田 健，陳愛(ài)慧，吳 昊，徐 冬，李 博，于文昌，許驍博，劉 巖

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)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(zhì)表土層的土地，富含大量有機(jī)質(zhì)成份。東北平原是世界三大黑土區(qū)之一。當(dāng)前，東北黑土地?cái)?shù)量在減少，質(zhì)量在下降，國(guó)家高度重視東北黑土地保護(hù)，提出了要采取有效措施，保護(hù)好這塊珍貴的黑土地。通過(guò)增施有機(jī)肥、秸稈還田等方式，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性狀和耕地基礎(chǔ)地力，是保護(hù)黑土地的有效措施。有機(jī)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(qū)秸稈資源豐富，畜牧養(yǎng)殖集約化程度在不斷提高，可為有機(jī)肥生產(chǎn)提供充足原材料[1-3]。事實(shí)證明有機(jī)肥還田可以提高農(nóng)作物品質(zhì)[4-5]，隨著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化等政策的不斷實(shí)施[6-8]，有機(jī)肥撒施機(jī)作為有機(jī)肥還田的專(zhuān)用農(nóng)機(jī)具逐漸受到市場(chǎng)的認(rèn)可。

1 有機(jī)肥撒施機(jī)概述

根據(jù)有機(jī)肥的形態(tài)不同，有機(jī)肥撒施機(jī)可分為固態(tài)有機(jī)肥撒施機(jī)和液態(tài)有機(jī)肥撒施機(jī)兩大類(lèi)[9-10]，還有專(zhuān)門(mén)為果園大棚適用的小型化設(shè)計(jì)[11-13]，隨著新技術(shù)的發(fā)展，信息化、自動(dòng)化與農(nóng)機(jī)具的融合也成為新的發(fā)展方向[14-17]。固態(tài)有機(jī)肥撒施機(jī)的結(jié)構(gòu)一般可由裝配式料箱、拋撒機(jī)構(gòu)、推肥機(jī)構(gòu)、肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和行走系統(tǒng)等部分組成[18]。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的推肥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lèi)[19-22]。為適應(yīng)不同土壤條件的有機(jī)肥撒施需求，有機(jī)肥撒施機(jī)一般都設(shè)計(jì)有特征施肥量調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)單位面積的施肥量，但實(shí)際操作一般較為繁瑣[23-24]。本文針對(duì)液壓推肥機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于MCU控制器，以電磁流量閥作為執(zhí)行器，控制液壓油流量調(diào)節(jié)液壓缸動(dòng)作速度的裝置，從而達(dá)到根據(jù)土壤需求調(diào)節(jié)特征施肥量的目的。

2 調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)速裝置組成與工作原理

有機(jī)肥撒施機(jī)推肥機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)由液壓缸、電磁比例閥和液壓管路組成，液壓動(dòng)力由拖拉機(jī)提供，電源供電由拖拉機(jī)蓄電池提供。工作原理是通過(guò)控制液壓回路中比例電磁閥閥門(mén)的開(kāi)合比例，改變單位時(shí)間流入液壓缸中液壓油的流量，進(jìn)而達(dá)到控制液壓缸的推進(jìn)速度。電磁閥根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)器受控電平信號(hào)的變化，連續(xù)調(diào)節(jié)管路內(nèi)液壓油的單位流量，液壓缸可以完全停止或運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)撒肥機(jī)特征施肥量的目的。設(shè)計(jì)中采用MCU為控制核心，結(jié)合變量輸入和液晶顯示模塊，通過(guò)調(diào)理電路產(chǎn)生0～10 V電壓控制信號(hào)，控制比例電磁流量閥的開(kāi)合比例，實(shí)現(xiàn)對(duì)撒肥機(jī)液壓系統(tǒng)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(shè)計(jì)

電路主要由電源供電、顯示屏、模擬量輸入信號(hào)采集和驅(qū)動(dòng)調(diào)理電路組成。核心控制芯片采用STM32F042系列MCU，內(nèi)部集成有12bit高精度ADC、通用定時(shí)器和CAN總線等外設(shè)[25-26]。

