往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石世紀(jì)，羅 翔，杜毅鵬，何家成，汪 洋，任震宇，李曉賢，何培祥

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣總站，貴陽 550003)

0 引言

水肥是由固體或液體肥料與水配兌而成的肥液。給農(nóng)作物施水肥可同時(shí)進(jìn)行澆水和施肥，達(dá)到省水省肥省人工的效果，是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。水肥機(jī)按照施用場(chǎng)地可分為用于設(shè)施大棚的水肥一體機(jī)和用于戶外田間的背負(fù)式水肥機(jī)兩類。

對(duì)于水肥一體化的研究，國內(nèi)外都取得長足的進(jìn)展。就國外而言，目前世界上微灌面積最大的國家為美國，而滴灌系統(tǒng)覆蓋率最高的國家是以色列，其滴管系統(tǒng)覆蓋率超過本土面積的60%[1-3]。我國相關(guān)的研究可以追溯到1974年，由墨西哥引進(jìn)滴灌技術(shù)及設(shè)備，直到20世紀(jì)80年代初才在果樹種植方面有了初步的應(yīng)用[4-5]。1980年，我國首套擁有自主研發(fā)產(chǎn)權(quán)的成套滴灌設(shè)備研制成功，并從理論和實(shí)際應(yīng)用方面對(duì)滴灌技術(shù)進(jìn)行深入研究，促進(jìn)水肥一體化技術(shù)大范圍的推廣應(yīng)用[6]。歷經(jīng)40年多的發(fā)展應(yīng)用，我國水肥一體化技術(shù)越趨先進(jìn)，逐步接近世界領(lǐng)先水平，邁入快速發(fā)展階段[7-8]。

由目前國內(nèi)外研究情況來看，水肥一體化技術(shù)適用于平原地區(qū)，在平坦的大面積耕地具有良好的適用性，但針對(duì)我國西南山地丘陵地區(qū)，其實(shí)用性受到極大的限制。我國云南、貴州、重慶等省市均為山地丘陵地形，多采用于戶外田間的背負(fù)式水肥機(jī)[9]，工作時(shí)需背負(fù)一個(gè)盛水肥的藥箱，這就加重了操作人員的背負(fù)載荷，增大了其勞動(dòng)強(qiáng)度；且藥箱容積有限，所盛水肥少， 需不時(shí)的重裝水肥，降低了工作效率。因此，研發(fā)一種體積小、質(zhì)量輕，適用于山地丘陵地區(qū)的水肥機(jī)具有重大意義。

為此，西南大學(xué)研制了一種往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)。該水肥機(jī)體積小，無藥箱，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度；水管可自動(dòng)松放，亦可在電機(jī)和往復(fù)螺桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作用下呈螺旋形自動(dòng)均勻地纏繞在卷管筒上，無需人工重裝水肥，提高了工作效率。同時(shí)，結(jié)合了PIC單片機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施肥，控制誤差在5%以內(nèi)，提高了肥料利用率，減少了肥料殘留，更加切合綠色環(huán)保時(shí)代主題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)主要由往復(fù)螺桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、卷管機(jī)構(gòu)，以及背負(fù)機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。往復(fù)螺桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括用于水管主導(dǎo)向的往復(fù)螺桿和與往復(fù)螺桿平行設(shè)置的導(dǎo)向軸，以及套于兩者上的導(dǎo)向組件。導(dǎo)向組件包括通過螺紋孔套于往復(fù)螺桿并通孔空套于導(dǎo)向軸上的導(dǎo)向螺母座及設(shè)置在導(dǎo)向螺母座上的導(dǎo)向器，水管穿過導(dǎo)向器與水肥箱連接。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)和傳動(dòng)組件，傳動(dòng)組件包括一級(jí)主動(dòng)輪和一級(jí)從動(dòng)輪，以及一級(jí)同步帶、二級(jí)主動(dòng)輪、二級(jí)從動(dòng)輪及二級(jí)同步帶。卷管機(jī)構(gòu)包括卷管筒軸、卷管筒及水管擋板，卷管筒上設(shè)置有水管通孔，水管穿過該通孔并與水肥噴施器連接。背負(fù)機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、背板及背帶，便于操作人員背負(fù)操作。

