引言
煙草作為吸食品，其農藥殘留問題已經引起世界各國的重視。煙草是我國重要的經濟作物，病蟲害是影響我國煙草生產的重要因素之一[1 -3].病蟲害的防治工作以防為主，主要結合化學藥劑綜合進行防治。
煙草種植過程中，從團棵期到旺長期、打頂期及采收期，對于農藥和液態肥的使用始終貫穿其中。我國現階段植保機械發展水平的相對落后，直接導致農藥有效利用率低、農藥殘留超標、操作者藥物中毒和環境污染等一系列問題[4 -6].目前，對于烤煙的噴藥主要采取自上而下的噴灑方式。在煙草生長的團棵期到旺長期中，煙葉低矮，冠層相對稀疏，適宜采用噴桿噴霧方式作業； 但在煙草打頂期與采收期，煙葉茂密，如果仍采用自上而下的噴藥方式，由于上層煙葉遮擋住中下層煙葉，不僅使中下層煙葉無法獲得均勻的藥液沉積，防治效果大打折扣，而且上層過量噴施的藥液還會落入土壤中，污染農田環境，并且造成了農藥的巨大浪費，加大了種植成本，此時宜采取半封閉式噴霧方式作業。
我國煙葉生產已基本實現農場式生產和適度規?；N植方式。農藥高效、精量、高利用率、低飄失率的合理組合對于保證烤煙的產量、降低農藥殘留、降低生產成本、提高烤煙品質、降低環境污染至關重要。因此，針對傳統噴霧農業機械藥液噴施功能單一、噴灑質量不高、農藥利用率低等問題，根據烤煙各生長期噴藥生產實際的特點，發明一種 3 行和 7 行復用的煙草噴霧機，以完成煙草在團棵期和旺長期的噴桿式噴霧，在打頂期和采收期進行半封閉式噴霧，并實現殘余藥液回收和精確對靶的農藥高效噴施，具有十分重要的推廣應用價值。
1 整機結構設計與功能實現
本文設計的煙草噴霧機針對煙草不同生長期實現了 3 行隧道式和 7 行復用精量噴霧，且具備對靶噴霧和藥液回收功能。該噴霧機由滑移變形機構、機架收攏機構、機架升降裝置、藥液噴灑系統和藥液收集循環系統組成，如圖 1 所示。
1. 1 機架滑移變形機構
機架滑移變形機構如圖 2 所示。側翼噴架包括滑移框、連接架、側翼門架和葉片撥動板。其中，滑移框由側梁蓋、側梁軌道桿、電機固定座、鏈條固定座和環桿連接桿構成。側梁蓋同側梁軌道桿焊接在一起構成框架式結構； 連接架橫桿和連接架縱桿焊接在一起構成框架式結構； 葉片撥動板鉚接在側架豎桿上；電機固定座、鏈條固定座和環桿連接桿焊接在側梁軌道桿上； 連接架通過兩側的滾輪安放在滑移框上； 滾輪卡放在滑移架的側梁軌道桿中，實現側翼門架水平方向上的運動。側翼門架螺栓聯結于連接架上，變形電動推桿一端通過側架縱桿固定鉸鏈鉸接于側架縱桿上，鏈條另一端通過側架豎桿固定鉸鏈鉸接于側架豎桿上； 側架橫桿通過側翼門架鉸鏈與和側架豎桿相鉸接，使側翼門架能夠實現水平狀態和豎直狀態的相互轉換。
1. 2 機架收攏機構
機架收攏機構主要包括環桿架和收攏電動推桿，如圖 3 所示。環桿組由環桿、上環套和下環套組成。
上環套焊接在中間架斜桿和中梁上； 下環套焊接在中間架縱桿上； 環桿焊接在環桿連接桿上，環桿同軸套入上環套和下環套中。收攏電動推桿一端通過中梁固定鉸鏈鉸接于中梁上，另一端通過側梁蓋固定鉸鏈鉸接于側梁蓋上，從而使側翼噴架繞環桿組在水平方向上旋轉運動。
1. 3 機架升降裝置
