智能實(shí)時(shí)混藥噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

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摘要:以農(nóng)作物噴藥過(guò)程為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)噴霧系統(tǒng)控制硬件電路及控制程序進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)一種能夠根據(jù)作物生長(zhǎng)狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)混藥的智能噴霧系統(tǒng),能夠自動(dòng)行進(jìn),并根據(jù)作物高度進(jìn)行智能噴霧。當(dāng)智能噴霧系統(tǒng)行進(jìn)速度為3m/s、風(fēng)速為2m/s、噴霧動(dòng)力供壓4MPa時(shí),智能噴霧系統(tǒng)的有效噴射距離可達(dá)3.5m,單側(cè)噴幅可達(dá)到2.5m,噴霧流量不小于340kg/h,噴霧誤差小于0.15%,檢測(cè)動(dòng)作時(shí)間小于0.4s。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:智能噴霧系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行智能混藥噴霧,提高噴霧作業(yè)效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高農(nóng)藥利用率。

關(guān)鍵詞:智能噴霧;主控電路;噴幅;噴射距離

0引言

病蟲(chóng)害是影響農(nóng)作物及水果產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,病蟲(chóng)害的防治常用方法主要有生物防治、生態(tài)防治及化學(xué)防治等。其中,化學(xué)防治具有良好的使用效果,且具有較高的經(jīng)濟(jì)性能[1]。噴灑農(nóng)藥是最常用的一種病蟲(chóng)害化學(xué)防治方法,現(xiàn)階段大多數(shù)果園及作物種植現(xiàn)場(chǎng)仍采用背負(fù)式噴霧機(jī)進(jìn)行人工噴藥,能夠較好地適應(yīng)生產(chǎn)種植現(xiàn)場(chǎng),但噴藥的一致性較差,人工成本高,噴藥過(guò)程中造成大量的農(nóng)藥以落水的形式滲入土壤,造成農(nóng)藥利用率低、土壤中的農(nóng)藥對(duì)土壤微生物群落造成不同程度殺滅,影響土壤的生物群落平衡性,且造成土壤肥力流失[2-3]。基于以上生產(chǎn)需求,設(shè)計(jì)了一種能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行智能混藥的噴霧系統(tǒng),以提高農(nóng)藥噴灑過(guò)程的利用率,降低生產(chǎn)過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)在使用過(guò)程中能夠根據(jù)作物病蟲(chóng)害需求精確地進(jìn)行藥物混合,并結(jié)合作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性協(xié)調(diào),達(dá)到最優(yōu)化的農(nóng)藥噴灑目的。

1混藥噴霧系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)作物及果樹(shù)生長(zhǎng)需求,設(shè)計(jì)的混藥噴霧系統(tǒng)要求能夠根據(jù)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行合理的噴藥方案選擇,以滿足不同生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性要求[4]。智能實(shí)時(shí)混藥噴霧系統(tǒng)要求針對(duì)不同的作物外形尺寸進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配藥混藥,并根據(jù)病蟲(chóng)害程度進(jìn)行噴霧方案的決策。智能實(shí)時(shí)混藥噴霧系統(tǒng)框架圖,如圖1所示;智能實(shí)時(shí)混藥噴霧系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),如表1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

智能混藥噴霧系統(tǒng)控制總線方案使用同步串行方案,包含時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線,能夠?qū)⒍鄼C(jī)系統(tǒng)和外圍擴(kuò)展器件進(jìn)行兼容,利用通信協(xié)議地址進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,使控制總線方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易擴(kuò)展[5]。智能混藥噴霧系統(tǒng)控制總線方案,如圖2所示。智能混藥噴霧系統(tǒng)主控制電路承擔(dān)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的所有控制工作,并進(jìn)行系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換,在噴藥過(guò)程中能夠進(jìn)行不同噴藥模式的程序切換,并對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程中的各功能模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸處理,自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧流量和噴霧范圍。智能混藥噴霧系統(tǒng)工作電壓為5V,要求主控電路能夠進(jìn)行系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換,能夠?qū)?4V直流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓[6]。智能混藥噴霧系統(tǒng)主控電路電壓轉(zhuǎn)換模塊,如圖3所示。智能混藥噴霧系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī),驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端采用陰極共用方法,使陰極能夠并聯(lián)接地,當(dāng)有脈沖信號(hào)輸入時(shí),單片機(jī)信號(hào)由陽(yáng)極接口接入,使用調(diào)制脈寬信號(hào)進(jìn)行輸出,同時(shí)對(duì)脈沖信號(hào)頻率進(jìn)行占位[7-9]。智能混藥噴霧系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖,如圖4所示。

