基于单片机的施药监测系统设计与试验

孙 琦

(廊坊市广播电视大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

在当代农业的发展中，农药在农业生产中占据着非常重要的地位，出现了各种类型的农药，用量逐年上升。但是施药中，工作人员缺乏重要的安全意识，农作物及环境中的农药残留问题更是严重，对人体和环境造成非常大的危害[1]。农药在农业生产中起着非常大的推动作用，也无法避免地对四周环境和食用者产生了严重的污染和损害。人体经常食用农残过高的食物，农药在体内长期积累，严重危害着食用者的身体健康[2]。经统计：2015年水稻、小麦和玉米这三大农作物的农药利用率为36.6%，与农业发达国家还是存在很大差距；发达国家的农药利用率最高可达到60%，平均比我国高20个百分点。施药的机器、技术和观念的落后这些都是主要的影响因素[3-5]。为此，通过区分农田中作物的不同信息，然后通过变量施药，以达到精准施药的目的。工作时，通过使用多种不同传感器，实时采集施药参量数据，根据不同的信息变量精准施药[6-14]，并实时收集并长期储存施药信息。

我国土地等资源利用强度很大，欧美等国家耕地层一般在35cm以上，我国大部分地区的耕地层只有15～20cm，保水保肥能力差。因此，提高化肥农药利用率，发展绿色可持续农业，使用高效科学的施药方法。本文设计基于STC89C52RC单片机的施药监测系统，利用传感器收集实时数据，数据库处理编辑储存施药参量，根据长期储存的施药参量进行变量施药，合理用药。

1 试验设计

1.1 设计原理

以STC89C52RC单片机为控制中心，组合信息采集器(各类传感器、单片机、SD卡数据存储模块)、信息传送模块、显示模块、电脑，以及串口通信模块等主要结构形成系统，如图1所示。

图1 系统结构图

1.2 总体设计

本设计采用STC89C52RC单片机监控整个施药监测过程。STC89C52RC单片机是STC生产的一款低耗、高性能的微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。该机型可以支持串口通信，工作电压为5.5～3.3V，代码指令可以兼容以前的型号，在传统的基础具有更强大的兼容性。

该系统中使用的显示装置为液晶显示器，使用者可以设置成数字或汉字，适用多种电路。根据系统设计的其他模块的需求，采用串口电路，减少装置中的线路连接，简化安装程序。

信息传送模块为用户与系统互换信息的门户，采用字母与数字结合的简单形式，使用4×4按键，共16个按键。

SD卡数据库储存传感器采集的施药信息。传感器长期采集施药信息，分析施药过程，并在用户分析数据时，将前面储存的数据以图表或数字的形式输出。

采用的传感器主要有数字型和模拟型两种类型：数字型传感器可将得到的信息直接与数字设施互换信息，快速读取信息；模拟型传感器提取信息速度快，处理信息的范围宽。本系统从传感器的特点和设计成本综合考虑，传感器采用数字传感器。系统以20个施药监控点为试验点，测试各个试验点的系统测量值和实际测量值的误差，通过对比验证该系统是否可行。同时，采取多个试验点验证可测试系统的稳定性，表明该系统中使用的传感器可用。采用的压力传感器，如图2所示；速度传感器，如图3所示；流量传感器，如图4所示。

采用单片机为控制中心的施药监控系统可实现精准施药，从而最大程度上减少农药的各种危害，降低资源的浪费，维持生态稳定和减轻环境压力，促进农业的可持续发展。精准施药的核心是收集田间病虫草害的信息，采取变量分区精准喷洒施药，按照农作物的不同需求进行合理施肥施药，减少种植户的成本输出。

图4流速传感器

该系统通过传感器采集农作物的参量信息，将信息传送至单片机STC89C52，分析长期储存的参量信息，根据采集的信息变量施药，将收集的信息储存于SD卡，用户可以用电脑中将收集信息以图表或数据的形式观察分析，观察施药系统是否工作准确。

2 机构组成和施药监控

2.1 机构组成

施药监控系统组成。以STC89C52RC单片机为核心，包括信息采集器(各类传感器、SD卡数据存储模块)、信息传送模块、显示模块、电脑以及串口通信模块等主要结构。系统的电路图如图5所示。

2.2 施药监控控制

施药监控系统主要根据传感器监控施药收集施药管道中农药的流速、压力、流量等信息，将信息输送至单片机，通过单片机的分析，校正系统设置，监控施药量是否符合系统设置的数据，保证施药的准确性。

图5 系统电路图

3 试验与结果

3.1 试验基本条件

为了试验施药监控装置可靠性和准确性，在试验田上进行试验，将本文设计的系统安装在行走的施药机械上进行速度、压力和流量等参量的试验，并对试验结果进行分析比较。

3.2 试验设计

为了检测采用基于STC89C52RC单片机的施药监测系统的有效性，首先验证送药管道速度的准确性[15]，测试施药系统所在机械速度值与实际值的相对误差。该速度值可在系统显示器中读取，速度检测原理如图6所示。实际值采用秒表记录，根据秒表记录，以机械行走100m为试验段，以20个施药监控点为试验点，测试数据结果如表1所示。

图6 速度检测原理图表1 施药速度测试

试验点系统速度/km·h-1实际速度/km·h-1误差/%10.7650.7731.0521.3451.3782.4531.8751.9152.1342.2452.3092.8552.5462.6132.6362.9643.0242.0273.5833.6852.8583.8743.9882.9494.1364.2232.1104.7434.8031.27114.9865.0831.95125.2385.3361.87135.7395.8682.25146.4656.6242.46156.9727.1762.93167.2427.3571.59177.7467.9142.17188.0728.3012.84198.5738.6791.24208.8989.0331.52

由上述数据中可以了解到：系统速度和实际速度的相对误差最大值2.85%，最小值为1.05%，平均误差值为2.16%。该误差对施药系统的准确性影响不大，故速度这个影响因素不会造成施药监控系统的偏差。

压力试验测量值来自药监控系统通过压力变送器上的压力值[16]，而实际压力值采集于试验装置上的标准压力表。以20个施药监控点为试验点，测试数据结果如表2所示。

表2 施药压力试验

续表2

由表2中数据了解到，测量压力和实际压力的误差最大值3.5%，最小值为1.19%，平均误差值为2.15%。由此可见，该系统设计可以达到施药监控的目的。

流量试验测试监控系统药液流量误差。其中，实际流量直接用量筒量出，系统流量由安装在行走农药喷洒机械上的施药监控系统液晶显示装置直接读取数据。在同一时段测量药液流量，以20个同样施药监控点为试验点，试验数据如表3所示。

表3 施药流量试验

续表3

从上述数据检测结果可知，系统流量和实际流量的相对误差最大值2.93%，最小值为1.19%，平均误差值为2.09%，该系统设计可以达到施药监控的目的。

4 结论

本研究对单片机的施药监测系统设计进行验证，结果表明：采用STC89C52RC单片机为控制中心的施药监测系统，完全满足农业生产需求，可实时采集施药信息，监控施药过程。该系统的目的就是为了施药精确，控制农药的使用，减少农作物内过多残留，确保喷洒的农药可以达到杀虫除草的量。

试验表明：该系统可保证农药喷洒机械的正常运行，减少种植户的成本投入，减少农残对人体的危害，减轻农药对生态环境危害，在多样化种植中的变量施药有着非常大的应用价值。

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