在線射流混藥比例控制試驗平臺研究

摘要：以單片機STC12C5A60S2為核心控制芯片，主要包括電荷放大器、程控放大器、低通濾波器、峰值檢測電路等通道，并在CCS環(huán)境下進行了系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括主程序設(shè)計和中斷程序設(shè)計?；诖嗽囼炂脚_，進行了在線射流混藥比例控制的試驗，在離心泵電機轉(zhuǎn)速變化的情況下，觀察吸藥流量、混合液流量和混藥比的大小和變化情況。結(jié)果表明，在線射流混藥比例控制試驗平臺可根據(jù)不同藥液的濃度控制混藥比，使混藥比的可調(diào)范圍廣，提高了實時自動混藥精度，證明了該試驗平臺方案的可行性，為進一步推廣應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：試驗平臺；漁藥；混藥比；STC12C5A60S2

中圖分類號：S969 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2645-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.049

Abstract： STC12C5A60S2 MCU as core control chip， including the charge amplifier， the programmable amplifier， the low-pass filter and the peak detector. The software design of the system is under the environment of CCS， including main program design and interrupt program design. Based on this test bench， the test of the online jet mixing control is conducted under the circumstances of the rotate speed of centrifugal pump motor for observing the absorption dose， the mixture dose， the mixing proportion and the changing situation. The results showed that the mixing proportion can be controlled with different concentrations on proportional control experimental platform of online jet mixing drug. In this way， the range of the mixing proportion is wider and the precision of the automatic mixing is higher. It proves the feasibility of this experimental platform scheme and builds a solid foundation for the further application.

Key words： experimental platform； fishery drug； mixing proportion； STC12C5A60S2

中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐漸由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。從20世紀(jì)90年代以來，中國的水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展迅速，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積已超過6.1×106 hm2，水產(chǎn)養(yǎng)殖總量占世界的60%以上，但也存在問題，如設(shè)備不配套、作業(yè)主要依靠人力、缺乏小型水產(chǎn)作業(yè)機具、且作業(yè)環(huán)境十分惡劣。這不僅限制了勞動效率的提高和勞動條件的改善，還阻礙了漁業(yè)養(yǎng)殖向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展[1]。養(yǎng)殖業(yè)作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，其進一步發(fā)展必然要求提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的機械化和自動化水平。

隨著漁藥自動噴施技術(shù)的發(fā)展，能有效地解決中小型池塘漁藥自動噴施的問題，但漁藥原液和水的混合比例問題仍然沒有得到很好的解決。采用傳統(tǒng)人工預(yù)混的方式不僅混藥質(zhì)量不高、混藥比例難以控制，而且漁藥很容易接觸到人體而對漁民的身體造成危害，所以人工預(yù)混藥逐漸被在線混藥所代替。目前，國內(nèi)外對在線混藥技術(shù)的研究多集中于混藥裝置的性能研究[2]、混藥濃度的在線檢測[3]、用于植保機械中的在線混藥變量噴霧系統(tǒng)[4]等方面。而關(guān)于水產(chǎn)養(yǎng)殖的漁藥噴施領(lǐng)域中能夠調(diào)節(jié)水流量和藥流量，并能實時控制混藥比例的混藥控制試驗平臺的研究在國內(nèi)外基本是空白。本研究針對現(xiàn)有農(nóng)藥噴霧技術(shù)的局限性和缺陷，提出了一種適合于漁藥自動噴施過程中自動吸藥、水流量和藥流量實時檢測、精確計算混藥比例的試驗平臺。該試驗平臺設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，方便實用，可用于不同漁藥混藥比例試驗和漁藥噴施船或中小型掛接式漁藥噴施機。

1 混藥比例控制試驗平臺

1.1 混藥比例控制試驗平臺的結(jié)構(gòu)