該水肥機(jī)工作時(shí)，水管卷在卷管筒上，水管一端連接水肥箱，另一端連接水肥噴施器，操作人員背負(fù)此裝置在田間行走。操作人員按動(dòng)開關(guān)按鈕，卷在卷管筒上的水管即可在自身重力和操作人員行走拉力作用下自動(dòng)松放，在電機(jī)和往復(fù)螺桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下呈螺旋形自動(dòng)均勻地纏繞在卷管筒上；連接水肥噴施器的那一端有操作人員手持并控制水肥噴施。

1.機(jī)架 2.二級(jí)從動(dòng)輪 3.二級(jí)同步帶 4.二級(jí)主動(dòng)輪 5.一級(jí)同步帶 6.一級(jí)主動(dòng)輪 7.電機(jī) 8.背板 9.背帶 10.一級(jí)從動(dòng)輪 11.卷管軸 12.水管擋板 13.水管通孔 14.卷管筒 15.導(dǎo)向軸 16.往復(fù)螺桿 17.導(dǎo)向器 18.導(dǎo)向母座圖1 往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reciprocating screw backpack-type fertilizer machine

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)主要工作流程

往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)主要實(shí)現(xiàn)水肥的自動(dòng)噴施控制和水管呈螺旋形自動(dòng)均勻地纏繞在卷管筒，要實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)功能，整機(jī)工作流程可以劃分為兩大模塊：①首先操作人員觸動(dòng)工作開關(guān)1，電磁閥開啟，并等待水肥噴施完后關(guān)閉，同時(shí)蜂鳴器響起，提醒操作人員松開工作開關(guān)1，如圖2所示。②操作人員背負(fù)此裝置行走在田間，卷在卷管筒上的水管即可在自身重力和操作人員行走拉力的作用下自動(dòng)松放。當(dāng)需要自動(dòng)收縮纏繞時(shí)，操作人員觸動(dòng)工作開關(guān)2，電機(jī)正轉(zhuǎn)，同時(shí)檢測(cè)電機(jī)是否過流，一旦電機(jī)過流電機(jī)則停止轉(zhuǎn)動(dòng)，且蜂鳴器提醒操作人員松開工作開關(guān)2，否則電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)；當(dāng)操作人員松開工作開關(guān)2時(shí)，電機(jī)則停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。

圖2 水肥噴施工作流程Fig.2 Water and fertilizer spraying workflow

圖3 水管自動(dòng)收緊工作流程Fig.3 Waterline automatic tightening workflow

由上述工作流程可知該系統(tǒng)主要的輸入信號(hào)項(xiàng)，并表明該控制系統(tǒng)的主要輸出信號(hào)項(xiàng)為控制信號(hào)項(xiàng)。在對(duì)該控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)基于該工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 輸入信號(hào)及輸出控制項(xiàng)的確定

基于整機(jī)主要工作流程，結(jié)合整機(jī)的實(shí)際工作情況，從而確定整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出控制項(xiàng)。輸入信號(hào)首先需要觸發(fā)的兩個(gè)工作開關(guān)是機(jī)器執(zhí)行兩個(gè)工作步驟，因此需要工作開關(guān)1信號(hào)和工作開關(guān)2信號(hào)。水肥噴施量要在一定范圍內(nèi)可調(diào)，因此需要水肥噴施量調(diào)節(jié)信號(hào)，為防止電機(jī)過流而燒毀電機(jī)，需要檢測(cè)電機(jī)電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流保護(hù)。輸出控制項(xiàng)主要控制目標(biāo)是電磁閥和電機(jī)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)水管自動(dòng)纏繞，控制電磁閥開關(guān)實(shí)現(xiàn)水肥噴施量的控制。除此之外，為提高該機(jī)的使用便捷性，采用蜂鳴器和指示燈進(jìn)行機(jī)器工作狀態(tài)的提示。

