基于步進(jìn)電機(jī)的變量施肥裝置的設(shè)計(jì)

付麗娟

摘 要：該文將針對(duì)精準(zhǔn)施肥這一技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于步進(jìn)電機(jī)的變量施肥裝置。該施肥裝置的主要目的是實(shí)現(xiàn)變量施肥，改變傳統(tǒng)的平均施肥模式。實(shí)現(xiàn)變量施肥的核心是將步進(jìn)電機(jī)引入到施肥裝置體系中，在運(yùn)動(dòng)控制卡的驅(qū)動(dòng)下，步進(jìn)電機(jī)連接排肥機(jī)構(gòu)，再結(jié)合事先制定的施肥量計(jì)劃，最終實(shí)現(xiàn)變量施肥、精準(zhǔn)施肥。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 變量施肥裝置 精確施肥

中圖分類號(hào)：S224.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0109-01

在可持續(xù)發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也受到越來(lái)越多人的關(guān)注。要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展推行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是關(guān)鍵。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施有助于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益及生態(tài)效益的平衡發(fā)展。而要推行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵就是先進(jìn)、精準(zhǔn)、智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用。在智能化機(jī)械中的應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)變量施肥的精準(zhǔn)性。變量施肥技術(shù)與傳統(tǒng)的施肥技術(shù)有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的施肥技術(shù)采用的是平均施肥技術(shù)，是在一塊地里平均施肥，而不考慮土地的差異。而變量施肥技術(shù)則考慮土地的情況、氣候條件、海拔高度等各個(gè)方面的差異，然后再有區(qū)別的對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行不同的施肥方案，變量施肥技術(shù)的具體方法有養(yǎng)分平衡施肥法、目標(biāo)產(chǎn)量施肥法及應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)指導(dǎo)施肥等。通過(guò)這種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)肥料的最大程度化利用，可以減少肥料的浪費(fèi)，讓貧瘠的土地能獲得更多的肥料，而讓土地肥沃的土地減少施肥量以減少過(guò)多的肥料對(duì)土地的不良影響。

文章在研究的基礎(chǔ)上，提出將步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)用于自動(dòng)變量控制施肥技術(shù)中達(dá)到施肥量的可控性。具體的操作方法是將步進(jìn)電機(jī)連接到排肥機(jī)構(gòu)上，通過(guò)控制信號(hào)來(lái)精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，再通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥量的控制。建立基于步進(jìn)電機(jī)的變量施肥裝置的設(shè)計(jì)主要是要解決兩大部分的問(wèn)題，首先是運(yùn)用合理的決策方法對(duì)不同地區(qū)的土壤情況及自然環(huán)境進(jìn)行分析，得到不同土地的具體情況；接著如何運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)，將先進(jìn)的機(jī)械加入到整個(gè)施肥裝置中，以實(shí)現(xiàn)施肥的可控性和精準(zhǔn)性。

1 自動(dòng)變量施肥裝置總體方案

文中提出的自動(dòng)變量施肥裝置的設(shè)計(jì)方案如下，自動(dòng)變量施肥裝置主要有五大部分組成：可編程運(yùn)動(dòng)控制卡、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電源和排肥機(jī)構(gòu)。除了五大硬件組成部分外，還有相應(yīng)的如軟件技術(shù)的支持，主要包括函數(shù)庫(kù)以及控制系統(tǒng)軟件，控制系統(tǒng)軟件主要的功能是控制步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度?；诓竭M(jìn)電機(jī)的自動(dòng)變量施肥裝置的工作原理是將步進(jìn)電機(jī)與排肥器相連，然后依靠帶有螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用，使得肥料從進(jìn)料口進(jìn)料后不斷前進(jìn)，再?gòu)某隽峡诔鋈?，自?dòng)控制器將根據(jù)施肥情況對(duì)施肥量進(jìn)行控制。

2 施肥裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

排肥機(jī)構(gòu)的主體部分就是排肥機(jī)構(gòu)，排肥機(jī)構(gòu)的種類繁多，常見的包括外槽輪式、轉(zhuǎn)盤式、離心式、螺旋式、星輪式和振動(dòng)式等。不同種類的排肥機(jī)構(gòu)，其性能和功效是不一樣的。通過(guò)對(duì)比分析來(lái)看，螺旋式的排肥機(jī)構(gòu)是最適合自動(dòng)變量施肥裝置的。采用螺旋式排肥機(jī)構(gòu)的主要工作原理如下：首先排肥機(jī)構(gòu)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，然后帶有螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在封閉的料槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這一封閉的料槽有一個(gè)進(jìn)料口和一個(gè)出料口，通過(guò)螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)使得從進(jìn)料口進(jìn)入的肥料慢慢前進(jìn)，最后從出料口排出。

