0 引言

糧食生產在很大程度上依賴于作物品種的改進、生產技術的完善,以及施肥量、施肥效率的提高[1].生產實踐表明,在作物不同生長階段,因地制宜施用肥料已經成為農事活動特別是作物增產措施的重要內容[2].合理利用化肥及研究施肥技術對我國農業發展有著非常積極的意義[3].變量施肥技術是精確農業的重要組成部分,它根據作物生長的實際需要,基于科學的施肥方法\\(如養分平衡施肥法、目標產量施肥法等\\)對作物進行變量投入,即按需投入[4].實踐表明,變量施肥可大大地提高肥料利用率、減少肥料的浪費以及多余肥料對環境的不良影響,具有顯著的經濟、社會和生態效益.但傳統的人工撒施肥料不僅施肥勞動強度大、生產效率低,而且施肥均勻性差;現有的撒肥機械當車速變化時,由于不能及時地改變排肥量,使得施肥量隨車速增大而減少,不能滿足農藝技術要求.研究表明,對于既定排肥口形狀\\(如圓形、長方形、正方形等\\),排肥口開度與排肥量之間并非線性關系.為了提高撒肥機的施肥質量,本文對變量撒肥機關鍵設計參數\\(肥料高度對施肥量的影響、排肥口開度對施肥量的影響\\)進行研究,并在此基礎上設計一種基于單片機的小型變量撒肥機控制系統.

1 關鍵參數確定

1. 1 肥料高度對施肥量的影響

變量撒肥機的肥箱有多種結構,如圓筒形、圓錐形、方錐形、方形等.在實際應用中,方錐形的肥箱應用最廣泛,因此選擇一種方錐形的肥箱來研究肥料高度對施肥量的影響.

將固體顆粒肥料在排肥口開口大小一定的情況下,在肥箱內肥料平面以下的不同高度測其流量,每次取10 個不同高度,測得10 個流量值,通過8 次實驗所得數據如圖 1 所示.從圖 1 看出,流量和高度之間不成比例函數關系,流量始終在 0. 100kg/s 左右,上下浮動不超過 10g,偏差范圍不超過 1% .因此,高度對流量影響不大,在實際應用中可以不考慮高度對施肥量的影響.

1. 2 出肥口開度對施肥量的影響

排肥口形狀有圓形、長方形、正方形多種形式,本次試驗排肥口選擇為長方形,試驗所用肥料為普通顆粒尿素.

將相同質量、相同種類的固體顆粒肥料放入肥箱中,分別在排肥口總開度 S0的 2 /10、3 /10、4 /10、5 /10、6 /10、7 /10、8 /10、9 /10、10 /10 時測量肥料流完需要的時間,重復進行 5 次,求其平均值;然后將不同排肥口開度排完定量體積肥料的時間換算成單位時間的排肥量\\(流量\\),得到排肥量與排肥口開度之間的關系,如圖 2 所示.從圖 2 可以看出:所選用顆粒狀肥料在長方形排肥口條件下,排肥口開度與排肥流量之間并不是線性關系\\(閥門移動距離越大,排肥口開度越大\\),而是呈拋物線函數關系.這表明,隨著所需流量的變化,排肥口開度也要符合拋物線函數關系變化,才能提高施肥質量.

本機構中施肥機每公頃的排肥量 Q \\(kg\\)為


根據擬合曲線得到關系式如式\\(2\\),R 的檢驗值為0. 991 6,達顯著水平,表明式\\(2\\)可用于本實驗裝置排肥量修正.式\\(2\\)為


其中,q 為排肥量,kg/s; v 為機具前進速度,m/s;B 為施肥機行走距離,m; s 為閥門移動距離,m.每一種變量施肥機排肥口形狀和尺寸不盡相同,在不同的撒肥機設計時應根據實際排肥口尺寸再做實驗,確定其函數關系.

2 撒肥機的硬件選擇與設計2. 1 撒肥機的整體結構變量撒肥機由車速信息采集系統、單片機控制電路、步進電機驅動系統、排肥設備等 4 部分組成.車速信息采集系統由電磁傳感器來完成,通過采集機具的運行速度和設定的肥料施撒信息一起輸入單片機控制電路,經過運算得出所需的脈沖數;將這個脈沖數輸入步進電機的驅動器,控制步進電機變速轉動,進而改變排肥口的大小,按需輸出肥料.其變量施肥機控制結構如圖 3 所示.

