智能控制變量施肥機的設計研究

鄭棟梁，馮振華

（許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000）

參照聯合國糧農組織的統計，化肥對糧食生產的貢獻率約為40.0%，中國耕地面積占世界7.0%左右，能滿足世界22.0%以上人口的糧食供給需求。從20世紀70年代以來，國內農業生產中化肥施用量呈現不斷增多的趨勢，至1990年已成為世界上化肥產品最大的消費國。近些年，農業技術有很大發展進步，很多農用工具產品陸續研發與應用，施肥機便是其一，基于單片機控制優化施肥機控制變量的設計效果，是實現精細農業的重要基礎。

1 變量施肥機設計

1.1 硬件控制系統

結合農業變量施肥的現實需求，單片機控制電路由如下3部分構成[1]。

1.1.1 輸入土壤養分信號

利用實時傳感器采集土壤養分狀況信息，能實現在線監測，在獲得田間土壤有效成分的含量信息后，將其統一傳送到單片機內。因電磁場自體的性質受到土壤所屬類型、各類有機物含量值、土壤相對濕度以及其他土壤性質等多方面的影響，故而，能夠形成可以被感應到的土壤肥力相關信號。

1.1.2 采集機具運作的實際速度

在本控制機構運作階段，應重點關注機具作業速度這一指標。控制機構基于特定角度——數字編碼器，順利的把機具前進速度信號轉型為脈沖信號，并將其統一完整地輸入至單片機。

1.1.3 調控脈沖輸出過程

因步進電機電源自帶脈沖分配器與功率放大電路，故而單片機系統僅能夠將控制脈沖信號輸送給步進電機，在此基礎上實現脈沖壓差，促進高低電平順利轉換過程[2]。

1.2 控制軟件

可以采用C 語言研發出一套具有高度普適性的軟件系統，針對精細農業變量施肥耕作過程實現科學指導。在動力機械設備運作結算，該軟件系統能依照傳感器檢測出的土壤性質相關信息，參照設定的目標生產量，精確測算排肥量，再依照速度傳感器實測出的速度值，測得并規劃出步進電機的運轉速度，對外輸送出相應的脈沖。針對單片機內的應用系統軟件，統一采用順序結構法進行設計，具體是由主程序與中斷服務程序量的大部分構成。主程序的功能主要有系統自我檢測、原始化系統功能和復位步進電機。當有鍵被按下后，便會即刻執行相關功能。中斷程序主要由速度輸入、傳感器信號輸人中斷兩部分構成。參照系統正常運作階段對各操作提出的具體要求，設定主程序、中斷服務程序應完成的具體任務，并科學編制出中斷優先等級。

2 設定變量施肥決策系統的功能

具體是以投入產出物的變量模型為基礎完成施肥決策，在該環節中一定要分析到不同地理環境條件形成的約束。部分農田地勢平臺規整，部分地勢存在一定傾角，所需要輸送的投入物存在差異，參照具體結果，編制相配套的施肥決策方案。若檢測到農田內土壤條件較為干燥，則輔助應用保水方法。對農田土壤環境條件做科學分析、診斷，將增加勞動成本的投用量。故而需綜合分析施肥決策方案和投入成本，力爭獲得高收益的施肥決策模型。

在具體實踐中，可以結合農作物的銷售單價，尿素和復合肥的購入成本，復合肥內N、P、K的含量N、P、K需求量值等等相關變量，制定施肥配置的最佳方案。在施肥生產實踐中，一定要結合農作物健康生長的現實需求，科學調配應用多種肥料，逐漸實現平衡施肥，實現對變量施肥過程的精準化管理控制。

3 探析變量施肥機的工作原理

3.1 認真落實前期準備工作

指派技術人員把3 點懸掛接至拖拉機等動力機械設備上，結合田間農作物健康生長的現實需求，將適量肥料投放至肥料箱內，連接好電源，開啟電控箱上的布設的源開關，將每0.067 hm2地施肥量的數值輸入至單片機觸摸屏一體機上。

