变量式喷药装置的设计

高诗博，李 强，蔡有杰，包 丽，任鹏飞

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

0 引言

在科学技术水平飞速发展的今天，农业生产向科技创新转变势在必行。为使农药行业发展水平与农业科技转型相对应，应提高现有喷药技术，用农药科技助力农药行业转型。目前农业在病虫害防治中存在的主要问题表现在：施药装置喷洒农药效果不佳，药物的有效利用率较低；施药量控制难度大，为了达到杀虫效果，往往出现过量使用的情况，使得药物残留超标，同时对环境造成一定的污染，为环保治理带来诸多困难；喷药装置结构设计比较简单，工作方便性和可控制性较差，可靠性不高；施药装置控制系统普遍为压力或者流量的单一化控制方式，系统控制能力不够完善。

随着人们对食品安全认识的逐步提高，消费者对粮食、水果表面农药残留问题特别重视，对当前的农药喷洒技术及喷药机械装置有了更高的要求，因此，合理控制农药喷洒成为确保粮食产量及粮食安全的重要手段。合理控制农药喷洒涉及到农药制剂配制与研究的问题、农药喷洒的技术问题以及喷药装置的控制问题，这三个问题的解决方法相辅相成，互相制约。

国外关于变量式施药研究起步较早且有较大进展，采用GPS技术设计农药喷施系统，并进行了相关的实际农田试验，实现了农药使用量的减少。但GPS定位技术在确定地理位置时存在误差，且受光照等因素影响，施药精度会大幅下降。除此之外，GPS系统需要投入其他检测、遥感技术对病虫害信息进行采集，才能达到预期效果，成本较高。同时，施药装置控制系统大多数与计算机相连，施药参量的数据采集需经计算机进行数据处理才能得出控制参数，在具体使用过程中容易出现问题，比如机器视觉技术在施药过程中存在延迟时间较长、喷洒装置需要许多设备来收集、精准施药中容易产生误喷等。为了研究出适合我国需要的施药装置，实现精准喷药的目标，国内学者们借鉴国外的经验，对变量施药装置展开了相关研究。

当前生产中使用的农药喷洒技术及喷药装置相对比较落后，农药有效利用率较低，使得药物残留超标，造成一定的环境污染，装置使用者时有中毒的现象发生，因而设计可控量的变量式喷药装置尤为重要。为此设计了一种变量式喷药装置，该装置的控制系统通过对自然环境如风速、空气温度和湿度、光照、单位面积施药量及施药幅宽等多数据进行分析与计算，通过控制该装置的电磁阀开关，从而实现变量喷药。

1 喷药装置的总体结构

喷药装置的结构如图1所示，主要由药箱、万向轮、喷头、水泵、电机、螺套、螺杆、平面轴承、转轴、环形套、药液流管、电磁阀、圆形喷面板等组成。

喷药装置中药箱的上端中心设置水泵，水泵与药箱连通，药箱的顶端设置支架，支架上装有固定电机，电机的输出轴紧固连接在带内螺纹的螺套内，螺套内装入带外螺纹的螺杆，螺杆的顶端连接平面轴承的底面，平面轴承顶面通过转轴连接环形套，环形套内装入药液流管，药液流管中设置电磁阀，药液流管的顶端设置喷头作为执行机构。药液流管的底端均连通空心管，空心管连通水泵的排水口处。药液流管内设置伸缩管，2个药液流管均为波纹管，伸缩管起到支撑波纹管的作用，螺套、螺杆、平面轴承、转轴与环形套可以控制喷头的方向，喷头通过弯头连接药液流管。

2 喷头结构及容量调节机构

喷头结构如图2—3所示，包括圆形喷面板、出量控制挡片、出药孔和L形秆。圆形喷面板上布有出药孔，每个出药孔设置1个控制出量的挡片，每个挡片和L形杆相连接，出药孔上端设置滤网，滤网开有出口，使L形杆移动，多个L形杆汇总后在喷头的突起处可向外拉拽，控制圆形喷面板的出药量。

