丁銳+馬宇良+李大尉+焦丹丹

摘 要：該控制系統(tǒng)涵蓋三大組成部分：果樹信息檢測用以檢測果樹的有無和果實間隙；藥液回路系統(tǒng)通過對傳輸裝置、液泵、汽油機、電磁閥、噴頭、噴桿的設(shè)計，形成完整的藥液回路裝置系統(tǒng)；控制器用以實現(xiàn)硬件的整體控制，包括是否噴灑農(nóng)藥等。

關(guān)鍵詞：信息檢測；藥液回路；控制器；精準(zhǔn)紅外掃描；步進(jìn)電機

1.總體設(shè)計思路

噴藥系統(tǒng)總體的設(shè)計如圖1-1，整個系統(tǒng)的果樹信息檢測通過紅外光電開關(guān)實現(xiàn)果樹有無和間距的檢測，其中，轉(zhuǎn)速控制電路通過對步進(jìn)電機的控制，實現(xiàn)對曲柄滑塊的運動的控制，從而進(jìn)行多方向和角度的掃描。其基本工作過程如下：

1.1信息檢測系統(tǒng)通過電機對曲柄滑塊的控制，進(jìn)行果樹的掃描；

1.2若掃描到果樹，則光電開關(guān)輸出開信號傳送給控制器，總控制器將信號傳輸?shù)诫姶砰y，實現(xiàn)電磁閥的開控制；若未掃描到果樹，則光電開關(guān)輸出閉信號傳送給控制器，總控制器將信號傳輸?shù)诫姶砰y，實現(xiàn)電磁閥的關(guān)控制；

1.3電磁閥收到開信號后，三缸柱塞泵通過藥液回路系統(tǒng)抽送農(nóng)藥，實施噴灑；電磁閥收到關(guān)信號后，三缸柱塞泵不抽送藥液，不進(jìn)行噴藥動作；

1.4通過電磁閥的開關(guān)控制，進(jìn)行果樹間歇式的噴藥。

2.果樹信息檢測系統(tǒng)

果樹信息檢測系統(tǒng)的基本技術(shù)是采用紅外光電開關(guān)進(jìn)行紅外掃描，獲取是否有果樹和果樹間距的測量值，從而控制決定是否采取噴藥動作[1]，通過信息檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了精準(zhǔn)果樹精準(zhǔn)間歇式噴藥，避免農(nóng)藥的浪費，提供農(nóng)藥利用率，降低農(nóng)藥對土壤和環(huán)境的污染。

2.1紅外光電信息檢測

2.1.1檢測裝置的選擇

信息檢測系統(tǒng)通常采用的方式有紅外掃描技術(shù)，超聲波技術(shù)、圖像傳感技術(shù)，具體如下：

（1）超聲波傳感器

通過超聲波的發(fā)射和接收之間的時間差進(jìn)行超聲波探測，實現(xiàn)精準(zhǔn)果樹果樹的噴藥。國內(nèi)外采用超聲波技術(shù)在噴霧上取得了一定的進(jìn)展。

但是其存在的主要缺陷是：波束發(fā)散、超聲波儀器價格較為昂貴的缺陷，波束發(fā)散的缺陷會導(dǎo)致超聲波傳感器檢測果樹距離時，定位精度不高的問題，不能做到精準(zhǔn)的農(nóng)藥噴灑過程。

（2）圖像傳感器

圖像傳感技術(shù)是將圖像傳感器安裝在噴藥機械裝置上，通過機器視覺技術(shù)分析精準(zhǔn)果樹樹木圖形和顏色，針對有樹木的位置和病害部位進(jìn)行專門的噴藥操作。

然而，圖像傳感技術(shù)在精準(zhǔn)果樹噴藥系統(tǒng)中存在圖像獲取信息量大，處理數(shù)據(jù)量大的問題，這些問題會導(dǎo)致控制器發(fā)出的信號出現(xiàn)延時情況，也不能很好地進(jìn)行精準(zhǔn)果樹農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴灑。

（3）紅外掃描傳感器

通過紅外光電信號的掃描實現(xiàn)對果樹的檢測，紅外傳感器具有掃描速度快，效率高，靈敏度高，精準(zhǔn)度高的優(yōu)點，而且紅外光不受到外界光束的影響。在果樹檢測的精準(zhǔn)度和效率上都是最佳選擇。

