基于PWM的無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)變量噴灑系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

肖利平　全臘珍　康江

摘 要 隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)逐漸被提上日程，然而在我國(guó)的農(nóng)藥噴灑中，大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)噴灑藥量的把握全靠農(nóng)戶的經(jīng)驗(yàn)，不僅效率低下，還會(huì)造成空氣和土壤的污染，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的安全也造成了一定的危害。為了減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)變量噴灑，完成了基于PWM的變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 PWM；變量噴灑；方案設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.27.061

1 研究的意義

將無(wú)人直升機(jī)技術(shù)、施藥技術(shù)相結(jié)合形成的無(wú)人直升機(jī)施藥技術(shù)裝備具有尺寸小、重量輕、操控靈活、農(nóng)藥噴灑效果好、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于中、小田塊的病蟲(chóng)害防治或大田塊局部精準(zhǔn)施藥。但也暴露出一些問(wèn)題。

首先，農(nóng)藥的大面積噴灑也隨之產(chǎn)生了一系列的危害。杭州市富陽(yáng)區(qū)食品安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心陳瑜等人采集2012—2016年杭州市富陽(yáng)區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)和生產(chǎn)基地等市售的新鮮蔬菜共671份，按照NY/T 761-2008《蔬菜和水果中有機(jī)磷、有機(jī)氯、擬除蟲(chóng)菊酯和氨基甲酸酯類農(nóng)藥多殘留的測(cè)定》對(duì)30種常用農(nóng)藥的殘留量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)近5年杭州市富陽(yáng)區(qū)的葉菜類蔬菜農(nóng)藥檢出率最高為30.3%，且殘留超標(biāo)程度較為嚴(yán)峻[1]。

其次，傳統(tǒng)的變量農(nóng)藥噴灑采用壓力控制流量的方式，因此流量的改變就需要一定范圍內(nèi)的來(lái)改變壓力，而壓力的改變必然會(huì)導(dǎo)致噴霧顆粒大小的變化，從而造成噴藥的不穩(wěn)定。為此采用變量農(nóng)藥噴灑的方法實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的噴藥，因?yàn)樗窃趬毫愣ǖ那闆r下實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)了在保證噴霧顆粒大小不變的情況通過(guò)改變的值來(lái)更大范圍的調(diào)節(jié)流量變化的目的。

2 PWM調(diào)制原理

PWM調(diào)制是通過(guò)脈沖寬度調(diào)制方式將直流電源變成PWM波[2]。PWM波是在一定頻率下的由一連串連續(xù)的具有不同占空比的矩形波組成，它廣泛地應(yīng)用于測(cè)量、通信、與變頻等許多領(lǐng)域。圖1所示為生成原理和波形圖，該系統(tǒng)由一個(gè)鋸齒波發(fā)生器和一個(gè)比較器組成。信號(hào)如果小于輸出高電平，否則輸出低電平。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一串波。

因此，可以通過(guò)對(duì)輸出的方波進(jìn)行信號(hào)放大來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥噴頭。在壓力、頻率一定的情況下來(lái)改變電磁閥的開(kāi)斷時(shí)間，從而來(lái)改變噴頭的流量。

3 無(wú)人機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包含電動(dòng)離心噴頭、折疊式噴桿、藥液箱、施藥控制系統(tǒng)、液泵、機(jī)架等[3]。農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)整體以四點(diǎn)的方式與無(wú)人直升機(jī)下方的連接點(diǎn)利用螺栓固定連接。施藥控制系統(tǒng)與機(jī)架固連，位于藥箱側(cè)面，其信號(hào)輸入端與控制主機(jī)的輔控制輸出端相接。

其中藥箱成馬鞍形設(shè)計(jì)，通過(guò)外壁設(shè)置的2道安裝槽與機(jī)架固連，折疊式噴桿組件通過(guò)2只帶“T”形螺釘?shù)目ü堪惭b在機(jī)架上，折疊式噴桿兩端安裝2個(gè)電動(dòng)離心噴頭。液泵通過(guò)4只螺釘固定安裝在馬鞍形藥箱的凹面，液泵的吸液管經(jīng)藥箱凹面的吸液口通至藥箱底部，向液泵輸送藥液。

4 均勻噴灑控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 均勻噴灑中央處理模塊（MCU）設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ST公司的STM32F407VGT6作為主控芯片、STM32F103CBT6作為備用應(yīng)急芯片。在飛行過(guò)程中，遙控信息的捕獲、傳感器數(shù)據(jù)的采集與濾波、實(shí)時(shí)姿態(tài)解算、電機(jī)控制等這些任務(wù)和計(jì)算都需要MCU處理，所以MCU需要非常強(qiáng)大的處理能力。另外，飛控程序本身的多任務(wù)特性，要求MCU有足夠的Flash、RAM以及最小的中斷時(shí)間。傳統(tǒng)的8位、16位MCU很難達(dá)到要求。本設(shè)計(jì)中STM32F407VGT6芯片使用ARM公司的Cortex-M4內(nèi)核，最高168MHz運(yùn)行頻率、192kB RAM、1MB Flash以及FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元。STM32F103CBT6芯片使用ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，最高72MHz運(yùn)行頻率、128kB RAM、1MB Flash。此外，這兩塊芯片外設(shè)豐富，多個(gè)USART、SPI、IIC、SDIO、USB接口。與其他型號(hào)MCU對(duì)比有如下優(yōu)勢(shì)：第一，相對(duì)較高的運(yùn)行頻率、額外的DSP指令集、FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元和CCM內(nèi)存等可以提供足夠的計(jì)算能力；第二，豐富的外設(shè)使得飛控PCB設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，減少外部IC的數(shù)量，并能一定程度上減輕MCU的處理壓力；第三，Cortex-M內(nèi)核特有的中斷處理，相比于其他內(nèi)核而言有更快的響應(yīng)速度和更豐富的優(yōu)先級(jí)配置，能更快地完成切換。