2.2.1 執(zhí)行器——電磁閥

電磁閥是重要的執(zhí)行器件，主要功能是可以比例調(diào)節(jié)液壓油的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)推肥液壓缸的速度控制。需要直流供電，兼容標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)，具有較好的線性度，所以設(shè)計(jì)采用德國(guó)力士樂(lè)的比例電磁閥，如圖2所示，最大流量可達(dá)25 L·min-1，控制信號(hào)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(zhǔn)確執(zhí)行流量控制動(dòng)作。根據(jù)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(guān)系表達(dá)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，F(xiàn)out表示流量值，單位L·min-1；Vin表示控制信號(hào)電壓值，單位V。

2.2.2 電源電路設(shè)計(jì)

供電電源采用拖拉機(jī)的蓄電池供電，工作時(shí)電壓波動(dòng)較大，而且電磁閥比例控制器需要隔離供電，設(shè)計(jì)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(zhuān)用PAC(PWM to Analog Convertor)芯片，集成度高，價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力，可根據(jù)輸入的PWM信號(hào)占空比轉(zhuǎn)換產(chǎn)生0～10 V模擬量信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度高達(dá)±1%。設(shè)計(jì)中使用MCU定時(shí)器TIM3生成PWM信號(hào)，同時(shí)通過(guò)采集變阻器上電壓信號(hào)ADC值，改變PWM信號(hào)的占空比，則PAC芯片可輸出0～10 V信號(hào)。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(tài)液晶觸摸屏模塊，兼容CAN和RS232串行數(shù)據(jù)總線，可以顯示圖表、中英文及數(shù)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(shè)計(jì)

STM32F042系列內(nèi)置定時(shí)器總線時(shí)鐘設(shè)置為16 MHz，預(yù)分頻設(shè)置16倍，定時(shí)器自動(dòng)裝載寄存器(TIM3_ARR)設(shè)定為4 096，則輸出PWM信號(hào)頻率約為244 Hz，初始占空比為50%。內(nèi)置ADC分辨率12位，開(kāi)啟DMA中斷后讀取數(shù)據(jù)寄存器(ADC_DR)中值，并賦值比較寄存器(TIM3_CCR3)，更新PWM信號(hào)占空比。程序流程圖如圖7所示?？梢怨浪愠隼碚摿髁恐店P(guān)系表達(dá)式為

圖7 流程圖

(2)

式中，F(xiàn)out表示流量值，單位L·min-1；SADC表示采集的ADC值。

轉(zhuǎn)動(dòng)變阻器可修改PWM信號(hào)占空比，通過(guò)串行數(shù)據(jù)總線，將參數(shù)傳輸至觸摸屏中以顯示。因?yàn)楸壤姶砰y線性度較好，若占空比和0～10 V輸出信號(hào)相關(guān)性較好，即可將占空比作為評(píng)價(jià)流量的指標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)旋鈕修改PWM信號(hào)占空比，觀察PWM占空比和PAC芯片輸出信號(hào)的關(guān)系，如圖8所示，電平信號(hào)在0～10 V范圍內(nèi)變化，隨PWM占空比升高而升高，符合比例電磁閥驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)要求。

圖8 示波器

3.2 結(jié)論

本文進(jìn)行了有機(jī)肥撒施機(jī)液壓推肥機(jī)構(gòu)調(diào)速裝置的電路設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試，采用PAC電路將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化成為0～10 V模擬量信號(hào)，可以向電磁閥驅(qū)動(dòng)器提供連續(xù)的模擬信號(hào)，符合設(shè)計(jì)要求。因電磁閥實(shí)際流量與驅(qū)動(dòng)電平信號(hào)非線性相關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)中需要標(biāo)定，所以，能夠控制比例電磁閥的開(kāi)關(guān)度，調(diào)節(jié)管路中液壓油流量，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)撒肥機(jī)特征施肥量的目的。