李曉賢，趙 進(jìn)，任震宇，陳 昶，何培祥

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

在現(xiàn)代農(nóng)作物種植過程中，施肥是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，精量合理的施肥不僅可以提高肥料的利用效率，還有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)[1]。在西南丘陵地區(qū)，多采用小型施肥機(jī)或者人工施肥。人工施肥勞動(dòng)強(qiáng)度大且施肥隨意性較大；小型施肥機(jī)多為條施方式但是容易出現(xiàn)行走輪打滑，且由于肥料自身特性容易出現(xiàn)肥料堵塞、架空和漏施現(xiàn)象，從而導(dǎo)致施肥不均的問題[2]。該條施機(jī)安裝行走電機(jī)進(jìn)行助力[3]，采用排肥性能更好的豎直螺旋排肥機(jī)構(gòu)，并加入模塊化設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)降低勞動(dòng)強(qiáng)度、均勻施肥和提高肥料的利用率的目標(biāo)，為山地丘陵地區(qū)的小型施肥機(jī)及精量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考[4]。

1 電動(dòng)助力式螺旋條施機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在靠操作員手推的小型施肥機(jī)上添加助力電機(jī)。開始施肥時(shí)，操作者首先在肥箱內(nèi)裝入一定量的顆粒狀復(fù)合肥，調(diào)整控制器上的施肥量設(shè)置旋鈕設(shè)定施肥量；然后手握把手，打開工作開關(guān)，助力電機(jī)會(huì)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)控制器儲(chǔ)存在其中的施肥量數(shù)據(jù)和行走輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置的信號(hào)，確定輸入步進(jìn)排肥電機(jī)的脈沖頻率，從而控制該條施機(jī)的豎直螺旋排肥機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)均勻施肥[5-10]。電動(dòng)助力式螺旋條施機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.工作開關(guān) 2.操作扶手 3.步進(jìn)排肥電機(jī) 4.肥箱 5.助力電機(jī) 6.鏈傳動(dòng) 7.行走輪 8.豎直螺旋排肥機(jī)構(gòu) 9.支撐桿 10.輪速檢測(cè)裝置 11.施肥量設(shè)置裝置

1.1 豎直螺旋式排肥器的參數(shù)

電動(dòng)助力式螺旋條施機(jī)的主要工作部件是豎直螺旋排肥器，利用肥料自身重力及葉片推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)排肥作業(yè)，從而避免了傳統(tǒng)排肥器的排肥架空結(jié)塊問題。豎直排肥器機(jī)構(gòu)及控制模型如圖2所示[11]。

條施機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中，由于螺旋排肥結(jié)構(gòu)的截面積是一定的，因此在確定排肥器參數(shù)時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)際的操控性及機(jī)器功率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：若要達(dá)到良好的一致性和穩(wěn)定性，排肥器截面積應(yīng)適當(dāng)增大，但也會(huì)增加條施機(jī)的輸出功率，在施肥量少的情況下施肥精度也會(huì)降低?？紤]實(shí)際作業(yè)中單位長(zhǎng)度上的施肥量與條施機(jī)的作業(yè)速度要求，通過實(shí)驗(yàn)得出：當(dāng)排肥器直徑D=48mm、d=18mm 、螺距I=22mm 時(shí)，條施機(jī)滿足工作要求。

圖2 豎直排肥器結(jié)構(gòu)及控制模型

1.2 電動(dòng)助力式螺旋條施機(jī)的原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線性位移或角位移的執(zhí)行元件，具有快速啟停能力、精確步進(jìn)及直接接受數(shù)字量等特點(diǎn)[12]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥器的原理如圖3所示。工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角通過控制芯片的脈沖頻率來控制，頻率不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度也不同，轉(zhuǎn)角連續(xù)不斷變化(即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化)，進(jìn)而步進(jìn)電機(jī)又驅(qū)動(dòng)排肥器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)排肥作業(yè)。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度通過脈沖頻率精確控制即轉(zhuǎn)速可以精確調(diào)節(jié)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)精確排肥[13]。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥器原理圖

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該條施機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(見圖4)思路如下：主控制芯片上電后首先進(jìn)行初始化[14]，包括振蕩器模塊、復(fù)位寄存器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、中斷寄存器、I/O端口、時(shí)間寄存器及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等；清看門狗WTD，通過循環(huán)判斷PIC18F13K22芯片的C口的第0位電平來判斷作業(yè)開關(guān)的開合狀態(tài)：低電平，表示作業(yè)開關(guān)未開，關(guān)閉排肥口，繼續(xù)循環(huán)；高電平，表示作業(yè)開關(guān)打開，打開排肥口，退出循環(huán)。然后，繼續(xù)對(duì)施肥量進(jìn)行采集處理，施肥量信號(hào)為模擬量信號(hào)，通過帶有刻度盤的操作旋鈕控制施肥量并產(chǎn)生模擬量信號(hào)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換送入控制器的存儲(chǔ)單元；最后開中斷，在中斷寄存器中設(shè)置定時(shí)器0溢出中斷、允許RA/RB端口電平變化中斷，中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，允許外部中斷2中斷。

此外，控制器中還設(shè)計(jì)了蜂鳴器與LED指示燈，以提示操作者。條施機(jī)輪速信號(hào)由裝有霍爾傳感器的裝置產(chǎn)生并將信號(hào)送入控制器，經(jīng)過相應(yīng)算法處理后，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)控制步進(jìn)排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而驅(qū)動(dòng)豎直螺旋螺旋排肥器按設(shè)定的排肥量進(jìn)行作業(yè)。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用PIC18F23K22單片機(jī)[15]。該條施機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成包括主控芯片PIC18F23K22單片機(jī)及復(fù)位模塊。其中，程序燒寫部分引腳固定不變，施肥量控制信號(hào)輸入控制芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的PWM控制信號(hào)與控制芯片的PWM引腳相連接，步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端口電路，條施機(jī)行走測(cè)速的外部中斷2 引腳。另外，還需要外接晶振接入相應(yīng)引腳，以及其他指示或者要實(shí)現(xiàn)功能的I/O端口引腳。其硬件電路原理如圖5所示。

