有機肥撒施機液壓推肥機構調速裝置的設計

田 健，陳愛慧，吳 昊，徐 冬，李 博，于文昌，許驍博，劉 巖

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

黑土地是指擁有黑色或暗黑色腐殖質表土層的土地，富含大量有機質成份。東北平原是世界三大黑土區之一。當前，東北黑土地數量在減少，質量在下降，國家高度重視東北黑土地保護，提出了要采取有效措施，保護好這塊珍貴的黑土地。通過增施有機肥、秸稈還田等方式，增加土壤有機質含量，改善土壤理化性狀和耕地基礎地力，是保護黑土地的有效措施。有機肥主要分為堆肥、漚肥、廄肥、沼肥、綠肥和泥肥等，東北平原地區秸稈資源豐富，畜牧養殖集約化程度在不斷提高，可為有機肥生產提供充足原材料[1-3]。事實證明有機肥還田可以提高農作物品質[4-5]，隨著農業可持續發展和農業全程機械化等政策的不斷實施[6-8]，有機肥撒施機作為有機肥還田的專用農機具逐漸受到市場的認可。

1 有機肥撒施機概述

根據有機肥的形態不同，有機肥撒施機可分為固態有機肥撒施機和液態有機肥撒施機兩大類[9-10]，還有專門為果園大棚適用的小型化設計[11-13]，隨著新技術的發展，信息化、自動化與農機具的融合也成為新的發展方向[14-17]。固態有機肥撒施機的結構一般可由裝配式料箱、拋撒機構、推肥機構、肥量調節機構、傳動機構和行走系統等部分組成[18]。目前，市場上常見的推肥機構設計分為鏈板輸送式、液壓推送式、攪龍輸送式和膠帶輸送式等幾類[19-22]。為適應不同土壤條件的有機肥撒施需求，有機肥撒施機一般都設計有特征施肥量調節功能，調節單位面積的施肥量，但實際操作一般較為繁瑣[23-24]。本文針對液壓推肥機構，設計一種基于MCU控制器，以電磁流量閥作為執行器，控制液壓油流量調節液壓缸動作速度的裝置，從而達到根據土壤需求調節特征施肥量的目的。

2 調速裝置的設計

2.1 調速裝置組成與工作原理

有機肥撒施機推肥機構的液壓系統由液壓缸、電磁比例閥和液壓管路組成，液壓動力由拖拉機提供，電源供電由拖拉機蓄電池提供。工作原理是通過控制液壓回路中比例電磁閥閥門的開合比例，改變單位時間流入液壓缸中液壓油的流量，進而達到控制液壓缸的推進速度。電磁閥根據功率驅動器受控電平信號的變化，連續調節管路內液壓油的單位流量，液壓缸可以完全停止或運動，實現調節撒肥機特征施肥量的目的。設計中采用MCU為控制核心，結合變量輸入和液晶顯示模塊，通過調理電路產生0～10 V電壓控制信號，控制比例電磁流量閥的開合比例，實現對撒肥機液壓系統的控制。工作原理框圖如圖1所示。

圖1 工作原理框圖

2.2 主要硬件設計

電路主要由電源供電、顯示屏、模擬量輸入信號采集和驅動調理電路組成。核心控制芯片采用STM32F042系列MCU，內部集成有12bit高精度ADC、通用定時器和CAN總線等外設[25-26]。

2.2.1 執行器——電磁閥

電磁閥是重要的執行器件，主要功能是可以比例調節液壓油的流量，實現對推肥液壓缸的速度控制。需要直流供電，兼容標準的控制信號，具有較好的線性度，所以設計采用德國力士樂的比例電磁閥，如圖2所示，最大流量可達25 L·min-1，控制信號電平范圍為0～10 V，電壓流量線性曲線如圖3所示。該比例電磁閥由直流24 V供電，具有位移傳感器和比例控制器，線性度更好，可以準確執行流量控制動作。根據性能曲線圖，可以推算出理論條件下的流量和控制電壓的關系表達式

圖2 比例電磁閥

圖3 電壓流量線性曲線

Fout=0.278(10Vin-10)

(1)

式中，Fout表示流量值，單位L·min-1；Vin表示控制信號電壓值，單位V。

2.2.2 電源電路設計

供電電源采用拖拉機的蓄電池供電，工作時電壓波動較大，而且電磁閥比例控制器需要隔離供電，設計中采用隔離DC-DC模塊和LDO芯片組合供電。原理圖如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖

2.2.3 采集和PAC電路

GP8101是一種新型專用PAC(PWM to Analog Convertor)芯片，集成度高，價格具有競爭力，可根據輸入的PWM信號占空比轉換產生0～10 V模擬量信號，轉換精度高達±1%。設計中使用MCU定時器TIM3生成PWM信號，同時通過采集變阻器上電壓信號ADC值，改變PWM信號的占空比，則PAC芯片可輸出0～10 V信號。原理圖如圖5所示。

圖5 PWM和采集電路原理圖

2.2.4 顯示器模塊

顯示屏采用組態液晶觸摸屏模塊，兼容CAN和RS232串行數據總線，可以顯示圖表、中英文及數字等信息，能滿足正常使用需求。觸摸屏功能仿真如圖6所示。

圖6 顯示屏仿真

2.3 裝置的程序設計

STM32F042系列內置定時器總線時鐘設置為16 MHz，預分頻設置16倍，定時器自動裝載寄存器(TIM3_ARR)設定為4 096，則輸出PWM信號頻率約為244 Hz，初始占空比為50%。內置ADC分辨率12位，開啟DMA中斷后讀取數據寄存器(ADC_DR)中值，并賦值比較寄存器(TIM3_CCR3)，更新PWM信號占空比。程序流程圖如圖7所示。可以估算出理論流量值關系表達式為

圖7 流程圖

(2)

式中，Fout表示流量值，單位L·min-1；SADC表示采集的ADC值。

轉動變阻器可修改PWM信號占空比，通過串行數據總線，將參數傳輸至觸摸屏中以顯示。因為比例電磁閥線性度較好，若占空比和0～10 V輸出信號相關性較好，即可將占空比作為評價流量的指標。

3 實驗與結論

3.1 實驗結果分析

實驗中通過旋鈕修改PWM信號占空比，觀察PWM占空比和PAC芯片輸出信號的關系，如圖8所示，電平信號在0～10 V范圍內變化，隨PWM占空比升高而升高，符合比例電磁閥驅動器控制信號要求。

圖8 示波器

3.2 結論

本文進行了有機肥撒施機液壓推肥機構調速裝置的電路設計和軟件調試，采用PAC電路將PWM信號轉化成為0～10 V模擬量信號，可以向電磁閥驅動器提供連續的模擬信號，符合設計要求。因電磁閥實際流量與驅動電平信號非線性相關，實際生產中需要標定，所以，能夠控制比例電磁閥的開關度，調節管路中液壓油流量，就可以實現調節撒肥機特征施肥量的目的。