基于單片機(jī)果樹施藥仿形噴霧的位置控制系統(tǒng)

袁文鳳

(周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 周口 466000)

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)種植過程逐漸由原來的小面積作業(yè)模式向大面積密集型發(fā)展，尤其是果樹種植。在此背景下傳統(tǒng)作業(yè)方式已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，因此需要對(duì)作業(yè)模式進(jìn)行變革。果樹種植過程中需要對(duì)其進(jìn)行噴霧處理，降低病蟲害對(duì)果樹的影響。當(dāng)前果樹種植面積不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)人為噴霧方式已經(jīng)無法滿足需求，需要通過自動(dòng)化方式提升噴霧效率。在自動(dòng)化噴霧過程中，需要對(duì)現(xiàn)代果樹種植模式進(jìn)行分析，采用相應(yīng)控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際需求設(shè)置相應(yīng)的自動(dòng)化功能。為此，研制了一種基于單片機(jī)的果樹施肥噴霧控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧位置的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在保證噴霧質(zhì)量基礎(chǔ)上提升噴霧效率，克服傳統(tǒng)噴霧方式存在的弊端，促進(jìn)我國果樹種植進(jìn)一步發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)針對(duì)當(dāng)前較為常見的果樹種植地形，結(jié)合果樹種植地需求進(jìn)行彷形設(shè)計(jì)，通過自動(dòng)控制變更噴霧桿形狀，在特定情況下做出特定動(dòng)作。同時(shí)，在明確系統(tǒng)要求下，確定系統(tǒng)方案，結(jié)合自動(dòng)控制需求保證機(jī)械結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的靈活性和應(yīng)變性。在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械自由度要求設(shè)計(jì)出如圖1所示方案。

圖1 噴霧裝置總設(shè)計(jì)圖Fig.1 Spray device design

噴霧裝置主要包括底盤、支柱、機(jī)械臂及噴頭裝置。其中，底盤作用是支撐，配備移動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)在果樹種植區(qū)域內(nèi)移動(dòng)；支柱可實(shí)現(xiàn)上下升降，通過支柱控制整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的升降，便于控制其對(duì)不同高度的果樹進(jìn)行噴霧。機(jī)械臂中間通過可旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)連接，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可根據(jù)需要噴霧的范圍及形狀自由變換器形狀，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一字型噴霧，也可實(shí)現(xiàn)人字形、圓形、橢圓等多個(gè)形狀。該裝置含有多個(gè)噴頭，且其與外界交互主要通過傳感器實(shí)現(xiàn)。

機(jī)械臂自由伸縮主要通過液壓缸實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際噴霧過程中可通過模擬果樹形狀進(jìn)行噴霧，并通過液壓缸控制機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)，形成果樹形狀，在此基礎(chǔ)上便可進(jìn)行快速、高效的噴霧。方形噴霧過程簡圖如圖2所示。

圖2 噴霧過程簡圖Fig.2 Schematic diagram of spray process

在對(duì)大型果樹的噴霧過程中，可采用該仿行機(jī)構(gòu)結(jié)合果樹形狀進(jìn)行仿真。以包裹形式將果樹包裹在其內(nèi)部進(jìn)行噴霧，該種施肥方式不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹360°范圍噴霧，還可提高肥料利用率。

本文采用單片機(jī)控制技術(shù)，對(duì)機(jī)械臂面對(duì)果樹時(shí)的仿形過程進(jìn)行分析，以單片機(jī)作為控制中心，控制信號(hào)的輸入輸出，合理控制果樹仿形機(jī)構(gòu)形狀及使控制機(jī)構(gòu)與果樹間保持適當(dāng)距離。

信息收集主要通過傳感器實(shí)現(xiàn)，通過傳感器結(jié)合單片機(jī)形成整個(gè)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)；單片機(jī)主要將信息輸出至機(jī)械臂中的液壓系統(tǒng)，控制液壓系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂伸縮控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的仿形過程，如圖3所示。

圖3 仿形系統(tǒng)控制過程Fig.3 Control process of copying system

2 液壓缸參數(shù)設(shè)置

2.1 底座部分液壓缸參數(shù)

結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)置本機(jī)構(gòu)質(zhì)量為20kN，在進(jìn)行底座部分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證該結(jié)構(gòu)可承載該重量，并且保留有20%的余量，因此設(shè)置本文的液壓缸時(shí)設(shè)計(jì)其承重為F=20×(1+20%)=24kN。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，其底座部分主要由一個(gè)液壓裝置承載所有重力，其值為F1=F=24kN。

在此基礎(chǔ)上可計(jì)算液壓缸輸出力大小，即

F2=F1/(ηiΨ)

