則每秒的脈沖增量為△N，取前4s的采樣值，并考慮減少延遲滯后，采用加權系數，則當前流速[6]：

調節閥采用Tee Jet公司的344BRL，開度從全關到全開需要6 s，測試的有效最小微動是1/160 s。

2 噴藥控制系統硬件電路設計

噴藥控制系統硬件電路以微控制器為核心，選用封裝為LQFP-44、STC12C5A60S2型單片機，其集成了8路高速10位A/D轉換，也支持串行通信，將分析和處理壓力傳感器、液位傳感器和速度傳感器采集到的數據，并驅動鍵盤和LCD顯示器，實現與用戶交互。

2.1 系統供電模塊硬件電路設計

噴藥裝置中意大利控制器的直流12 V由蓄電池提供，LM2596開源電壓調節器芯片組成的降壓穩壓電路將蓄電池的DC12 V降為DC5 V，以滿足單片機、各個傳感器、調節閥的工作供電電壓需求。

如圖3所示，其中型號為1N4148二極管D1是防止輸入12 V直流電壓反接，輸出部分肖特基二極管1N5825與電感L1起續流作用，當芯片電壓關斷時持續為負載供電，同時電感L1與電解電容C5也起紋波濾除作用。

圖3 系統供電模塊硬件電路

在PCB設計中，四腳反饋線要遠離電感L1，電路圖中粗線部分在布線時線寬要粗，最好用地線屏蔽。

2.2 傳感器信號采集模塊硬件電路設計

各傳感器輸出信號均為4 mA～20 mA標準模擬電流信號，其硬件電路設計如圖4所示。壓力與液位傳感器信號通過精密電阻接地將其轉換為電壓信號后，由阻容組成的低通濾波器將高頻干擾濾除掉，交由單片機的AD轉換器處理，處理為數字信號。其中，處理后的壓力傳感器信號作為控制器正常工作與否的數據來源，故其選型時的量程值要大于控制器的工作范圍；而處理后的液位傳感器信號則作為控制對象作用于執行機構調節閥上。

圖4 傳感器信號采集模塊硬件電路

速度與流量傳感器信號則通過TLP521-4型光電耦合器將脈沖信號隔離放大后交由單片機處理，并將輸出信號電流值顯示在BRAVO 180S農作物噴灑控制器上。

2.3 執行機構驅動模塊硬件電路設計

噴藥裝置系統的執行機構為調節閥，調節閥的驅動電路有2個9530P型溝道，2個530型N溝道MOS管構成H橋，以此來控制電機M的正轉與反轉，實現控制器的手動及自動控制。電路圖如圖5所示。當開關5打開時，單片機P0.2口為低電平，P0.0口為高電平，Q1與Q4管導通，電機P正轉，需進行手動調節；當開關6閉合時，單片機P0.2口為高電平，P0.0口為低電平，Q2與Q3管導通，電機P反轉，控制器自動控制。本次試驗是在手動的情況下進行的。

圖5 調節閥驅動模塊硬件電路

3 噴藥試驗及液位標定

根據前面所介紹的噴藥裝置，在室外環境下，以水代替農藥進行了手動噴藥試驗。調節閥是通過調節水的壓力和流量來實現變量噴灑的。首先將藥液箱加滿水，接通電源，使系統工作，把工作壓力調整到所需的范圍內，待噴頭工作后，看是否有后滴現象。如有的閥體出現后滴，就要拆開防滴閥，更換膠墊和彈簧等。待閥體全部調試完畢后，即可進行噴頭流量試驗。

3.1 壓力及流量試驗

進行噴頭流量試驗時，將標有編號的量杯分別放在相應的噴頭下方，起動電動機，打開主閥開關；當主閥進水口壓力為0.45 MPa和0.80 MPa時（即此時壓力表N的讀數），用秒表計時1 min，在控制器上控制分閥1、2、3，讀取相應狀態下量杯中的水量（即每個分閥的噴水量）和壓力傳感器M在BRAVO 180S計算機上的顯示值。試驗數據如表1、表2所示。

表1 噴藥裝置噴灑試驗數據1

表2 噴藥裝置噴灑試驗數據2

由表1和表2可知，在主閥進水口壓力恒定時，關閉2個分閥、關閉1個分閥、未關閉分閥的每分鐘噴水量是逐漸減少的，且噴水量隨著噴頭處壓力的增大而增大。

對比表1和表2可知，主閥進水口壓力的大小對噴水量有影響，隨著其壓力的增大而增大，呈現正相關關系。

從表3可知，當BRAVO 180S計算機處于0.05 MPa時，無藥液從各分閥流出。

表3 噴藥裝置噴灑試驗數據3

3.2 液位標定試驗

液位標定試驗目的是測試監測系統藥液容量的測量誤差。其中，輸出信號電流值由流量計通過單片機處理后送顯BRAVO 180S計算機上得到，容量值由水表測量得到。試驗在噴藥裝置上進行，試驗結果如表4所示。

表4 意大利控制器液位標定試驗數據

采用插值計算的曲線，如圖6所示。在每個標準點之間做插值計算，取每兩個標準點的中點來檢查讀數值，如表5所示，最大絕對誤差是10 L，水箱容量為1 000 L，相對精度好于0.01%。

圖6 輸出信號電流值與容量值關系圖

表5 測量容量值與插值計算值誤差分析表

4 結果與討論

本文通過BRAVO 180S計算機控制主閥及調節閥的開度，實現實時變量噴藥。試驗表明，藥液液位控制誤差在0.01%左右。主閥進水口壓力和分閥的狀態以及兩者之間的交互作用，對噴灑的流量都有一定的影響，均可以通過系統執行機構調節閥在線調節農藥噴灑流量，可為農藥噴灑裝置的設計提供一定的理論數據與實踐支撐。