3系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

智能噴霧系統(tǒng)控制總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時(shí),需要對(duì)各功能模塊進(jìn)行尋址,對(duì)不同的功能模塊通信數(shù)據(jù)進(jìn)行地址修改,實(shí)現(xiàn)模塊之間通信數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效傳遞。模塊尋址方式通常包含串口模塊地址尋找修改和使用控制程序進(jìn)行模塊尋址修改兩種方式[10]。智能噴霧系統(tǒng)尋址修改時(shí)序圖,如圖5所示。在智能噴霧過(guò)程中,當(dāng)噴霧系統(tǒng)兩側(cè)傳感器未檢測(cè)到作物信號(hào)時(shí),電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài),噴霧桿位置不動(dòng);當(dāng)兩側(cè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到作物信號(hào)或一側(cè)檢測(cè)到作物信號(hào)后,電磁閥打開(kāi),噴霧桿保持現(xiàn)有狀態(tài);當(dāng)噴霧系統(tǒng)上部檢測(cè)作物信號(hào),下部未檢測(cè)到作物信號(hào)后,電磁閥打開(kāi),噴霧桿進(jìn)行位置調(diào)節(jié),直至上下兩個(gè)方向的噴霧桿均能檢測(cè)到作物信號(hào)為止[11]。智能噴霧系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制流程圖,如圖6所示.

4系統(tǒng)測(cè)試

智能噴霧系統(tǒng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目主要包含水平射程與噴幅測(cè)定、對(duì)地噴霧時(shí)的噴幅測(cè)定、噴霧流量及噴霧精度測(cè)定。在進(jìn)行水平射程與噴幅測(cè)定時(shí),對(duì)試驗(yàn)環(huán)境提供2m/s風(fēng)速,噴霧系統(tǒng)動(dòng)力供壓4MPa,測(cè)定噴霧邊緣最大距離處為噴霧系統(tǒng)水平射程,噴幅取噴霧桿方向的最大距離。智能噴霧系統(tǒng)水平射程與噴幅試驗(yàn)結(jié)果,如表2所示。對(duì)地噴霧噴幅測(cè)定時(shí),將噴霧桿拆卸,使噴頭與地面之間正面相對(duì),同時(shí)保證500mm豎直距離,測(cè)定地面幅寬即為對(duì)地噴霧噴幅。對(duì)地噴藥時(shí)的噴幅試驗(yàn)數(shù)據(jù),如表3所示。在進(jìn)行噴霧系統(tǒng)流量測(cè)試試驗(yàn)時(shí),對(duì)噴霧前后的藥箱整體進(jìn)行稱取質(zhì)量,求出噴霧前后質(zhì)量變化量即為試驗(yàn)噴藥量,噴藥量與噴霧時(shí)間之間的比值即為噴霧系統(tǒng)流量。試驗(yàn)過(guò)程中,設(shè)定噴霧系統(tǒng)動(dòng)力供壓4MPa,連續(xù)進(jìn)行20min噴霧。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。性能試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試完成后,為保證智能噴霧系統(tǒng)工作可靠性,需對(duì)其噴霧精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。噴霧精度試驗(yàn)過(guò)程中,噴霧系統(tǒng)水平行進(jìn)速度為3m/s,噴霧系統(tǒng)中心測(cè)距模塊與作物之間距離設(shè)定為2000mm,記錄掃描到作物信號(hào)至電磁閥打開(kāi)時(shí)間。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:智能混藥噴霧系統(tǒng)水平射程可達(dá)到3.5m,水平噴幅可達(dá)到2.5m,在對(duì)地噴藥模式下,其噴幅可達(dá)到2.3m,智能噴霧過(guò)程中平均噴霧流量可達(dá)到340kg/h,噴霧系統(tǒng)誤差平均值0.15%,動(dòng)作時(shí)間不大于0.4s,性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

智能混藥噴霧系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行作物生長(zhǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè),并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)指令決策,自動(dòng)進(jìn)行混藥噴霧,實(shí)現(xiàn)噴霧過(guò)程的自動(dòng)化和智能化,降低噴藥過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí)提高噴藥效率,減少環(huán)境污染,為自動(dòng)噴藥系統(tǒng)的推廣提供參考依據(jù)。

作者:逯云杰 單位:濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院