目前,微控制器的型號和種類有很多\\(如 M3 系列、MSP430 系列、STC51 系列等\\),每一款微控制器都有自己的優勢和適用的環境.本次設計對微控制器的要求主要有:

1\\) 穩定.系統工作環境比較復雜,溫濕度變化大,而且灰塵比較大,要求微控制器能夠在較復雜環境下正常工作.

2\\) 控制能力強.本系統中機電設備較多,包括兩個行走電機和一個物料投放控制電機,還包括行駛路程檢測等,這就要求選用的微控制器具有強大的控制能力.

3\\) 較高的運行速度.系統中需要控制器對物料質量、行駛路程做出準確而快速的判斷,及時調整行駛速度和物料投放速度.根 據 以 上 實 際 需 求,本 系 統 選 用 工 業 級STM32F103R8T6 作為本系統的核心微控制器.該微控制器包含一個主頻為 72MHz 的 ARM 32 - bit Corte-xTM- M3 核心,存儲空間 包含 128 kb Flash 和 20kbSRAM,43 個中斷源,最多 47 個可用 I / O,包含有多個PWM 輸出單元;此外還包含有豐富的接口模塊,如I2C 接口、UART 和 CAN 等,寬工作電壓,2. 0 ~ 3. 6V皆可正常工作.

2. 2 控制系統設計

根據系統要求,整個單片機控制電路包括機具作業速度信號輸入及控制脈沖輸出等部分.

2. 2. 1 撒肥機行程和作業速度的采集

在本次設計中,機具的作業速度是一個不可忽略的因素.行程和車速檢測一般都是采用光電傳感器或電磁傳感器記錄車輪或主軸轉動圈數的方法.本設計選用的是電磁傳感器,在主動輪上安裝永磁體,通過霍爾開關記錄車輪轉動圈數;用單片機對單位時間內脈沖進行檢測,測得到運行時的車速.選用的霍爾傳感器為 OH44E,該傳感器體積小、功耗低、電路簡單、便于安裝.行程和車速檢測電路主要由霍爾傳感器和比較器組成,應用電路如圖 4 所示.

2. 2. 2 控制脈沖輸出

由于步進電機的驅動電源具有功率放大電路和脈沖分配器,因此單片機輸出給步進電機的僅為 5V電源和控制脈沖信號.5V 電源與步進電機的驅動電源共地,實現脈沖壓差,達到了高低電平的轉換[5].

3 控制軟件設計

本設計以 C 語言為開發平臺,開發變量施肥機控制系統[6].該系統可根據車速的變化而改變施肥口開度大小,并對不同施肥口開度施肥流量用所得修正函數\\(公式 2\\)進行修正,進一步提高施肥質量.其控制系統流程圖如圖 5 所示.

4 結語

1\\) 對于固定施肥量的撒肥機,機組前進速度的變化會導致施肥量變化.因此,撒肥機的施肥量應根據車速的變化自動改變施肥量,即變量施肥.

2\\) 本研究對肥料高度對施肥量、排肥口開度對施肥量的影響進行了實驗研究.實驗結果表明,肥料高度對施肥量對施肥影響不大,在撒肥機設計中可以忽略不計;但排肥口開度對施肥量有較大影響,在產品設計中應加以控制.

3\\)基于單片機的撒肥機控制器,可以滿足撒肥機變量控制需要,變量控制顯著提高施肥精度[7].

參考文獻:

[1] 段潔利,李君,盧玉華. 變量施肥機械研究現狀與發展對策[J]. 農機化研究,2011,33\\(5\\):245 -248.

[2] 龔艷,丁素明,付錫敏. 我國施肥機械化發展現狀及對策分析[J]. 農業開發研究,2009,9\\(5\\):6 -9.

[3] 馬旭,馬成林,桑國旗,等. 變量施肥機具的設計[J]. 農業機械學報,2005,36\\(1\\):50 -53.

[4] 張偉. 農業發展的新課題精確農業[J]. 農業工程學報,1997,13\\(3\\):249 - 252.

[5] 王曉明. 電動機的單片機控制[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[6] 孫成. 變量施肥機控制系統的研究[D]. 長春:吉林農業大學,2007.

[7] 孫裕晶,馬成林,張書慧. 智能變量施肥技術初步試驗研究[J]. 農機化研究,2003\\(4\\):185 -188.