厩肥撒施机监控系统的研制

张 鹏，孙永佳，沈景新，李青龙，陈 刚，窦青青

(1.雷沃重工股份有限公司，山东 潍坊 261200；2.山东省农业机械科学研究院，济南 250100)

0 引言

厩肥也叫圈肥、栏肥，是指以家畜粪尿为主，混以各种垫圈材料积制而成的肥料，是最主要的有机肥料。厩肥的施用可增进土壤的活化性及透气性，提高土壤的保水，缓解土壤板结化，改善土壤理化性能，提高地力，实现增产增效。国内传统的厩肥的撒施主要采用人工抛洒，劳动强度大，效率低，不适应现代农业的要求。现有施肥机大多由抛撒化肥的设备改制而成，缺少智能化监控装置，物料状态无法实时监测，抛撒幅度无法实时调节，适应性差，无法满足不同地块和土壤状况对厩肥抛撒的需求。因此，研制与厩肥撒施机配套的智能化监控系统显得极为重要[1-4]。

为了解决上述问题，设计了一款厩肥撒施机监控系统，可以根据作业地块大小和土壤状况通过触摸屏设定施肥量、抛撒幅度和出料口高度，抛撒过程中根据作业速度自动调节施肥量，保证实际施肥量与设定施肥量一致。厩肥料斗装有监视系统，对装料、卸料过程进行实时监测。当厩肥装满料斗或缺料时，监测系统发出警报声音；物料堵塞时，发出警报并启动自动疏通装置进行疏通。控制器实时采集计算抛撒盘转速、输送装置转速、速度及作业面积等作业参数，并传输至触摸屏进行显示。

1 系统机械结构

厩肥撒施机主要由料斗总成、底盘行走系统、动力传动系统、物料输送抛撒系统及液压系统等组成，如图1所示。作业时，牵引架与拖拉机的后牵引装置连接，液压管路与拖拉机液压输出连接。

1.机架 2.液压系统 3.料斗 4.筋板 5.输送装置 6.抛撒装置 7.地轮 8.筋板 9.机动传动图1 厩肥撒施机结构示意图

2 监控系统框图

厩肥撒施机监控系统采用模块化设计，主要由控制器、料斗、物料状态监测模块、转速监测模块、比例阀驱动模块、物料堵塞疏通模块和触摸屏显示模块等组成, 如图2所示。作业开始前，根据作业地块大小和土壤状况通过触摸屏设定施肥量、抛撒幅度和出料口高度;参数设定完成后，监控系统开始输出液压系统驱动信号，进行物料输送和抛撒，并实时监测抛撒盘转速、输送装置转速，转速异常时进行报警提示；监测系统实时监测料斗中厩肥的变化情况，缺料时发出警报提示需装料，物料堵塞时发出警报并启动自动疏通装置进行疏通。作业过程中，速度传感器检测均布于地轮圆周的测速螺母，并将检测信号传输至控制器，由控制器按照设定的数学模型计算作业速度和作业面积等信息。

图2 监控系统设计框图

3 硬件设计

3.1 控制芯片

本文设计的监控系统的控制芯片选用TI公司的32位定点型DSP芯片—TMS320F2812。该芯片采用高性能的CMOS技术，CPU主频高达150MHz，支持JTAG在线仿真接口，具有快速的中断响应和中断处理能力，满足系统设计时驱动比例阀需要进行的复杂PID运算要求[5]。

3.2 电源电路

控制芯片TMS320F2812对电源要求很敏感，电源芯片输出的电压值要求必须稳定在3.3V和1.9V。其中，3.3V为Flash供电，1.9V为内核供电电源芯片。电源芯片上的电容要匹配好，否则可能导致电源芯片里的振荡电路工作一段时间后停止振荡。因此，本文选用电压精度比较高的电源芯片TPS767D301，其输入电压为+5V，芯片正常起振后输出3.3V和1.9V两种电压供DSP使用。图3为电源产生电路。