图1 喷药装置的总体结构Fig.1 General structure of spraying device

图2 喷头的结构Fig.2 Nozzle structure

图3 出药孔剖视图Fig.3 Section view of discharge hole

3 喷药装置的控制

为使喷药装置达到变量施药的目的，要求精准控制上述药液流管上设置的电磁阀，通过电磁阀的打开时间控制出药量，也可通过喷头出药孔的打开面积调节水压，调节出药量，其工作流程如图4所示。通过装置上的控制开关进行控制，控制开关打开时，将控制信号经转换口RS-232/485传输至接口芯片MAX485中，接口芯片MAX485将接收的数据传输至单片机AT89S52，单片机AT89S52通过固态继电器使得电压升高后，用来控制电磁阀的打开与关闭。

图4 电磁阀控制流程图Fig 4.Solenoid valve control flow chart

装置中电机主控制电路如图5—6所示。装置串行口JP1的引脚l及引脚2通过RS-232/RS-485转换器引出的A、B线连接上位机。因为上位机的RS-232串行口使用的是EIA电平，且AT89S52单片机的串行通信是来自TXD（发送数据）和RXD（接收数据），从而进行全双工通信，是低电平，保证PC机与AT89S52单片机之间能可靠地利用RS-485总线进行串行通信，选取MAX485接口模块SN75176实现电平间的信号转换。

图5 电机主控电路Fig.5 Motor main control circuit

接口芯片是靠+5 V的单一电源进行供电，输出的额定电流为300 μA，形式为半双工通信模式。接口模块的R端和D端分别为接收器的输出以及驱动器的输入端，和AT89S52相连时，仅使AT89S52的RXD和TXD分别与R和D连接。RE端和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE地址为1时，装置进行接收信号；当DE地址为1时，装置进行发送信号。由于MAX485控制在半双工形式，故而仅使用AT89S52的一个管脚控制两个引脚更为方便，该装置采取P1.0引脚，采用光耦TILll7实现连接。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当B引脚的电平低于A端时，表示发送的数据为1；而B端的电平高于A端的时候，表示发送的数据为0。

图6 驱动电路Fig.6 Driving circuit

接口芯片的R端和D端运用光电耦合器与AT89S52的RXD和TXD进行连接，采用光耦目的是防止电气互相干扰。AT89S52的P2.7引脚与固态继电器输入端的正极相连接，主机板的接地端与继电器输入端的负极相连接，SSR的信号端与喷药装置上的电磁阀相连，完成电磁阀开关的自动控制，R端及D端需要配置上拉电阻R5及R6。

4 仿真分析

为了对系统的模糊控制算法进行验证，对模糊控制器的控制效果进行分析，采用simulink软件，模拟上述变量施药装置的控制模式。在模拟过程中，使用2个随机信号系统的输入，通过取样后，将输入数据的离散化向模糊控制器传送。根据模糊控制器的输入电流进行决策处理，通过模糊控制获得计算反模型化损失，测出喷药装置的可控制响应时间和反应灵敏程度。仿真数据结果如图7—8所示。

图7 施药量模糊控制响应时间图Fig.7 Response time diagram of fuzzy control of dosage

图8 压力模糊控制响应时间图Fig.8 Pressure fuzzy control response time diagram

5 结论

在构建模糊压力控制模型基础上，进行了压力和施药量模糊控制算法仿真，其仿真结果为：在正常单位信号输入条件下，施药装置系统压力和施药流量模糊控制系统的响应时间分别为45 ms和40 ms，表明该装置采用模糊控制对精准施药系统响应时间较快，能达到精准施药的目的。喷药装置结构合理，能实现变量喷药，在系统对电磁阀打开时间及打开面积等进行有效控制下，可调节喷头出药量，具有工作压力稳定、脉动小、便于操作等特点，变量式喷药装置满足不同药液喷洒的工作要求，在当今现代农业生产转型及发展中具有重要意义。