2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行輸入信號(hào)的處理及控制信號(hào)的輸出。已知輸入信號(hào)有水肥噴施量調(diào)節(jié)信號(hào)、工作開關(guān)1信號(hào)、工作開關(guān)2信號(hào)及電機(jī)電流信號(hào)等，輸出控制項(xiàng)主要有指示燈、蜂鳴器、電磁閥及電機(jī)等。其中，蜂鳴器、電磁閥和電機(jī)則需要借助場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行電路控制?？刂葡到y(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control system structure

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引腳數(shù)量和可靠性是確定主控芯片的兩個(gè)主要指標(biāo)。該機(jī)對(duì)控制要求不高，最終選用PIC18F13K22作為主控芯片。其有28個(gè)引腳，8MHz內(nèi)部晶振，8K程序存儲(chǔ)器[10]，能夠完全滿足該機(jī)器的控制要求。

由硬件電路結(jié)構(gòu)框圖劃分功能模塊，并確定需要使用的殊功能引腳。其中，外部振蕩器電路為固定引腳OSC1和 OSC2，程序燒寫接口為5個(gè)固定引腳，水肥噴施量調(diào)節(jié)則需要具有A/D功能的引腳，確定了該系統(tǒng)所需的特殊功能引腳；再基于剩余所需的功能模塊分配I/O引腳，最終確定硬件電路原理圖如圖5所示。

圖5 硬件電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.5 Hardware circuit design schematic

下面以PIC18F23K22芯片為主控芯片對(duì)各個(gè)控制模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 水肥噴施量、開關(guān)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

水肥噴施量檢測(cè)如圖5中水肥噴施量設(shè)置模塊所示，噴藥量調(diào)節(jié)利用電位器R的分壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。其中，電位器R接入5V電源，單片機(jī)引腳AN4通過AD(Analog-to-Digital)轉(zhuǎn)換檢測(cè)電位器R分壓變化，內(nèi)部按比例計(jì)算出相應(yīng)的噴藥時(shí)間從而確定噴藥量，并采用RC濾波濾掉調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的毛刺，使得水肥噴施量調(diào)節(jié)更精確。

開關(guān)信號(hào)檢測(cè)如圖5中工作開關(guān)模塊所示。當(dāng)開關(guān)K1未接通時(shí)，輸入單片機(jī)引腳RC0為電容C2上端的高電平信號(hào)；當(dāng)按下開關(guān)K1后，電阻R18、R19間的線路接地，輸入單片機(jī)引腳RC0為低電平信號(hào)，從而判斷工作開關(guān)1是否被按下。同理，工作開關(guān)2的檢測(cè)與工作開關(guān)1的檢測(cè)一致。

3.2 電磁閥、蜂鳴器及指示燈的控制電路設(shè)計(jì)

電磁閥和蜂鳴器采用場(chǎng)效應(yīng)管電路進(jìn)行控制，電路原理圖如圖5中電磁閥控制模塊和操作提示模塊所示。電磁閥線圈和蜂鳴器作為感性負(fù)載，需要并聯(lián)二極管D2、D3進(jìn)行續(xù)流，單片機(jī)的RC2和RA3引腳分別控制場(chǎng)效應(yīng)管Q2、Q3，R16、R22為限流電阻，防止控制電路電流過大。場(chǎng)效應(yīng)管源極和柵極存在電容效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生壓差，因此并聯(lián)下拉電阻R17、R23進(jìn)行去除，從而保證效應(yīng)管工作的穩(wěn)定性和可靠性[10]，如圖5中操作提示模塊所示。單片機(jī)RC2引腳直接控制指示燈，串聯(lián)電阻R24用于限流。

3.3 電機(jī)及其電流控制電路設(shè)計(jì)