3.3 物料堵塞疏通电路

物料堵塞时通过高振动力振动电机实现疏通，振动电机通过继电器驱动，电路如图4所示。控制芯片TMS320F2812输出的驱动信号电压为3.3V，经电源转换芯片74LVC4245转换为5V后进入达林顿管ULN2803。ULN2803是8路NPN达林顿连接晶体管阵，特别适用于低逻辑电平数字电路(如TTL、CMOS或PMOS/NMOS)和较高的电流/电压要求之间的接口，是比较常见的继电器驱动芯片，具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。继电器选用欧姆龙公司的G6B-114，输入驱动电压为+5V，驱动电流可达5A，满足设计需求。

图3 电源电路

图4 继电器驱动电路

3.4 比例阀驱动电路

本文设计输送装置和抛撒装置均采用比例电磁阀进行驱动，输送速度和抛撒盘转速可调，满足不同地块和土壤状况的需求。驱动芯片选用英飞凌公司的大电流半桥高集成功率芯片BTS7960，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动Ic，集成的驱动Ic具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生，以及过温、过压、欠压、过流、短路保护的功能。BTS7960通态电阻典型值为16mQ，内阻很小，散热不厉害，驱动电流可达43A[6]。比例阀驱动电路如图5所示。

图5 比例阀驱动电路

主芯片输出的PWM信号经高速光耦6N137进行光电隔离，隔离后的PWM信号连接到BTS7960的IN引脚，OUT引脚输出大电流驱动信号驱动比例阀。BTS7960的引脚Is具有电流检测功能，正常模式下，从Is引脚流出的电流与流经高边MOS管的电流成正比。在故障条件下，Is引脚输出高电平，通过该引脚的状态可以判断驱动芯片是否正常工作。

3.5 转速监测电路

地轮速度与转速的测量原理相似，本文设计时均采用接近开关传感器来实现。地轮、输送链条和撒肥盘运转时，传感器输出一定时间间隔的脉冲信号，通过软件判断脉冲信号的时间周期并结合对应的机械尺寸，即可计算出行驶速度和转速，测量电路如图6所示。脉冲信号经前端一阶低通滤波电路及光耦进行滤波隔离，处理后的信号进入电平转换芯片74LVC4245转换为DSP对应的IO口电压3.3V，DSP按照预定的数学模型进行速度与转速计算[7]。

图6 转速监测电路

4 触摸屏设计

本文设计的监控系统参数设置与显示都通过触摸屏来实现，触摸屏选用迪文公司的DMT80480T070_16WT。该触摸屏为7.0英寸800×480图形点阵65K色，基于迪文K600+模块，并搭载DUGS系统，供电电压为6～+42V，与控制器之间通过CAN总线进行数据通讯[8]。触摸屏显示界面如图7所示。

图7 触摸屏主界面

用户可根据作业地块和土壤状况的实际情况，点击触摸屏上的施肥量、抛撒幅度及出料口高度设置作业参数，点击设置按键后会弹出数字输入键盘，如图8所示。输入设定量后点击“Enter”，控制器通过对应的通讯协议即可解析出设定的参数值。开始作业后，监控系统实时监视厩肥撒施机的作业速度、撒播盘转速、输送装置转速，以及料斗、物料状态等参数，并通过触摸屏进行显示。当监测到料斗缺料、满料时，进行报警提示，并在触摸屏对应位置显示相应的报警字样。当监测到物料堵塞时，触摸屏物料状态一栏显示“堵塞”，控制器启动疏通装置，疏通成功后，屏上的“堵塞”字样消失。

