周文娟

（黑龍江職業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

近年來，隨著人們對生態(tài)環(huán)境及食品健康的關(guān)注，開始對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥噴藥裝置及噴藥技術(shù)提出新的要求。

國外發(fā)達(dá)國家對基于地圖或?qū)崟r(shí)傳感器技術(shù)的可變量噴藥系統(tǒng)的研究已日漸成熟。如Carrara等[1]利用ITAF變量施藥系統(tǒng)對西西里島的小麥進(jìn)行除草劑變量施用研究，比傳統(tǒng)方法節(jié)約了29%的除草劑。德國的農(nóng)業(yè)工程研究所[2]開發(fā)出適用于谷物和豆類田間管理的實(shí)時(shí)變量噴藥系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)檢測，可降低除草劑平均用量的24.6%。

我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平相對發(fā)達(dá)國家較滯后，目前大都停留在試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及噴頭口直徑大小對噴頭流量的影響規(guī)律及主次關(guān)系。尹東富等[4]研發(fā)出的基于處方圖的變量對靶噴藥系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)理論建立噴藥網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，搭建的變量噴藥系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析噴藥量與理論值誤差均小于10%。

本文所設(shè)計(jì)的噴藥裝置可對藥液的液位進(jìn)行標(biāo)定，此外，還可測試主閥進(jìn)水口不同壓力下的3個(gè)分閥在一定的時(shí)間范圍內(nèi)的藥液流量。經(jīng)過控制器液位標(biāo)定數(shù)據(jù)誤差分析得出，藥液液位誤差范圍為0.01%，可為噴藥農(nóng)用機(jī)械的研制提供可行性參考。

1 噴藥裝置整體方案設(shè)計(jì)

1.1 主要結(jié)構(gòu)和工作原理

噴藥裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。噴藥裝置試驗(yàn)臺(tái)主要由液位傳感器、攪拌器、調(diào)節(jié)閥、溢流閥、液體泵、藥箱、3段12個(gè)噴頭、流量計(jì)、壓力傳感器以及各種管道組成[6]。

圖1 噴藥裝置試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)開始時(shí)，接通電源，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液體泵工作，藥液的流動(dòng)路線為藥箱、過濾器、液體泵、壓力表、主閥、調(diào)節(jié)閥、過濾器、壓力傳感器，最后藥液從噴頭噴出。當(dāng)藥液從液體泵流出時(shí)，液位傳感器實(shí)時(shí)記錄箱內(nèi)剩余藥液的液位，壓力表檢測主閥進(jìn)水口的壓力；藥液經(jīng)過3個(gè)分閥時(shí)，可用壓力傳感器測其時(shí)的壓力；改變調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)，進(jìn)而改變主閥進(jìn)水口壓力，可達(dá)到調(diào)整3個(gè)分閥在一定時(shí)間內(nèi)流量的目的。此外，從溢流閥接一條管道到攪拌器，可實(shí)現(xiàn)藥液的攪拌回流；從調(diào)節(jié)閥再增加一條回流管到藥液箱，可防止藥液的浪費(fèi)。

1.2 部件選取和設(shè)計(jì)

控制器采用的是意大利BRAVO 180S農(nóng)作物噴灑計(jì)算機(jī)，如圖2所示，其上有8個(gè)按鍵，分別為RATE、ESC、PM、OK、上、下、左、右，7個(gè)DIP開關(guān)。在本次實(shí)驗(yàn)中有效的是5個(gè)，包括主閥，1、2、3分閥，調(diào)節(jié)閥，可控制各閥的開、關(guān)及開度。

圖2 意大利BRAVO 180S農(nóng)作物噴灑計(jì)算機(jī)

流量傳感器采用Tee Jet公司的801流量計(jì)，輸出為脈沖，每升有82個(gè)脈沖，計(jì)量輸出的流量，要換算成流速L/min，需要用單片機(jī)定時(shí)測量，設(shè)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(quán)系數(shù)，則當(dāng)前流速[6]：

調(diào)節(jié)閥采用Tee Jet公司的344BRL，開度從全關(guān)到全開需要6 s，測試的有效最小微動(dòng)是1/160 s。

2 噴藥控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

噴藥控制系統(tǒng)硬件電路以微控制器為核心，選用封裝為LQFP-44、STC12C5A60S2型單片機(jī)，其集成了8路高速10位A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)鍵盤和LCD顯示器，實(shí)現(xiàn)與用戶交互。

2.1 系統(tǒng)供電模塊硬件電路設(shè)計(jì)

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(diào)節(jié)器芯片組成的降壓穩(wěn)壓電路將蓄電池的DC12 V降為DC5 V，以滿足單片機(jī)、各個(gè)傳感器、調(diào)節(jié)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(xù)流作用，當(dāng)芯片電壓關(guān)斷時(shí)持續(xù)為負(fù)載供電，同時(shí)電感L1與電解電容C5也起紋波濾除作用。