電機(jī)及其電路控制電路如圖5中電機(jī)控制模塊所示。對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，并聯(lián)D1二極管進(jìn)行續(xù)流，Q0為場(chǎng)效應(yīng)管，控制引腳為單片機(jī)的RA0引腳；R5為限流電阻，防止控制電路電流過大，R7下拉電阻用于去除場(chǎng)效應(yīng)管柵極與源極間由于電容效應(yīng)產(chǎn)生的壓差，確保場(chǎng)效應(yīng)管工作的可靠性。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流的檢測(cè)與保護(hù)，場(chǎng)效應(yīng)管Q0源極串聯(lián)電阻R6，并檢測(cè)R6兩端的電壓，經(jīng)過放大器LM392(放大器LM392的反向端接地)，將電壓信號(hào)放大，并經(jīng)過比較器LM324，比較器LM324反向端接地。當(dāng)電機(jī)電流過大時(shí)，比較器LM324輸出高電平，使得場(chǎng)效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，致使場(chǎng)效應(yīng)管Q0無法導(dǎo)通，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)硬件電路的電機(jī)過流保護(hù)；同時(shí)，比較器的高電平信號(hào)輸入到引腳RA1，由軟件控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)整機(jī)工作流程及硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，考慮實(shí)際工作過程中會(huì)遇到的問題，在保證機(jī)器工作安全可靠的前提下進(jìn)行控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，主程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.6 System main program flow chart

采用模塊化程序設(shè)計(jì)，通過判斷工作開關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)水肥噴施和管自動(dòng)收緊子程序的調(diào)用，大大簡化了程序設(shè)計(jì)流程。

圖7所示為水肥噴施子程序流程圖。完成水肥噴施后，蜂鳴器響起提示操作人員完成噴施工作，設(shè)計(jì)更加人性化。圖8所示為水管自動(dòng)收緊子程序。工作開關(guān)2的開合控制水管是否自動(dòng)收緊，同時(shí)設(shè)計(jì)了電機(jī)過流保護(hù)程序，一旦檢測(cè)到電流過大，電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蜂鳴器長鳴提醒操作人員松開工作開關(guān)2，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖7 水肥噴施子程序流程圖Fig.7 Flow chart of water and fertilizer spray subroutine

5 試驗(yàn)分析

5.1 水肥噴施量測(cè)試試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用于制作好的往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)上，并對(duì)其進(jìn)行噴藥量準(zhǔn)確性檢測(cè)試驗(yàn)。所用到的試驗(yàn)裝置主要有往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)和1 200mL量程的量杯。

圖8 水管自動(dòng)收緊子程序流程圖Fig.8 Flowchart of automatic tightening subroutine

試驗(yàn)對(duì)往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)水肥噴施量選取了11組設(shè)定值，在50～100mL區(qū)間，以5mL間隔為1組進(jìn)行試驗(yàn)，每組進(jìn)行10次的噴施計(jì)算總噴施水肥量，并計(jì)算出平均每次水肥噴施量，最后采用偏差進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知：該水肥機(jī)水肥噴施量的平均偏差為2.55%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 田間測(cè)試

為了驗(yàn)證該往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)工作效果，進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果表明：該往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)能達(dá)到預(yù)期要求。操作人員背負(fù)此裝置行走在田間，卷在卷管筒上的水管即可在自身重力和操作人員行走拉力的作用下自動(dòng)松放，在電機(jī)和往復(fù)螺桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下呈螺旋形自動(dòng)均勻地纏繞在卷管筒上，水肥噴施量精準(zhǔn)，達(dá)到控制誤差在5%以內(nèi)，提高了肥料利用率，減少了肥料殘留。

表1 水肥噴施量測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of water and fertilizer spray volume test

6 結(jié)論

針對(duì)往復(fù)螺桿背負(fù)式水肥機(jī)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)的半自動(dòng)化，并設(shè)有電機(jī)電流檢測(cè)電路、報(bào)警電路，大大提高了機(jī)器的安全性和可靠性。水管可自動(dòng)松放，亦可在電機(jī)和往復(fù)螺桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作用下呈螺旋形自動(dòng)均勻地纏繞在卷管筒上，無需人工重裝水肥，提高了工作效率。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制水肥噴施量，噴施誤差在5%以內(nèi)，大大提高了肥料利用率，減少了肥料殘留，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。