精准变量喷雾控制系统的设计

2018-06-06李素璇魏东辉李文哲

农机化研究 2018年6期

李素璇，高明，魏东辉，李文哲，孙睿

(1.东北农业大学 a.电气与信息学院；b.工程学院，哈尔滨 150030；2.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

0 引言

精准农业已经被国内外广泛关注并大力推广，是农业信息技术与农业生产相互结合的一种新型农业，而变量喷雾则是精准农业中重要的组成部分。我国农药生产技术处于国际领先地位，但农药利用率低，植保机械技术落后，造成农产品农药残留量超标及环境污染问题日益严重。据农业部2015年统计，我国水稻、玉米、小麦三大粮食作物农药利用率为36.6%，美国粮食作物农药利用率大体在50%，欧洲主要国家粮食作物农药利用率大体在65%，比中国高出15～30个百分点。我国多数地区仍以背负式手动喷雾器作为主要的喷雾植保器械，而欧美等国家多采用喷杠变量防飘喷雾技术，极大提高了农药的利用率。因此，本文针对我国农药利用率低的问题，设计出一种稳定性高、可靠性强的精准变量喷雾控制器。

1 精准变量喷雾控制系统总体设计

精准农业基本技术思想如图1所示。该系统主要由药箱B、水泵D、二通电磁比例阀P、压力表M1、流量计F、压力传感器M2及精准变量喷雾控制器PW-1组成，如图2所示。

试验时，根据试验要求对精准变量喷雾控制器PW-1进行设定流量值。启动水泵D并抽取药液，通过二通电磁比例阀P进行流量的调节，压力表M1可以实时监控管道内压力值是否为额定工作压力，流量计测实际流量值并将信号反馈给控制器PW-1。药液从4个喷嘴喷洒后，由于管道作业时会有压力的损耗，因此在末端安装压力传感器，将压力信号反馈回控制器PW-1，可以辅助控制器PW-1调节二通电磁比例阀P的开度，使得精准变量喷雾系统迅速达到稳定状态。该系统工艺流程图和控制器设计流程图如图3和图4所示。

图1 精准农业基本技术思想

图2 精准变量喷雾控制系统原理图

图3 精准变量喷雾系统工艺流程图

图4 控制器设计流程图

2 精准变量喷雾控制系统硬件设计

该控制系统要求运行速度快，可靠性高，稳定性强，因此选用扩展性51系列单片机STC12C5A60S2为核心控制元件。该芯片是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,在同样的晶振下平均指令运算速度是普通51系列单片机的8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,特别适用于针对电机控制、强干扰等场合,满足于精准变量喷雾系统对于数据的处理的要求，是一款性能高而且成本低的最优芯片选型。图5为系统设计方案图。

2.1 器件的选型

2.1.1 二通电磁比例阀选型

精准变量喷雾系统的核心元件是二通电磁比例阀，它可以通过改变节流口面积的大小来控制阀的流量。本系统采用的是TEEJET 344BRL型二通电磁比例阀，开度从全开到全关需要6s,最大工作压力为1MPa,最大工作流量为349L/min，完全符合精准变量喷雾系统的要求。

该二通电磁比例阀采用B型调速电动机和R型比例阀的组合，其内部结构如图6所示。电机外罩可以节省空间，排除凝结水;标记含完整电机编号和标记口期;内部减速器采用双层结构，增加强度，同时维持所有金属部件永久润滑;拉伸定位销可用于取下电机压头，允许手动操作或便捷电机更换操作;正负开关电气系统内置两只锁环扣和平垫圈以确保连接器的密封性能;保险保护阀门和电气系统，断开电机电源20s后自动复位;指示器用于实现位置或操作审查。

图5 系统设计方案图

1.外罩 2.标记 3.内部减速器 4.拉仲定位销 5.正负开关电气系统 6.保险 7.指示器图6 节流阀内部结构图

2.1.2 流量计选型

流量是精准变量喷雾系统的一个重要反馈信号，对于提高系统流量的控制精度至关重要。系统最大工作流量为200L/min,因此本系统采用TEEJET 801型流量计，其流量测量范围为50～250L/min，流量计每输出95个脉冲数，相对应1L的药液流量。当药液通过流量计时，会冲击安装在内部的涡轮，产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和药液阻力矩而产生旋转。在一定的范围内，涡轮产生的涡轮角速度与流体流速成正比，而涡轮角速度是通过装在机壳外的传感线圈来检测的；涡轮叶片转动切割磁感线将涡轮的角速度转化为一定频率的脉冲信号，最终药液的流量以脉冲频率的形式表示出来。图7为精准变量喷雾系统流量计。