式中F2—液壓缸輸出力大小；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負(fù)載率，取0.65。

則在以上基礎(chǔ)上可計(jì)算出液壓缸輸出力大小41.03kN。

2.2 支架部分液壓缸參數(shù)

本設(shè)計(jì)支架部分重量為10kN，且該部分在升降過程中保持平穩(wěn)，其速度較慢，因此設(shè)定其慣性載荷不變。其公稱壓力表示為P=10MPa。

則該部分的輸出壓力可表示為

F4=F3/(ηiΨ)

式中F4—支架部分液壓缸輸出壓力;

F3—支架部分重量；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負(fù)載率，取0.65。

在此基礎(chǔ)上，可計(jì)算得出輸出壓力為17.09kN。

2.3 噴桿仿形液壓缸設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的支架部分重量為7kN，且該部分在升降過程中保持平穩(wěn)，其速度較慢，因此設(shè)定其慣性載荷不變。其公稱壓力表示為P=10MPa。

則該部分的輸出壓力可表示為

F6=F5/(ηiΨ)

式中F6—噴桿仿形部分液壓缸輸出壓力;

F5—噴桿部分質(zhì)重量；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負(fù)載率，取0.65。

則在此基礎(chǔ)上可計(jì)算得出輸出壓力為11.97kN。

3 仿形機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的仿形噴霧系統(tǒng)在傳統(tǒng)噴霧裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，加入了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并可根據(jù)果樹分布情況以及單棵果樹形狀進(jìn)行仿形，因此需要該結(jié)構(gòu)具有較為完善的控制系統(tǒng)。前文已經(jīng)針對(duì)液壓缸部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，本部分展開控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)。

機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中的各種形狀及機(jī)械臂位置主要通過液壓缸控制來實(shí)現(xiàn)，對(duì)單個(gè)液壓缸而言，其運(yùn)動(dòng)范圍將決定其所控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間大小，因此整個(gè)仿形機(jī)構(gòu)位置由所有液壓缸共同控制完成。在需要做出相應(yīng)動(dòng)作時(shí)，所有液壓缸機(jī)構(gòu)便會(huì)完成自己相應(yīng)動(dòng)作，其活塞連桿便會(huì)到達(dá)相應(yīng)位置；一旦完成其自身空間動(dòng)作后便會(huì)停止動(dòng)作，直至下個(gè)動(dòng)作命令出現(xiàn)再次執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。機(jī)構(gòu)液壓缸位置控制原理如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)液壓缸位置控制原理Fig.4 Position control principle of hydraulic cylinder

在進(jìn)行液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)程度控制時(shí)，主要通過光電感應(yīng)設(shè)備感受活塞連桿的運(yùn)動(dòng)位置，如需要活塞連桿運(yùn)動(dòng)至如圖開關(guān)1位置，光電開關(guān)1發(fā)出光電信號(hào)遇到活塞連桿后將信號(hào)反射回來，檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度；而光電開關(guān)2以及光電開關(guān)3均發(fā)射的信號(hào)已經(jīng)被信號(hào)吸收板吸收，無法反射回去。當(dāng)連桿上部分與光電開關(guān)1發(fā)生的光電信號(hào)持平時(shí)，其信號(hào)將會(huì)被逐漸被信號(hào)吸收板所吸收，在此基礎(chǔ)上控制中心將立刻接收不到光電開關(guān)1發(fā)出的信號(hào)，機(jī)構(gòu)便會(huì)立即停止運(yùn)行。通過多個(gè)液壓裝置共同控制仿形機(jī)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在到達(dá)相應(yīng)位置。

單片機(jī)選擇。基于以上控制系統(tǒng)要求，選擇的單片機(jī)必須具備較強(qiáng)可靠性，在功能性、反應(yīng)速度、智能性等方面均需具備較高水平?？紤]到單片機(jī)用于控制噴霧系統(tǒng)，則必須具備一定性價(jià)比。因此，首選STC系列單片機(jī)，綜合對(duì)比多款單片機(jī)最終選擇STC12C5A08S2型號(hào)單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制芯片。該款單片機(jī)如圖5所示。

圖5 STC12C5A08S2型號(hào)單片F(xiàn)ig.5 STC12C5A08S2 model single

STC12C5A08S2型號(hào)單片機(jī)具備仿形噴霧結(jié)構(gòu)所需的多種特點(diǎn)，該種單片機(jī)性能優(yōu)越，且反應(yīng)速度快、處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，具有一定性價(jià)比。本仿形機(jī)構(gòu)的最小系統(tǒng)主要由STC12C5A08S2型號(hào)單片機(jī)、時(shí)鐘電路及復(fù)位電路幾個(gè)部分組成，通過該最小系統(tǒng)便可執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。本結(jié)構(gòu)最小系統(tǒng)較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 最小系統(tǒng)Fig.6 Minimum system

