采用電動球閥控制的智能化定量顆粒施肥器

閆鼎 曹亞凡 陳兆英

摘要 ? ?針對手工施肥中存在施肥量不準確、工作效率低、勞動強度大等問題，本文研制了一種智能化定量顆粒施肥器。該施肥器通過單片機控制集成盒和電動球閥將肥料箱內(nèi)的顆粒化肥進行定量分配。在不同作物的不同生長時期，通過設置單片機的脈沖數(shù)值調(diào)整施肥量，實現(xiàn)對每株作物的定量精準施肥，可降低人力勞動強度，提高施肥效率與精準度。

關鍵詞 ? ?電動球閥;施肥器;定量施肥

中圖分類號 ? ?S224.2 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）17-0143-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract ? ?In view of the existed problems in manual fertilization， such as inaccurate fertilizer amount， low work efficiency and high labor intensity and so on， this paper developed an intelligent quantitative granular fertilizer applicator. The fertilizer applicator is controlled by single chip microcomputer integrated box and electric ball valve， which can fertilize in the granular fertilizer distribution quantitatively. In different growth periods of different crops， the pulse value of the single chip microcomputer is set to adjust the amount of fertilizer， so as to realize the quantitative precision fertilization of each crop， which can reduce the human labor intensity and improve the efficiency and accuracy of fertilization.

Key words ? ?electric ball valve; fertilizer applicator; quantitative fertilization

我國人口眾多，人均資源少，而且資源利用效益較低。因此，要充分有效地利用有限的資源，發(fā)展以節(jié)地、節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)糧為目標的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[1]。肥料是各種農(nóng)作物所必需的，施肥在農(nóng)作物生長過程中是必不可少的環(huán)節(jié)，而科學施肥是提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素[2]。長期以來，在農(nóng)田施肥過程中，特別是在農(nóng)作物中期對植株施肥，所采用的施肥方式大多是人工徒手進行施肥。這種施肥方式存在許多缺點和不足，如施肥量不易掌握、不集中、易散落等，化肥浪費現(xiàn)象較嚴重;并且消耗人力較大，工作效率較低，難以精確控制，易造成施肥過量，污染環(huán)境[3-4]。特別是當前農(nóng)村勞動力呈現(xiàn)短缺與老齡化、生產(chǎn)成本上升等現(xiàn)狀制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-6]，亟須進一步加強施肥技術和施肥機械的結合。目前，水稻、玉米、小麥等農(nóng)作物的機械化施肥水平已經(jīng)有了長足進展[7-9]，但煙草穴施肥料機械的研發(fā)和使用鮮有報道。本文經(jīng)過深入研究，研制了一種采用蓄電池作為動力、背負式的、用于烤煙固體顆粒肥料的智能定量施肥器[10]。該定量施肥器也可應用于其他農(nóng)作物，如果樹、棉花等[11]，根據(jù)不同生長時期對每株作物定量精準施肥。該定量施肥器結構簡單、操作方便、智能高效，不僅能精確設定每次施肥的施肥量，還能較好地解決人工施肥過程中效率低、施肥量不準等問題。

1 ? ?定量施肥機械總體結構及工作原理

1.1 ? ?總體結構

該智能化定量顆粒施肥器部件構成包括肥料箱、鋰電池、控制集成盒、下肥管、轉接管、電動球閥、施肥管以及施肥按鈕等，如圖1所示。

背負式顆粒肥料箱用于容納顆粒狀肥料;鋰電池選用12 V/8 AH鋰電池，重約0.7 kg，可為該施肥器持續(xù)穩(wěn)定供電6～8 h?？刂萍珊醒b有該施肥器的智能控制系統(tǒng)，包括單片機、液晶屏和一些控制線等，單片機選用低功耗、寬電壓的STC15W408AS單片機，軟件采用Keil C進行程序設計，液晶屏可顯示相應的施肥量數(shù)值、控制狀態(tài)。下肥管直徑較施肥管直徑大，因而中間加了轉接管進行轉接，電動球閥裝在轉接管后面。電動球閥選用新款微型電動球閥，型號為DN25 XY-04 A/DC9-24V，作為定量施肥器的排肥器，電動球閥結構如圖2所示。施肥按鈕采用自動復位開關按鍵，按下施肥按鈕1次，施肥器自動按設定的施肥量施肥1次。

1.2 ? ?工作原理

該智能化定量顆粒施肥器采用單片機作為控制器，可控制每次施肥量20～50 g，每次施肥量可調(diào)節(jié)，精度在±10%以內(nèi)。因此，該施肥器可以按照預設定好的施肥量對單株作物進行精準施肥。該智能化定量顆粒施肥器的控制流程如圖3所示。

該定量施肥器的施肥量主要由關鍵部件控制集成盒和電動球閥來控制。具體工作原理：定量施肥器留有外置且供調(diào)試使用的紅外遙控鍵盤，鍵盤有1～4共4個鍵，這4個鍵可輸入0～9 999之間的任一數(shù)值，可以設定20～50 g之內(nèi)的施肥值。通過設置可以將每次需要的施肥量與脈沖數(shù)關聯(lián)，標定的脈沖數(shù)據(jù)存入EEPROM，掉電也不會丟失數(shù)據(jù)，只要設置1次，即可以根據(jù)標定數(shù)據(jù)進行工作;即使掉電，下次上電自動記憶，液晶屏上會顯示上次設置的施肥脈沖數(shù)，大概1個脈沖1 mL，具體量可以通過量杯測定后標定。如需新的施肥值，只需通過鍵盤進行設置輸入和標定，重新標定即可。設定好每次的施肥量，使用時，按一下施肥按鈕，自動施肥1次，施肥量為設定好的施肥值。