機架升降裝置其結構如圖 4 所示。其主要包括固定架、滑移架、中間架和鏈桿機構。固定架螺栓聯結于自走式龍門架的龍門式固定架上。鏈桿機構轉向齒輪固定在滑移架上； 鏈條一端通過中間架固定鉸鏈鉸接于中間架上，鏈條另一端繞過轉向齒輪連接到電動推桿上； 電動推桿螺栓聯結于滑移架。中間架通過兩側的滾輪安放在滑移架上； 滾輪卡放在滑移架的槽型軌道桿中，從而實現中間架豎直方向上的運動。
1. 4 藥液噴灑裝置
藥液噴灑裝置包括藥液箱、噴藥隔膜泵、霧化噴頭組及藥液輸送管道。霧化噴頭組分為噴桿式噴頭組和隧道式噴頭組。藥液箱、霧化噴頭組與噴霧隔膜泵之間通過藥液輸送管連通，噴霧隔膜泵將藥液抽出藥液箱，由藥液輸送管分兩路輸送到各霧化噴頭組：第 1 路是噴桿式噴頭組，經管路開關將藥液輸送到噴桿式噴頭組的霧化噴頭進行藥液噴施； 第 2 路是隧道式噴頭組，經管路開關將藥液輸送到隧道式噴頭組的霧化噴頭進行藥液噴施，噴頭的個數依據噴霧覆蓋率確定。
1. 5 藥液收集循環裝置
藥液收集循環裝置如圖 5 所示。藥液收集循環裝置包括藥液過濾網、藥液回收槽、藥液回收管、回收液位開關和藥液回收泵。藥液過濾網能夠有效防止植被落葉、亂枝等雜物進入藥液回收槽，從而保證藥液順利由藥液回收管回流至藥液箱。藥液回收槽鉚接于側翼門架上； 藥液回收管一端連接于藥液回收槽下端流液口，另一端連接于藥液箱流液口。藥液回收泵螺栓連結于側翼門架下端，回收液位開關螺栓連結于藥液回收槽內部?；厥找何婚_關隨藥液回收槽內回收藥液量來控制藥液回收泵，從而保證殘余藥液的順利回收。
2 噴霧控制系統設計
2. 1 硬件系統設計
系統構成分為主、從機兩個部分。主機采用臺達DVP - SV2 系列 PLC,搭配臺達 DOP - B 系列 7S410人機界面。主機通過人機界面接受控制指令，完成噴霧機形態切換和噴霧模式切換； 通過 RS -232 接受從機指令，控制電磁閥的開和關來實現對靶噴霧。從機采用意法半導體公司 STM32F103VET6 單片機作為核心控制芯片，負責采集精確對靶需要的距離數據。整個系統結構如圖 6 所示。整個系統由主、從機兩個部分組成，具體包括： ①stm32 單片機最小系統，包括中央處理單元機器外圍擴展模塊，通過分析超聲波距離傳感器數據對主機發送控制噴霧的指令。②超聲波距離傳感器組，包括若干對植物傳感器和 1 個參考傳感器。③人機交互界面。主機由觸摸屏按鍵完成噴霧形態的切換及噴霧模式的選擇，其中噴霧形態的切換是由主機 PLC 驅動電動推桿實現的。PLC 接通從機電源時，從機對距離數據進行采集，從而進行對吧噴霧。④電磁閥組，包括若干個電磁閥，電磁閥由 PLC 驅動，控制噴頭的開啟與閉合。⑤電源模塊，主從機和電磁閥都采用噴霧機機載 24V 電源進行供電。
2. 2 軟件系統設計
主機主程序流程圖如圖 7 所示。主機位于駕駛室，安放在駕駛員方便操作的位置。開機后，系統進行初始化，包括人機界面初始化、I/O 初始化及通信端口初始化等； 初始化完成后，人機界面顯示控制系統界面，根據需要通過人機界面向主機發送噴霧形態切換的指令； 形態切換完成后，通過人機界面進行噴霧模式的選擇。從機主程序流程圖如圖 8 所示。從機主要負責采集噴桿到地面距離及噴桿到植株冠層距離，測量數據在單片機內進行處理，處理過的數據經分析后由單片機做出判斷，根據判斷出的是否為靶標作物從而進行噴霧或停止噴霧的決策。