图8 数字键盘

5 监控系统软件设计

机具作业时，地轮开始转动，传感器输出信号，控制器根据预设的公式计算作业速度和作业面积。

式中V—作业速度(m/s)；

D—地轮直径(m)；

N—传感器感应测速螺栓数；

T—传感器捕获相邻2个脉冲的时间间隔。

式中S—作业面积(666.67m2)；

D—地轮直径(m)；

N—传感器感应测速螺栓数；

n—传感器捕获脉冲数；

L—作业幅宽(m)。

监控系统软件程序流程如图9所示。上电后，先初始化事件管理器，然后初始化定时器、PWM和eCAN模块，初始化完毕后等待200μs定时中断到来；在定时中断里启动eCAN通讯，读取触摸屏设定的施肥量、抛撒幅度和出料口高度等参数，读取完毕后，系统开始工作并输出PWM信号驱动输送装置和撒播盘；系统读取传感器输出的脉冲信号，并进行速度、面积和转速的计算，同时根据计算出的转速判断撒播盘和输送装置是否存在异常；转速判断为正常后，判断出料口物料是否堵塞，堵塞则启动自动疏通装置进行疏通，物料状态也正常时，判断料斗是否缺料，缺料则进行缺料报警并停机装料；都正常后，启动eCAN发送程序，把作业参数发送到触摸屏显示。作业过程中，输送装置转速、出料口高度根据作业速度的变化实时调节，保证不同作业速度下的施肥量与设定值保持一致。

图9 系统软件流程图

6 田间试验与结果

6.1 试验设计

本文设计的监控系统在邹城市特力机械工具有限公司研制的2FX-3000型厩肥撒施机上进行了应用。为了检验监控系统的实际工作性能，进行了速度检测与施肥量试验。试验在该公司试验场进行，牵引动力为福田-80型拖拉机。

6.2 速度检测试验

试验中，拖拉机在不同挡位下调整手油门，保持不同速度下匀速行驶50m，分别记录行驶时间和触摸屏显示的行驶速度，按照V=S/t将计算出来的速度与系统显示速度进行比较，结果如表1所示。

表1 速度检测试验结果

续表1

由表1可以看出：速度检测最大相对误差为4%，最小误差为0，误差均在5%以内。可见，系统测量的作业速度准确性比较高。

6.3 施肥量试验

使用截面450mm×350mm、深100mm的接肥盒用于接抛撒下来的厩肥，采用二维矩阵收集的方法进行试验。试验中，拖拉机在4.2km/h的速度下匀速行驶50m，通过触摸屏设定抛撒幅度为20m，并设定不同的施肥量，将设定施肥量与二维矩阵收集法计算出来的实际施肥量进行比较，结果如表2所示。

表2 施肥量试验结果

由表2可知：本文设计的监控系统施肥效果较好，性能稳定，实际施肥量与设定施肥量的相对误差最大值为6.01%，最小值为2.16%。较大误差产生的原因主要是：厩肥收集时部分厩肥会从肥盒中碰撞弹出去，同时收集的厩肥里面含有石子，影响称重的准确性。

7 结论

本文设计的厩肥撒施机监控系统具有系统工作稳定可靠，缺料、堵塞报警准确率高等特点。该系统的应用有效地解决了现有厩肥撒施机缺少智能化监控装置、物料状态无法实时监测、抛撒幅度无法实时调节，以及无法满足不同地块和土壤状况需求等问题。该监控系统的研制极大地提高了畜禽粪便的综合利用程度，加快了厩肥撒施机械的智能化进程，对促进我国农业可持续发展、减轻农民劳动强度及改善生态环境等都具有十分重要的意义。

参考文献：

[1] 来永见，王岩，冯艳辉.介绍一种高效的农家肥施用机械--厩肥抛撒机[J].现代化农业，2014(4):50.

[2] 付宇超，袁文胜，张文毅，等.我国施肥机械化技术现状及问题分析[J].农机化研究，2017,39(1):251-255.

[3] 赵家书.有机肥施肥机械的研究现状与发展趋势[J]. 湖南农业大学学报，2013,39(1):97-100.

[4] 赵睿，王秀，赵春江,等.链条输送式变量施肥抛撒机的设计与试验[J].农业工程学报，2012,28(6)：20-25.

[5] 顾卫钢. 手把手教你学DSP—基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011:32-34.

[6] 陈军，杨数强，王军强.一种新型智能车电机驱动电路的设计与实现[J].电子质量，2011(9):32-34.

[7] 李青龙，孙永佳，孙宜田,等.基于DSP的深松整地联合作业机监控系统的研制[J].农机化研究，2016,38(11)：118-122.

[8] 杨大奎，曹川川，谭修彦. 基于迪文DGUS屏在PM2.5自动换膜采样器中的应用研究[J]. 山东工业技术，2016(22)：15-16.