基于STM单片机的电动点芽器控制器设计

姜 铖，张德银，汤颖力，朱冉志，张丹丹，冯 涛

（1.宜宾市农业科学院，四川宜宾 644000；2.四川省烟草公司宜宾市公司，四川宜宾 644000）

0 引言

烟草的生长中存在顶端优势，使烟草的营养优先供应生殖器官，使烟草的营养器官得不到充分的营养。而烟草主要是以得到叶片为目的的经济作物，打顶能破除烟草的顶端优势，使植株营养较为均衡的分配，在促进上部叶生长的同时，也使下部叶与打顶前相比，得到更多的营养。抑制烟芽的传统方式现主要有三种：一是人工抹芽，即手工抹除；二是杯淋法施用抑芽剂，将化学抑芽剂通过稀释，装入瓶中，施用时挤出瓶中药液，使其下流至各烟株腋芽上，达到抑制效果；三是手动烟株点芽器，通过点芽器的手动喷嘴施药，达到抑制效果。上述三种抹芽方式都存在费工费时的问题，杯淋法和手动点芽器施药还存在农药浪费的问题。

2017年，福建林江汇发明一种电动烟草专用点芽器，由罐体、储能装置、水泵、手柄、微动开关等组成，通过连接开关将储能装置与水泵电性接通，这里的连接开关是总开关，此时将滴头移动至烟草芽上，通过挤压微动开关控制水泵将药液排出，由于微动开关能够自动复位并根据按压下去的时间控制水泵输出药液的量。2018年，四川省烟草公司宜宾市公司屏山分公司发明一种电动点芽器，通过控制电机开关从而控制液体泵的启停，同时，通过流量调节按钮控制变频器的频率进而对液体泵的出液流量大小进行控制。2020年，四川省烟草公司宜宾市公司屏山分公司发明一种烟草电动点芽器，通过料桶外部且与自动出料设备连接的喷淋组件，由喷淋组件指向烟草顶部的叶芽进行滴灌，通过松开手柄开关，隔膜水泵自动断电，电机停止作业，实现精准控制。

目前市场上的电动点芽器能实现自动出液，能对烟草叶芽进行滴灌，但其无法实现精准出液，定量施药，手柄的机械按钮容易损坏，搭配的隔膜泵出液时抖动大，噪音大等问题。本文对电动点芽器进行总的方案设计，着重研究了控制器，并确定了控制方案。

1 总体方案设计

第一，水泵的选型。现有隔膜泵出液时抖动大和噪音大的问题，可采用蠕动泵，其驱动电流小，电机抖动小。其自带泄压控制阀，可使泵体的液体自动减压回流，防止压力过大爆管。第二，施药手柄开关的选型。按钮式开关容易损坏，其内部有弹簧件易破坏。采用触摸开关，其放置在手柄里不易损坏，可根据触摸时间控制出液量。第三，控制方案的确定。根据电动点芽器的要求，控制模式分为点喷和直喷模式。在点喷模式中，长按5 s出液10 ml，短按1 s出液1 ml。在直喷模式中，按下即出液，断开就停液。

2 硬件电路设计

2.1 控制器的总体结构设计

主控单元，在满足设计要求前提下，尽可能降低设计成本，选用的是STC89C51RC单片机，40 Pin，LQFP的封装，5 V供电，串口下载。控制器硬件组成图如图1所示。

图1 控制器硬件组成图

2.2 电源电路设计

由于系统电源采用12 V锂电池供电，而水泵电机电压直接影响其流量，为达到系统1 ml 控制精度要求，需将12 V电池电压通过DC-DC线性降压至9 V给电机供电，开环控制触摸按键触发后电机工作时间即能控制出液体积，如图2所示。单片机及触摸按键供电为5 V，还需要进一步将电压线性降压至5 V，如图3所示。

图2 电机电源电路设计图

图3 供电电路设计

2.3 触摸输入电路设计

触摸按键电路已集成在控制板载上，因此触摸电路需要进行接口设计，进行高低电平判断即可，触摸按键按下为低电平，空闲电平为高，如图4所示。

图4 触摸接口设计图

2.4 水泵控制电路设计

蠕动泵搭配的直流有刷电机，系统设计时不涉及电机的正反转控制，只需控制电机的启停。选用的MOS功率开关管，控制驱动电流，如图5所示。

图5 水泵控制电路设计图

2.5 PCB设计

按照布局操作的基本原则，将连接12 V电压的器件布局在电路板的边缘部分，尽量减小对其他器件的影响，接口部分放在另一端边缘处，减少各器件之间的影响。布局如图6所示。

图6 元器件布局图

3 软件设计与分析

3.1 触摸识别

触摸按键采用外部中断扫描查询，由于牵涉按键次数判定，必须使用消抖，本设计采用软件延时消抖，延时根据不同灵敏度在10 ms左右调整。触摸按键的多次触发只记1次，通过状态变量设计，一旦触摸有效判定，则变量状态改变，直至后续电机控制结束，自动清零回到初始值。

3.2 水泵控制

水泵控制是在触摸按键有效判定之后，通过单片机对MOS开关管进行启停控制。本设计在确保电压恒定情况下，其流量的控制主要与电机工作时间成正比，即一旦触摸按键触发，开启定时器同时电机工作，定时一段时间后改变电机状态，达到流量控制目的。

4 测试标定

经测试标定，在12 V锂电池线性降压至恒定9 V驱动电压下蠕动泵流量基本保持恒定。根据控制要求每触发按键1次1 ml的出液体积和水泵电机工作时间成正比。水泵电机不同工作时间流量不同，调节水泵出液1 ml和10 ml的关键在于调节时间，最终标定为1 s出液1 ml，5 s出液10 ml。

5 结语

根据电动点芽器的要求，设计了基于单片机的电动点芽器控制器。根据电动点芽器的控制要求和对硬件资源的要求，利用Altium Designer软件进行层次化设计，对电源电路、水泵控制电路、触摸输入电路等进行设计。分析控制对象的工作原理，确定程序设计的一个整体思路，并对各个功能模块进行程序设计。