4.2 電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用三端固定輸出電壓式穩(wěn)壓電源7805，它可以輸出的5 V直流電壓。為了提高輸出的電流，可以通過(guò)使用一個(gè)附加的功率三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具有的集電極電流，當(dāng)電流輸出小于時(shí)，穩(wěn)壓器工作，晶體管不工作；一旦超過(guò)這個(gè)值，晶體管工作，然后將集電極的電流傳入負(fù)載。該電源電路能夠輸送超過(guò)的負(fù)載電流。

4.3 繼電器模塊設(shè)計(jì)

本模塊的繼電器選用12V繼電器模塊，模塊尺寸為53 mm×18 mm×18.5 mm；控制區(qū)域與負(fù)載區(qū)域有隔離槽；模塊帶光耦隔離，觸發(fā)現(xiàn)可靠，更穩(wěn)定；采用雙面FR-4線路板設(shè)計(jì)，高端貼片工藝生產(chǎn)；采用松樂(lè)-繼電器控制；具有電源和繼電器動(dòng)作指示，吸合亮，斷開(kāi)不亮；信號(hào)輸入端有低電平信號(hào)時(shí)，公共端與常開(kāi)端會(huì)導(dǎo)通；繼電器可以直接控制各種設(shè)備和負(fù)載；有1個(gè)常開(kāi)和1個(gè)常閉觸點(diǎn)；藍(lán)色KF301端子接控制線更方便。

4.4 電磁閥模塊設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外電磁閥的種類有先導(dǎo)式電磁閥、直動(dòng)式電磁閥和分布式直動(dòng)電磁閥三種。為了方便操作，本控制系統(tǒng)選用直動(dòng)式電磁閥，它應(yīng)用直動(dòng)式原理，通電后電磁線圈產(chǎn)生的電磁力把電磁閥內(nèi)的閥座吸合起來(lái)，閥門打開(kāi)斷電后，電磁力消失，內(nèi)部的彈簧把閥座彈回原處，閥門關(guān)閉，從而完成電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。它具有反應(yīng)迅速、動(dòng)作靈敏、價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。由于信號(hào)的輸出使通過(guò)軟件的設(shè)置從單片機(jī)的工口輸出的，所以輸出的驅(qū)動(dòng)電流比較小，它不能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，因此需要加入信號(hào)電流的放大。本控制系統(tǒng)采用來(lái)驅(qū)動(dòng)路電磁閥，是高電壓大電流八個(gè)達(dá)林頓晶體管陣列，它是低邏輯電平數(shù)字電路和大電流高電壓負(fù)載間接口的理想器件，它的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到，完全滿足本電磁閥的開(kāi)啟要求電流。本設(shè)計(jì)選擇12 V常開(kāi)型電磁閥。

4.5 隔膜增壓泵模塊設(shè)計(jì)

本模塊采用雷士泰隔膜泵增壓泵，包括自吸泵1個(gè)、電源適配器1只、2分管接頭2只、母頭1只、進(jìn)水端過(guò)濾頭1只；內(nèi)有壓力感應(yīng)裝置，當(dāng)水滿后壓力達(dá)到最大值，自吸泵自動(dòng)切斷電源，放水后壓力小于最大值，泵會(huì)自動(dòng)通電抽水。

4.6 顯示模塊設(shè)計(jì)

本模塊采用的是直流LCD液晶數(shù)顯電壓表（圖2），是帶電壓+電流+功率+電量四種功能全屏液晶顯示于一體的多功能直流液晶帶背光顯示的直流測(cè)試儀表頭，電壓范圍6.5～100 V，內(nèi)置分流器；測(cè)試電壓直接供電，無(wú)需外接電源，測(cè)量精準(zhǔn)，超大屏幕LCD液晶全屏顯示清晰。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人直升機(jī)技術(shù)、施藥技術(shù)相結(jié)合形成的無(wú)人直升機(jī)施藥技術(shù)裝備適用于中、小田塊的病蟲(chóng)害防治或大田塊局部精準(zhǔn)施藥。針對(duì)農(nóng)藥的大面積噴灑產(chǎn)生的農(nóng)藥殘留危害和傳統(tǒng)的變量農(nóng)藥噴灑從而造成噴藥的不穩(wěn)定，本文完成了基于PWM的變量農(nóng)藥噴灑控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及均勻噴灑控制系統(tǒng)MCU、電源、繼電器、電磁閥、增壓泵、顯示等模塊的方案設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳瑜，袁新躍，張培洪，等.2012—2016年杭州市富陽(yáng)區(qū)蔬菜中農(nóng)藥殘留監(jiān)測(cè)及分析[J].食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)，2016，7（12）：5083-5088.

[2]榮軍，李一鳴，萬(wàn)軍華，等.不同PWM調(diào)制方式對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速的影響[J].微電機(jī)，2015，48（10）：70-74.

[3]周立新，薛新宇，孫竹，等.無(wú)人直升機(jī)農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（12）：396-398.

（責(zé)任編輯：趙中正）endprint