時(shí)鐘電路屬于一種信號(hào)裝置，主要作用是在系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)按照一定次序展開工作。為保證時(shí)鐘電路充分發(fā)揮作用，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量讓單片機(jī)與時(shí)鐘電路靠在一起，保證時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)。

復(fù)位電路主要是對(duì)電路進(jìn)行清零處理，即讓所有電路都回到起始狀態(tài)，通過復(fù)位電路可促使機(jī)械結(jié)構(gòu)恢復(fù)其最初形狀。

在以上各分電路支持下便組成控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的硬件系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)較為簡潔，且在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中不會(huì)占據(jù)較大空間，僅僅通過幾塊PCB電路板便可實(shí)現(xiàn)。該種結(jié)構(gòu)便于維護(hù)保養(yǎng)，在出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題所在，恢復(fù)系統(tǒng)性能。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要用于控制仿形系統(tǒng)在相應(yīng)位置實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。上位機(jī)部分主要采用LABVIEW判斷仿形機(jī)構(gòu)機(jī)械臂位置并將相應(yīng)信息傳輸至單片機(jī)，通過單片機(jī)控制中心對(duì)其進(jìn)行控制。

光電結(jié)構(gòu)的發(fā)出和接收的光電信號(hào)需要進(jìn)行處理，以此控制液壓缸結(jié)構(gòu)，信號(hào)處理均通過控制中心實(shí)現(xiàn)。在接收和傳輸過程中，以光電信號(hào)作為基本介質(zhì)，結(jié)構(gòu)中的電機(jī)及電磁閥均通過光電信號(hào)進(jìn)行控制。

仿形機(jī)構(gòu)工作流程如圖7所示。

圖7 仿形機(jī)構(gòu)工作流程Fig.7 Flow chart of profiling mechanism

該機(jī)構(gòu)工作過程中，首先需要對(duì)其程序進(jìn)行初始化處理，恢復(fù)各項(xiàng)參數(shù)，避免出現(xiàn)遺留數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)工作造成的影響。

系統(tǒng)正式工作后，需通過傳感器判斷果樹位置，并將收集到的圖像信息傳遞至單片機(jī)處理中心，將運(yùn)動(dòng)信息傳遞出來，控制仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿形動(dòng)作。在仿形過程中，主要通過光線信號(hào)控制各個(gè)機(jī)械臂自身動(dòng)作，在整個(gè)機(jī)構(gòu)的配合下實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)仿形過程；仿形結(jié)束后，便可進(jìn)行噴霧作業(yè)，在噴霧完成后便恢復(fù)至初始狀態(tài)，機(jī)構(gòu)通過底盤部分的移動(dòng)裝置移至下一個(gè)噴霧地點(diǎn)，循環(huán)往復(fù)直至完成所有噴霧作業(yè)。

實(shí)際設(shè)計(jì)中以C語言作為編程語言，結(jié)合單片機(jī)展開作業(yè)，整個(gè)編程較為復(fù)雜，本處僅以最基本信號(hào)展示方式作為研究對(duì)象進(jìn)行闡述。通過N0、N1以及N2分別表示不同顯示功能，兩兩自由組合一共可得出8種組合方式；結(jié)合相應(yīng)指令及各式進(jìn)行圖像顯示過程控制，通過3種組合可實(shí)現(xiàn)常見邏輯表示方式，如表1所示。

表1 顯示設(shè)置及組合邏輯

圖8 仿形噴霧操作實(shí)效圖Fig.8 Effect of profile spray operation

通過以上硬件及軟件便可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的控制，對(duì)其展試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)可噴淋95%以上面積，符合噴霧需求，可用于實(shí)際生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1)對(duì)傳統(tǒng)噴霧機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)果樹進(jìn)行仿形，并通過單片機(jī)作為控制中心芯片，設(shè)置多自由度機(jī)械臂，可展開多種姿勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的有效仿形。通過光電信號(hào)作為命令傳輸結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際傳輸中通過液壓傳動(dòng)裝置控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)作。

2)在設(shè)計(jì)中確定底座、支架、噴桿部分液壓裝置的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際需求，硬件系統(tǒng)選擇STC12C5A08S2型號(hào)單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制芯片，通過C語言作為編程語言，結(jié)合單片機(jī)展開作業(yè)，按照設(shè)定的流程進(jìn)行編程，最終通過試驗(yàn)確定本結(jié)構(gòu)具有一定可行性。

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