3.2 施肥機作業流程

當動力機械設備運作時速度信號采集系統會即刻步入到工作模式中，檢測到的動力設備運行速度信號，快速的被傳送至信號處理器內，歷經高速測算過程后，信號處理器將有關作業命令傳送給硬件執行系統，引導執行系統內裝設的步進電機嚴格依照作業命令正向或著逆向轉動相應的圈數，步進電機對安設于絲桿螺母中絲桿的轉動過程形成驅動作用。在機械設備在以上的工況下，絲桿螺母及其上部安設的排肥口插板同步進行正向或反向直線運動。步進電機按照正向或者方向轉動過程中，就能推動排肥口插板作周而復始的直線運動，其作用有開啟、閉合以及調控肥料箱排肥口大小的功能。若拖拉機等動力設備加速或者減縮運作時，排肥口的張開度也會同步改變，以上是實現變量排肥的重要基礎，維持單位面積中作物施肥量恒定，當動力機械停運時，由于此時無運行速度信號，施肥作業隨即停止。

3.3 電源

選用12 V電瓶作為電源，大部分農業生產工作要求選用拖拉機等動力機械上安裝的電瓶即可。電瓶的作用主要是為單片機及電控箱、各種電機運行過程提供充足的電能。

3.4 排肥電機工作原理

在拖拉機等動力設備形成運行速度信號時，排肥電機會智能化啟用，無信號時自動閉合。排肥導向板、電機均被集中安裝在排肥底板上，排肥電機上設有排肥葉輪，拋撒肥料是葉輪的主要功能。導向板對肥料拋撒面大小形成一定調控作用。

4 智能控制變量施肥機的應用情況

為明確本課題設計變量施肥裝置的效能，在2019 年8 月份在某村開展了土地變量施肥試驗，選取南薯作為種植品，復合肥作為主肥，尿素是追肥。試驗選用的土地種植面積是典型的小田塊，總面積為866.67 m2，大概0.09 hm2，實測得水平傾角（φ）10.7°。選用東方紅-13 型拖拉機牽引作為施肥機的動力裝備，機組前行速度設定為3.4 km/h。

首先，參考試驗田塊地形地貌，基于傾斜網絡法進行田塊規劃，并對小面積田塊進行編號處理。將小區寬度A 定義為播種機的播幅，小區長度B 為20 m。檢測各分區的土壤養分類型及具體含量。

其次，將以上數據（測得的各分區土壤養分情況，南薯生長需求養分信息，南薯、尿素和復合肥產品價格S1、S2、S3，復合肥內N、P、K 含量a、b、c，尿素的含氮量45.0%，施肥量和農作物產量等相關性數據）整體輸送到變量施肥機內，啟用單片機系統生成南薯變量施肥模型，并參照施肥區規劃情況編制相配套的施肥方案。設定施肥量DU 為401.1 kg/hm2， DF為472.7 kg/hm2。

該臺變量施肥機還配置了GPS、GIS、3S 及計算機處理系統。將計算機顯示屏幕裝設在操作臺的右側，當拖拉機在農田間運行時，因為地壟高低不同，以致拖拉機無法實現恒速運作，基于GPS 系統的精準定位與計算機的屏幕呈現功能，排肥軸智能的把將N、P、K 等肥料依照所設定的準確量逐一施加到土地內，取得較好的變量施肥效果。

統計不同時點排肥器排量穩定性的實驗數據，經測算分析后，得出施肥機在3.4 km/h速度下施肥作業，排肥器排肥量的理論值和實測值的絕對最大誤差是2.32%，處于受控范圍中（≤2.95%），轉速絕對誤差最大值2.51%，同樣得到較好的控制（≤2.68%）2.67%。

5 結束語

基于單片機控制規劃設計施肥機，能實現科學調整施肥量的變化范疇，精確、穩定地操控排肥量過程。在南方的山地和丘陵地帶農業生產階段，若能積極引進、應用變量施肥機，則能幫助廣大農戶創造更多經濟效益，也使區域農業現代化、智能化發展有更強大的技術支撐。