圖3 系統(tǒng)供電模塊硬件電路

在PCB設(shè)計(jì)中，四腳反饋線要遠(yuǎn)離電感L1，電路圖中粗線部分在布線時(shí)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(shè)計(jì)

各傳感器輸出信號均為4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)模擬電流信號，其硬件電路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(jī)的AD轉(zhuǎn)換器處理，處理為數(shù)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(shù)據(jù)來源，故其選型時(shí)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(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)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(jī)處理，并將輸出信號電流值顯示在BRAVO 180S農(nóng)作物噴灑控制器上。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊硬件電路設(shè)計(jì)

噴藥裝置系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)電路有2個(gè)9530P型溝道，2個(gè)530型N溝道MOS管構(gòu)成H橋，以此來控制電機(jī)M的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)控制器的手動(dòng)及自動(dòng)控制。電路圖如圖5所示。當(dāng)開關(guān)5打開時(shí)，單片機(jī)P0.2口為低電平，P0.0口為高電平，Q1與Q4管導(dǎo)通，電機(jī)P正轉(zhuǎn)，需進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)；當(dāng)開關(guān)6閉合時(shí)，單片機(jī)P0.2口為高電平，P0.0口為低電平，Q2與Q3管導(dǎo)通，電機(jī)P反轉(zhuǎn)，控制器自動(dòng)控制。本次試驗(yàn)是在手動(dòng)的情況下進(jìn)行的。

圖5 調(diào)節(jié)閥驅(qū)動(dòng)模塊硬件電路

3 噴藥試驗(yàn)及液位標(biāo)定

根據(jù)前面所介紹的噴藥裝置，在室外環(huán)境下，以水代替農(nóng)藥進(jìn)行了手動(dòng)噴藥試驗(yàn)。調(diào)節(jié)閥是通過調(diào)節(jié)水的壓力和流量來實(shí)現(xiàn)變量噴灑的。首先將藥液箱加滿水，接通電源，使系統(tǒng)工作，把工作壓力調(diào)整到所需的范圍內(nèi)，待噴頭工作后，看是否有后滴現(xiàn)象。如有的閥體出現(xiàn)后滴，就要拆開防滴閥，更換膠墊和彈簧等。待閥體全部調(diào)試完畢后，即可進(jìn)行噴頭流量試驗(yàn)。

3.1 壓力及流量試驗(yàn)

進(jìn)行噴頭流量試驗(yàn)時(shí)，將標(biāo)有編號的量杯分別放在相應(yīng)的噴頭下方，起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，打開主閥開關(guān)；當(dāng)主閥進(jìn)水口壓力為0.45 MPa和0.80 MPa時(shí)（即此時(shí)壓力表N的讀數(shù)），用秒表計(jì)時(shí)1 min，在控制器上控制分閥1、2、3，讀取相應(yīng)狀態(tài)下量杯中的水量（即每個(gè)分閥的噴水量）和壓力傳感器M在BRAVO 180S計(jì)算機(jī)上的顯示值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 噴藥裝置噴灑試驗(yàn)數(shù)據(jù)1

表2 噴藥裝置噴灑試驗(yàn)數(shù)據(jù)2

由表1和表2可知，在主閥進(jìn)水口壓力恒定時(shí)，關(guān)閉2個(gè)分閥、關(guān)閉1個(gè)分閥、未關(guān)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(jìn)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(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

從表3可知，當(dāng)BRAVO 180S計(jì)算機(jī)處于0.05 MPa時(shí)，無藥液從各分閥流出。

表3 噴藥裝置噴灑試驗(yàn)數(shù)據(jù)3

3.2 液位標(biāo)定試驗(yàn)

液位標(biāo)定試驗(yàn)?zāi)康氖菧y試監(jiān)測系統(tǒng)藥液容量的測量誤差。其中，輸出信號電流值由流量計(jì)通過單片機(jī)處理后送顯BRAVO 180S計(jì)算機(jī)上得到，容量值由水表測量得到。試驗(yàn)在噴藥裝置上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 意大利控制器液位標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用插值計(jì)算的曲線，如圖6所示。在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間做插值計(jì)算，取每兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的中點(diǎn)來檢查讀數(shù)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(guān)系圖

表5 測量容量值與插值計(jì)算值誤差分析表

4 結(jié)果與討論

本文通過BRAVO 180S計(jì)算機(jī)控制主閥及調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變量噴藥。試驗(yàn)表明，藥液液位控制誤差在0.01%左右。主閥進(jìn)水口壓力和分閥的狀態(tài)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(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥在線調(diào)節(jié)農(nóng)藥噴灑流量，可為農(nóng)藥噴灑裝置的設(shè)計(jì)提供一定的理論數(shù)據(jù)與實(shí)踐支撐。