基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)變量施肥裝置是將步進(jìn)電機(jī)與排肥器相連，然后依靠帶有螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用，使得肥料從進(jìn)料口進(jìn)料后不斷前進(jìn)，再?gòu)某隽峡诔鋈?，自?dòng)控制器將根據(jù)施肥情況對(duì)施肥量進(jìn)行控制。整個(gè)排肥機(jī)構(gòu)主要包括軸承、軸、螺旋葉片、排肥口、末端軸承、排肥槽、進(jìn)肥口及肥料倉(cāng)。

3 步進(jìn)電機(jī)的連線設(shè)計(jì)

將步進(jìn)電機(jī)用于自動(dòng)變量施肥裝置中是十分重要的，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)成本很低、結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的調(diào)控，同時(shí)系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)也相對(duì)較為方便。將步進(jìn)電機(jī)用于自動(dòng)變量施肥裝置中為建立先進(jìn)可行的、實(shí)用的、低成本的變量施肥裝備奠定了基礎(chǔ)。

步進(jìn)電機(jī)的連線設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的功能的第一步，而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)連線的第一步是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)6020-3控制卡的連接。而在將控制卡插入控制主機(jī)的ISA插槽之前，先要正確設(shè)置好板地址和板上跳線。

3.1 ISAI/O地址設(shè)置（S1）

地址設(shè)置（S1）6020-3控制卡出廠缺省板地址為300H，該板共占用16個(gè)I/O口，如板地址為300H，則該板將占用300H-30FH的PC機(jī)I/O地址。在設(shè)置板地址時(shí)，根據(jù)PC機(jī)I/O地址圖，利用其中空閑的部分，結(jié)合S1撥段開關(guān)的省缺設(shè)置。選用其中的A和A8設(shè)置為OFF（1），A（7）～A（4）設(shè)置為ON（0），即控制卡的默認(rèn)設(shè)置。

3.2 脈沖輸出方式選擇（J4、J5、J6）

6020系列板卡通過(guò)板上調(diào)線，可設(shè)置每個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為：CW（正轉(zhuǎn)）+CCW（反轉(zhuǎn)）或CW（正轉(zhuǎn)）+方向控制信號(hào)兩種形式。

以上兩種形式在管腿32、33、34的方向信號(hào)上是一致的，也就是說(shuō)正向、負(fù)向的電平是相對(duì)應(yīng)的。如設(shè)為CW+CCW（跳線J4、J5、J6為1-2連接）方式，則在方向信號(hào)為高電平時(shí)，CW信號(hào)端（管腿14、15、16）有脈沖輸出，CCW信號(hào)端（管腿11、12、13）無(wú)脈沖輸出；而方向信號(hào)為低電平時(shí)，CW信號(hào)端（管腿14、15、16）無(wú)脈沖輸出，CCW信號(hào)端（管腿11、12、13）有脈沖輸出。如設(shè)為CW+方向（跳線J4、J5、J6為1-3連接）方式，則無(wú)論方向信號(hào)為高電平還是低電平，CW信號(hào)端（管腿14、15、16）均有脈沖輸出，而CCW信號(hào)端（管腿11、12、13）無(wú)脈沖輸出。根據(jù)選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)中用CW（正轉(zhuǎn)）+方向控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)形式，對(duì)應(yīng)的跳線設(shè)置J4、J5、J6均為1-3。

3.3 各部件連接

在做完上述的步驟后，接下來(lái)要將主機(jī)的電源關(guān)閉然后打開機(jī)箱，連接其他的部件，首先要講控制卡插入主板上的ISA插槽，為了保證控制器的穩(wěn)定需要用螺絲將其固定。其他部件的連接主要包括兩個(gè)大的方面，第一方面的連接是將運(yùn)動(dòng)控制卡與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連接，第二方面的連接則是時(shí)間步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)的連接。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的不斷推行，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)必將成為未來(lái)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心就是以低成本獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益與社會(huì)效益的平衡。而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心則是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，精準(zhǔn)施肥的目的就是考慮土地的差異性，有差異性地施肥，而不是平均施肥，土地貧瘠的可以適當(dāng)多施肥，而土地肥沃的土壤則減少施肥量，一方面可以減少過(guò)多肥料對(duì)土壤的損害；另一方面，也可以減少肥料的浪費(fèi)，保證土壤的質(zhì)量和產(chǎn)量。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的主要途徑就是運(yùn)用自動(dòng)化的精準(zhǔn)施肥機(jī)械來(lái)控制施肥的精準(zhǔn)性，而將自動(dòng)步進(jìn)機(jī)用于精準(zhǔn)施肥的控制系統(tǒng)中能夠很好地實(shí)現(xiàn)施肥的精準(zhǔn)性。將步進(jìn)電機(jī)用于變量施肥裝置系統(tǒng)中需要相應(yīng)的技術(shù)支持，未來(lái)針對(duì)變量施肥裝置的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的技術(shù)支持。

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