图7 脉冲型流量计

2.1.3 压力传感器选型

压力信号是精准变量喷雾系统稳定作业的重要信息，喷雾雾滴的大小、飘移和分布质量直接影响喷雾的效果。因此，在喷头喷杆末端，安置压力传感器实时监测精准喷雾系统压力数据并进行反馈，以便控制器将喷雾压力控制在合理的范围。精准变量喷雾系统的额定工作压力在0～0.7MPa，本系统采用的是北京星仪传感器技术有限公司CYYZ11型压力传感器。该传感器属于压阻式压力传感器，它基于电阻应变片和应变电桥原理。它的精度高、稳定性好，测量压力(0～1MPa)与输出电压(1～5V)具有良好的线性关系，在实验时可以通过采集到的电压值获得实时的系统压力。

图8 压力传感器

2.1.4 液位传感器选型

药液箱中药液的余量通过液位传感器来测量。农作物喷雾机控制系统采用SLDTB型号的液位传感器，其主要技术参数如下:量程1.3m，精度0.5% Fs，电压18～36VDC，输出4～20mA。其优点如下:①可以随时测量出罐中的各点液位;②直流4～20mA标准电流信号输出;③密封性能非常好，保证了测量元件可以不和液肥直接发生接触，很好地防止了液肥对元件的腐蚀。投入式液位传感器如图9所示。

图9 投入式液位传感器

2.2 电路设计

2.2.1 二通电磁比例阀

系统工作时，为了实现精准变量喷雾，需要对流经二通电磁比例阀的药液流量进行实时的控制，改变其阀芯的开度。因为控制信号的引脚输出功率较小，无法驱动二通电磁比例阀内电机转动，所以二通电磁比例阀驱动电路选择H桥电路驱动阀芯工作。电路中，使用同或门及异或门对控制信号进行更换，从而进一步对阀芯进行控制。

2.2.2 信号采集电路

精准变量喷雾系统工作时，利用传感器所采集的数据进行执行相应动作。信号采集电路主要是由传感器与控制线相互连接，完成信息采集传递。流量计供电电压为12VDC，输出信号为脉冲信号，可以直接通过单片机进行采集。流量传感器电路原理图如图10所示。

压力传感器输出信号为4～20mA电流信号，利用欧姆定律U=RI，在压力传感器信号与接地端串联一个250Ω精密电路，然后在250Ω两端采集电压信号。压力传感器输出信号不作为控制器被控对象进行控制，只对压力信号进行采集，需要将电流信号转换为电压信号，输出为0～5VDC。压力传感器电路设计如图11所示。

图10 流量传感器电路原理图

图11 压力传感器电路原理图

2.2.3 药箱液位显示硬件电路

液位显示系统选用STC12C5412AD作为处理器，LM2576将12V转化成5V给系统供电，且用单片机的P1.1、P1.2、P1.3等3个引脚与74HC595锁存器进行连接，达到此系统中所有原件及显示工能的操作。8个LED灯连接74HC595锁存器，数据通过所有灯的亮灭及数码管显示的存储箱中液体的容积来进行数据分析。图12是该检测电路的原理图。

图12 液位传感器检测电路原理图

3 精准变量喷雾控制系统软件设计

精准变量喷雾控制系统软件程序的开发与设计在Keil 4中完成。采用模块化设计方式，主要包括主程序、初始化程序及定时中断程序。程序运行时，通过程序初始化进入主循环，根据设置的参数、流量计及压力传感器的数据反馈回系统，对二通电磁比例阀的开度进行控制。系统主程序流程图如图13所示。

图13 主程序流程图

4 试验数据与分析

4.1 压力调节试验

搭建了精准变量喷雾控制的控制回路及药液管路平台，进行实验分析。喷头采用的是DICKEY-John公司生产的TT11100-XVP系列的TT111006型号广角扇形喷头，其在正常的工作压力时可以达到很好的喷雾飘移控制效果。由于药液的密度与水相近，因此在试验台药箱中选用水作为测试对象。首先，启动精准喷雾控制器，将控制器设置为手动模式；水泵开始在喷雾管道中注水，待试验台中喷头正常喷雾工作运行时，通过手动调节二通电磁比例阀开度，改变管道中的压力。该试验主要目的在于以TT111006喷头的技术参数为标准，校准系统是否能在误差极小的情况下正常运行。