超聲波傳感器作物示意圖如圖 9 所示。超聲波傳感器采集兩部分距離信號： 一部分是參考傳感器采集噴桿到地面距離； 另一部分是對植物傳感器采集噴桿到植物冠層或噴桿到壟上地面的距離。單片機將這兩部分數據進行處理并分析，通過兩部分距離數據進行比較，根據對植物傳感器的數據與參考傳感器數據是否有差異，可判斷出噴頭將要到達的位置下方是植物還是壟上地面； 然后對 PLC 發送指令，以控制電磁閥的開關動作。
3 煙草噴霧田間試驗
為了對環保型高地隙煙草噴霧機的工作性能做出合理評價，針對煙草不同生長期形態，對團棵期與旺長期的煙葉測試噴桿噴霧性能，對打頂期和采收期的煙葉測試隧道式噴霧方性能。
測試地點： 諸城市辛興鎮西元煙葉農場； 測試煙田面積 1. 3hm2,南北長 180m,東西寬 74m.測試方式為噴桿式噴霧和隧道式噴霧作業。測試方法如下：
用甲基紫生物染色劑加蒸餾水配制體積分數為0. 1% 的溶液代替農藥作為噴霧液進行噴霧試驗，并使用半徑為 11cm 定性濾紙作為霧滴沉積載體[6].每次試驗開始前，在每個采樣點上用回形針固定一張濾紙，用于測定葉片正反面的霧滴沉積量。行走機架前進速度為 0. 4m/s（ 此速度選擇以噴霧機田間行走速度為依據） ,在這個速度下分別進行隧道式噴霧系統與噴桿式噴霧結構的模擬田間噴霧作業。噴霧后，將每個采樣點的濾紙分別收集至干燥的密封袋中。將濾紙置于玻璃皿中進行無水乙醇洗脫，時間為 3min,最后用分光光度計測定洗脫液中甲基紫的吸光度，并根據轉換公式計算出每個采樣點的單位面積霧滴沉積量[7].測試結果如表 1 所示。由表 1 可以看出： 煙草噴霧機單位噴藥量達到煙草病蟲害防治要求； 特別是在煙草打頂期和采收期的隧道式噴霧作業中，藥液霧滴霧化和煙葉正反面附著比傳統的噴桿式噴霧效果好，且幾乎無煙葉損傷。
4 結論
1） 該環保型高地隙煙草噴霧機針對煙草不同生長周期，經過噴霧機構調整后，實現了 3 行隧道式和七行噴桿式的噴霧作業，提高了煙草不同生長期的藥物噴施效果，在保證作業效果的同時提高了噴藥機的全年作業利用率。
2） 對靶噴霧裝置和藥液回收裝置的使用有效控制了藥液浪費，提高了農藥的利用率，減輕了農藥對煙田生態環境的影響。
3） 對機架收攏裝置的使用有效地實現了機架工作狀態與運輸狀態之間的轉換，方便了機架的運輸，促進了煙草生產機械化的實現。
4） 大田試驗驗證了該機在煙草上作業的有效性。
在不同壓力下，隧道式噴霧系統在打頂期和采收期對上層煙葉正面和下層煙葉正反兩面單位面積霧滴沉積量比普通噴桿式噴霧系統大得多。
參考文獻：
[1] 陳恩明，朱志偉，張曉輝。 我國煙草田間生產機械化現狀及發展對策[J]. 農機化研究，2008（ 10） : 227 -230.
[2] 林選知，殷壽安，張瑞勤，等。 現代煙草農業機械化技術體系構建探討[J]. 農機化研究，2012,34（ 1） : 249 -252.
[3] 何雄奎。 改變我國植保機械和施藥技術嚴重落后的現狀[J]. 農業工程學報，2004,20（ 1） : 13 -15.
[4] 傅澤田。 農藥噴施技術的優化區[M]. 北京： 中國農業科學技術出版社，2002.
[5] 傅澤田，祁力鈞。 國內外農藥使用狀況及解決農藥超量使用問題的途徑田[J]. 農業工程學報，1998,14（ 2） :7 -12.
[6] 劉雪美，苑進，張曉輝，等。 3MQ - 600 型導流式氣流輔助噴桿彌霧機研制與試驗[J]. 農業工程學報，2012,28（ 10） : 8 -12.