2.1.2紅外光電開關(guān)工作原理

紅外探測器對紅外線的接收和發(fā)射方式主要是直射式和反射式兩種方式。其中，直射式是將紅外發(fā)射和接收模塊放置在有一定間距的兩端，靶標(biāo)遮擋光波的傳播方向，通過控制器發(fā)出相關(guān)指令，做出相關(guān)動作；反射式是將紅外發(fā)射和接收模塊放置在同一端，通過發(fā)射模塊發(fā)出紅外光，經(jīng)靶標(biāo)反射回接收模塊，進(jìn)而通過控制器發(fā)出相關(guān)指令。兩種方式的紅外探測器相比，反射式的紅外探測器結(jié)構(gòu)更簡單，操作更方便。研究采用反射式紅外探測器，通過光電開關(guān)的動作進(jìn)行噴藥，擬定選用ES50-D08NK型光電開關(guān)。

其工作原理是通過被檢測物體遮擋紅外光線，實現(xiàn)發(fā)射，通過電路將信號傳送給單片機控制器實現(xiàn)目標(biāo)物體的探測，工作原理如圖1-2所示。

2.2步進(jìn)電機動力裝置

選用步進(jìn)電機，控制曲柄的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)實時控制。通?？刂魄D(zhuǎn)速的裝置采用電機提供動力，再經(jīng)由減速裝置，將液泵的動力降低，從而實現(xiàn)曲柄的轉(zhuǎn)動，該該方法不能滿足曲柄轉(zhuǎn)速的實時改變，且不易于安裝。本試驗采用步進(jìn)電機作為整個信息檢測系統(tǒng)的動力裝置，實現(xiàn)曲柄的控制，從而實現(xiàn)果樹掃描。擬定選用85BYGH303 型永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機。

通過步進(jìn)電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，作為動力供給單元。

2.3掃描檢測裝置

掃描裝置通過水平前進(jìn)和垂直方向的往復(fù)運動實現(xiàn)對果樹的檢測。

掃描裝置的運動以往都是采用將裝置固定在某一點，噴藥機進(jìn)行一定的速率的前進(jìn)運動，則噴藥機的掃描裝置軌跡近似一條直線；本次掃描裝置的設(shè)計在保持噴藥機以一定速度前進(jìn)的同時，通過機械控制使裝置做上下垂直的往復(fù)運動，在兩個速度的合成下，裝置掃描的軌跡近乎一條正余弦曲線。

通過這種改進(jìn)方式，掃描范圍增大，檢測范圍更廣。掃描裝置上安裝有紅外光電開關(guān)，隨著掃描范圍的擴大，紅外掃描范圍也隨之增大，對精準(zhǔn)果樹中果樹的檢測面積更廣，噴灑農(nóng)藥更均勻。

3.藥液回路系統(tǒng)

藥液回路系統(tǒng)分為藥液的傳輸和藥液的回流兩大部分。其組成部分有：液泵、藥箱、供藥管道、噴桿、噴頭、電磁閥，組成機構(gòu)圖如圖1-3所示。

基本工作原理為：藥液通過液泵壓力被抽出，從出水管輸送到電磁閥，電磁閥產(chǎn)生開關(guān)信號控制噴頭的藥液噴出；當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，剩余的藥液將通過回流管返回到藥箱中。

試驗采用的電磁閥型號選用2W-15GBN-Y32B-DC24V 型，通過電磁力控制電磁閥的開關(guān)，該型號電磁閥的基本參數(shù)如表1-1所示。

實驗中，藥箱選用抗腐蝕的高密度聚乙烯容器；供藥管路的基本組成如1-3圖所示，包括吸水管、出水管、回流管；噴桿選用長度為1-2.5m的可伸縮桿，進(jìn)行掃描；噴頭選用扇形雙噴嘴。

4.控制器

控制器是整個精準(zhǔn)果樹噴藥控制系統(tǒng)的核心，通過控制器實現(xiàn)對硬件電路、信息檢測系統(tǒng)以及控制軟件的實時控制[2]。控制器決定電磁閥是否打開，噴頭是否進(jìn)行噴藥等動作，對控制器的要求是高性能，穩(wěn)定性良好。研究選用的控制器為AT89S52單片機，其基本的性能參數(shù)如表1-2所示：

本文是對精準(zhǔn)果樹紅外自動噴藥控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計，確定了系統(tǒng)的總體設(shè)計思想和架構(gòu)。對系統(tǒng)的三大主要部分：信息檢測系統(tǒng)、藥液回路系統(tǒng)、控制器的型號進(jìn)行了選擇，確定了總體設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)；

[1]王長新，陳善美，王富民，王可田.精準(zhǔn)果樹噴藥常見問題與解決方法[J].河北果樹，2015，01：44-45.

[2]唐占英.精準(zhǔn)果樹噴藥易造成藥害的原因[J].果樹實用技術(shù)與信息，2012，09：34-35.