在線射流混藥比例控制試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括儲水箱、底閥、變頻器、離心泵、流量計、壓力變送器、藥箱、單向閥、單片機混藥比例控制器等。儲水箱和藥箱中都安裝有檢測水量和藥量的液位傳感器，防止由于液體容量不足而導(dǎo)致試驗失效。離心泵將三相異步電機和泵集成于一體，作為整個裝置的動力源，利用變頻器用來控制離心泵的轉(zhuǎn)速，支管控制閥用來控制管路水流量，通過變頻器和支管控制閥兩者的配合使用來控制水流量和藥流量以及壓力的大小。自動吸藥混藥器利用管道中形成的負壓自動吸入藥液，可以實現(xiàn)藥液與水的均勻混合[5]。通過檢測得到的吸藥流量的流量計數(shù)值與混合液流量的流量計數(shù)值的比值可以精確得到不同魚藥的混藥比例，這是通過單片機混藥比例控制器軟件編程來實現(xiàn)的[6]。

采用在線射流混藥比例控制試驗平臺具有的有益效果是：①針對不同漁藥要求，實時調(diào)節(jié)水流量和藥流量來控制混藥比例，并能自動吸藥；②漁藥與空氣不接觸，不會導(dǎo)致漁藥失效，且不會對操作人員的健康造成損害；③該試驗平臺可以直接掛接在漁藥噴施船或中小型漁藥噴施機上，操作方便、實用。

1.2 混藥比例控制試驗平臺的工作原理

變頻器控制離心泵，離心泵溢口處采用溢流管道直接連通到儲水箱內(nèi)，溢流管道末端連接防止水倒流至儲水箱的底閥，離心泵的出口通過管路連接檢測供水主管水流量的流量計構(gòu)成供水主管路，供水主管路連接三通的入口，三通a的一個出口連接供水支管路，另一個出口連接比例混藥進水支管；比例混藥進水支管路與自動吸藥混藥器進口連接在一起，該管路上依次設(shè)置支管過濾器、檢測混藥器進口流量的流量計、檢測混藥器進口壓力的變送器；自動吸藥混藥器出口通過比例混藥出藥支管路與三通b連接在一起，該管路上依次設(shè)置檢測混藥器出口壓力的壓力計和防止藥液回流的單向閥，三通b的一個出口與供水支管路連接在一起，該管路上設(shè)置了支管控制閥，另一個出口連接回流管路，該管路上依次設(shè)置檢測混合液流量的流量計、檢測混合液壓力的變送器；在自動吸藥混藥器的藥液入口設(shè)有檢測吸藥流量的流量計，該流量計入口外接吸液管，該吸液管下端設(shè)有過濾器，插入到藥箱底部；單片機混藥比例控制器根據(jù)每一時刻通過流量計的流量實時計算混藥比例[7-9]。

2 流量檢測

本研究中所用的流量傳感器均采用LWGY型渦輪流量傳感器，如圖2所示。該流量傳感器測量范圍廣，下限流速低，壓力損失小，具有較高的抗電磁干擾和抗振動能力。采用LWGY-32型流量計檢測供水主管水流量，流量范圍1.5～15.0 m3/h；采用LWGY-25型流量計檢測混藥器進口流量的流量計和檢測混合液流量，流量范圍1.0～10.0 m3/h；采用LWGY-15型流量計檢測吸藥流量，流量范圍0.6～6.0 m3/h。

被測液體流經(jīng)傳感器時，傳感器內(nèi)葉輪借助于液體的動能而旋轉(zhuǎn)。此時，葉輪葉片使檢出裝置中的磁路磁阻發(fā)生周期性變化，因而在檢出線圈兩端感應(yīng)與流量成正比的電脈沖信號，經(jīng)檢出器中的前置放大器放大后傳送至顯示儀表。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)漁藥與水的精確混合比例試驗，達到漁藥混合比實時控制和監(jiān)測的目的，構(gòu)建了以STC12C5A60S2作為微處理器的控制系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)的硬件部分主要由電荷放大器、程控放大器、低通濾波器、峰值檢測電路等通道和STC12C5A60S2單片機系統(tǒng)、鍵盤輸入電路、輸出電路組成，系統(tǒng)硬件框如圖3所示。該系統(tǒng)的主要功能是將渦輪流量計的壓電傳感器出來的微弱電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)過放大濾波后由單片機STC12C5A60S2自帶的A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，整形輸出后得到規(guī)則的方波通過定時器進行記數(shù)，根據(jù)記數(shù)的結(jié)果，計算出流量和混藥比相關(guān)信息。