圖5 硬件電路設(shè)計(jì)原理圖

3.1 步進(jìn)排肥電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

步進(jìn)電機(jī)的控制電路部分主要是由步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以將控制器送來的PWM脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，PWM頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，所以通過PWM控制可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速和精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 步進(jìn)排肥電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

DRV8886步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用兩個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)控制兩相步進(jìn)電機(jī)，整步驅(qū)動(dòng)已經(jīng)能達(dá)到控制要求，故M1與M2兩者都接地；此時(shí)電機(jī)步距角為1.8°，因未細(xì)分采用慢速衰減即DECAY腳接地，工作于這種模式可以得到更好的PWM與負(fù)載電流線性度；負(fù)載在PWM關(guān)閉時(shí)被短路，導(dǎo)致負(fù)載電流以最小速度衰減，步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱小、無噪音。

DIR控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)引腳電平為高時(shí)為正轉(zhuǎn)，電平變?yōu)榈蜁r(shí)則反轉(zhuǎn)，STEP輸入脈沖，其頻率根據(jù)行走輪速度檢測(cè)的霍爾傳感器輸入單片機(jī)的脈沖和施肥量設(shè)定來確定，從而控制步進(jìn)排肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速及條施機(jī)的排肥量。nFAULT當(dāng)電流過低或過高時(shí)，自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，從而給操作者提示，直接接一個(gè)I/O口即可。nSLEEP和ENABLE均單片機(jī)I/O后輸入高電平使驅(qū)動(dòng)器工作。

3.2 行走輪速度檢測(cè)電路

在條施機(jī)行走輪輪轂邊緣固定安裝霍爾傳感器，并在傳感器的正對(duì)輪轂上均勻安裝多個(gè)永磁鐵，在輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，傳感器在永磁鐵磁場(chǎng)的作用下輸出多個(gè)脈沖信號(hào)，且頻率越高，轉(zhuǎn)速越高。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路圖如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

檢測(cè)輪速的霍爾傳感器(A3144E)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過比較器后得出的矩形波信號(hào)輸入到控制芯片，控制芯片根據(jù)行走輪半徑計(jì)算出條施機(jī)行走速度。電壓比較器由LM324及其他電路構(gòu)成，當(dāng)比較器的正向輸入端電壓高于比較器的反向輸入端電平時(shí)，輸出高電平，反之則輸出低電平；另外，還具有整形作用，保證霍爾傳感器與控制芯片之間信號(hào)良好的傳遞，提高控制系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。同時(shí)，霍爾傳感器的供電電源及輸出也都并聯(lián)了濾波電容，濾除尖峰干擾保證傳感器提高霍爾傳感器的工作穩(wěn)定性。

4 田間試驗(yàn)

為了測(cè)試該電動(dòng)助力式螺旋條施機(jī)的工作性能和控制性能，6月在重慶西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)田里進(jìn)行了田間試驗(yàn)[16]。試驗(yàn)前，先根據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)作業(yè)行距為1.15m，計(jì)算出單位長(zhǎng)度的施肥量，手動(dòng)設(shè)置好每667m2的施肥量，分別設(shè)置每公頃地施肥量為300、450、600、750kg，用電子秤稱量適量的顆粒復(fù)合肥放入肥箱，然后操作者打開工作開關(guān)，手扶操作把手推著該條施機(jī)樣機(jī)進(jìn)行施肥。用皮尺測(cè)量施肥距離，每隔10m測(cè)量一次施肥量，施肥量由作業(yè)前后肥箱里肥料的質(zhì)量差測(cè)出，理論計(jì)算得每10m對(duì)應(yīng)的施肥量分別為345、517.5、690、862.5g。田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

式中γ—施肥量偏差；

Wq—試驗(yàn)前料箱中肥料重量(kg)；

Wh—試驗(yàn)后料箱中肥料重量(kg)；

L—施肥作業(yè)長(zhǎng)度(m)；

F—給定施肥量(kg/m)。

根據(jù)施肥量與作業(yè)距離計(jì)算出單位長(zhǎng)度的實(shí)際施肥量，用施肥量設(shè)置旋鈕的值與單位長(zhǎng)度的實(shí)際排肥量相比較，得出施肥機(jī)的田間作業(yè)精度。

表1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表1可以看出：在施肥量為300～750kg/hm2的范圍內(nèi)，該條施機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)的最大偏差為7.05%，滿足設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)精確定量施肥。但在田間作業(yè)中實(shí)際施肥量與理論之間還存在誤差，原因有：行走速度不在合理速度范圍；田間試驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量誤差；電機(jī)特性在不同負(fù)載下的誤差；排肥器的排肥穩(wěn)定性誤差及其他誤差。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)助力式螺旋條施機(jī)，包括電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)、豎直螺旋排肥機(jī)構(gòu)、行走輪速度檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)4部分?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)霍爾傳感器抗干擾電路處理后檢測(cè)的行走輪速度，結(jié)合當(dāng)前設(shè)置施肥量控制步進(jìn)排肥電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到精量施肥的目的。

2)試驗(yàn)表明：設(shè)置施肥量一定時(shí)，電動(dòng)助力式螺旋條施機(jī)的排肥量與行走距離成線性關(guān)系。該條施機(jī)可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施肥效率，為精量施肥機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考，并且提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的機(jī)電一體化程度。