系統(tǒng)的顯示輸出采用240×120圖形點陣液晶顯示器，具有以下優(yōu)點：工作電壓小、功耗低、驅(qū)動電路簡單、器件體積小、顯示清晰、內(nèi)含驅(qū)動與控制電路以及串行通信接口，可與單片機方便對接，專用于流量、溫度、壓力等儀表，可顯示14位8段式字符，滿足該系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)顯示界如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的流程如圖5所示?；焖幈仁峭ㄟ^吸藥流量的流量計數(shù)值和混合液流量的流量計數(shù)值來確定的，其流量是通過渦輪流量傳感器檢測得到的，其大小變頻器所控制的離心泵轉(zhuǎn)速高低的變化而變化。

該系統(tǒng)可以通過控制離心泵的轉(zhuǎn)速即泵出口流量的大小來實時控制藥流量和水流量的大小，從而控制混藥比。

5 試驗研究與分析

5.1 試驗平臺主要部件

在線射流混藥比例控制試驗平臺主要包括：上位機系統(tǒng)、動力控制與泵水裝置、試驗臺管路。渦輪流量傳感器和壓力傳感器的型號、性能參數(shù)和安裝位置如表1所示。

5.2 試驗結(jié)果分析

流量控制是影響混藥效果的主要因素，為了驗證該控制系統(tǒng)的實際控制效果，對系統(tǒng)的軟件及硬件進行綜合測試，測試在離心泵電機轉(zhuǎn)速變化的情況下，吸藥流量、混合液流量和混藥比的大小和變化情況，試驗結(jié)果如表2所示。

通過上述試驗表明，隨著電機轉(zhuǎn)速的增大，試驗平臺吸藥流量和混合液流量逐漸增大，而混合液流量和吸藥流量的比值即混藥比也逐漸增大。在線射流混藥比例控制試驗平臺可根據(jù)不同藥液的濃度控制混藥比，使混藥比的可調(diào)范圍廣，提高了實時自動混藥的精度。

6 結(jié)論

1）該試驗平臺設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，適合于漁藥自動噴施過程中自動吸藥、水流量和藥流量實時檢測、精確計算混藥比。

2）以單片機STC12C5A60S2為核心控制芯片，設(shè)計并開發(fā)了在線射流混藥比例控制系統(tǒng)的軟硬件。硬件部分設(shè)計了電荷放大器、程控放大器、低通濾波器、峰值檢測電路等通道，同時系統(tǒng)采用點陣液晶顯示器來顯示界面，并在CCS環(huán)境下運用模塊化的思想，設(shè)計了各個模塊和程序。

3）在線射流混藥比例控制試驗平臺可根據(jù)不同藥液的濃度控制混藥比，使混藥比的可調(diào)范圍廣，提高了實時自動混藥的精度，證明了試驗平臺方案的可行性，為進一步推廣應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 黨革榮，耿端陽.農(nóng)機發(fā)展出路在于智能化和自動化[J].中國農(nóng)機化，2003（5）：5-6.

[2] 何培杰，吳春篤，陳翠英.新型噴霧混藥裝置性能研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2001，32（3）：44-47.

[3] 邱白晶，賈方聞，鄧 斌.混藥濃度在線檢測裝置[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45（2）：99-104.

[4] 劉志壯，徐漢虹，洪添勝.在線混藥式變量噴霧系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40（12）：93-96，129.

[5] 張俊峰，柳國昌，萬 勇.漁藥自動噴施機的設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（19）：4792-4794.

[6] 陳志剛，朱樹禮，邱白晶.在線射流混藥濃度控制系統(tǒng)[J].排灌機械工程學(xué)報，2012，30（4）：463-468.

[7] 朱樹禮.在線射流混藥控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].江蘇鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012.

[8] 邱白晶，李會芳，吳春篤.變量噴霧裝備及關(guān)鍵技術(shù)的探討[J].江蘇大學(xué)學(xué)報，2004，25（2）：97-101.

[9] 張文昭，劉志壯.3WY-A3型噴霧機變量噴霧實時混藥控制試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（11）：130-133.