按下施肥按鈕，單片機通電開始計數(shù)，同時電動球閥通電，電動球閥執(zhí)行器正動作，閥開，保持在閥開的狀態(tài)。肥料箱中的顆粒肥料在重力的作用下，通過下肥管、轉接管、電動球閥等從施肥管流出，開始施肥;當單片機計數(shù)的數(shù)值達到設定數(shù)值，系統(tǒng)斷電復位，電動球閥閥關，保持在閥關的狀態(tài)，本次施肥結束，施肥量為設定好的施肥值;下次施肥，再按一下施肥按鈕，單片機和球閥重復以上動作，施肥結束時施肥量為設定好的施肥值。

該智能化定量顆粒施肥器通過設置單片機的數(shù)值來控制每次施肥的精確時間，從而控制每次施肥的施肥量，控制準確，可確保每株作物的準確、定量施肥;要改變施肥量，改變單片機的設置數(shù)值即可，方便調(diào)節(jié)施肥量，而且操作簡單、可靠。

2 ? ?定量施肥機械使用方法及田間試驗

2.1 ? ?使用方法

第一步：按遙控器上的“#”鍵，確認設置值;然后按“OK”鍵，完成設置，液晶屏上會顯示相應數(shù)值，如圖4所示。

第二步：按“1”鍵，施出設定值的施肥量;按“2”鍵，施出設定值2倍的施肥量;按“3”鍵，施出設定值3倍的施肥量;按“4”鍵，停止。

第三步：設定好每次的施肥量之后，使用定量施肥器時，按一下施肥按鈕，施肥器按設定好的施肥量自動施肥1次;再按一下施肥按鈕，進行下一次施肥操作。

2.2 ? ?田間試驗

在煙田分3個片區(qū)進行了該智能化定量顆粒施肥器的實地驗證，對煙草植株進行定量施肥，統(tǒng)計定量施肥裝置的施肥精度和用工數(shù)量，結果見表1。

定量施肥器煙田試驗結果表明，每穴施肥量理論要求為10 g，定量施肥器施肥精度可達到97.10%以上，而且實際施肥采用環(huán)施，環(huán)施效果好;定量施肥器用工數(shù)2.95個/hm2，人工施肥用工數(shù)7.50個/hm2，省工明顯。田間試驗表明，定量施肥器單位面積用工數(shù)減少，而且施肥精度高，施肥效果更好。

3 ? ?定量施肥機械存在的問題及改進建議

在實地驗證試驗中，該施肥器使用中還存在一些問題。一是施肥系統(tǒng)穩(wěn)定性需要提高;二是通過控制器調(diào)整施肥量對農(nóng)戶來講可能較為復雜。建議改進單片機控制算法，使算法進一步優(yōu)化，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，調(diào)整施肥量更加方便、可靠，使該定量施肥裝置使用更加方便、可靠、穩(wěn)定，更適于批量化生產(chǎn)。

4 ? ?結論

該施肥器結構簡單、設計合理、調(diào)整容易、操作方便、智能高效，能充分解決廣大農(nóng)戶人工施肥過程中效率低、施肥量不準等問題。一是可以代替普通施肥器，有助于提高施肥質(zhì)量和效果;二是智能控制施肥量，通過設置液晶屏與單片機數(shù)值，進行施肥量的設定，實現(xiàn)精量施肥;三是施肥按鍵操作，每次施肥作業(yè)，按一下施肥按鍵即可，節(jié)省勞動力，降低了人工的勞動強度。因此，該智能化定量顆粒施肥器在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有很好的推廣利用價值。

5 ? ?參考文獻

[1] 谷潔，高華.提高化肥利用率技術創(chuàng)新展望[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2000（2）：17-20.

[2] 鄧春巖，陳芳，張麗坤.小型施肥器的設計[J].農(nóng)機化研究，2011（6）：87-90.

[3] 何鳳宇，魏利華，楊德旭，等.穴播農(nóng)作物定量深層施肥器的研制[J].農(nóng)機化研究，2007（5）：129-130.

[4] 戴曲文，白潔瑞，儲亞云，等.機械化施肥對水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2019（14）：11-14.

[5] 陳遠鵬，龍慧，劉志杰.我國施肥技術與施肥機械的研究現(xiàn)狀及對策[J].農(nóng)機化研究，2015（4）：255-260.

[6] 付宇超，袁文勝，張文毅，等.我國施肥機械化技術現(xiàn)狀及問題分析[J].農(nóng)機化研究，2017（1）：251-255.

[7] 孫百惠，李凈儀.降低水稻生產(chǎn)成本的技術及機具[J].農(nóng)機使用與維修，2020（4）：98.

[8] 趙麗平.玉米免耕播種機的結構原理與技術優(yōu)化方向[J].農(nóng)機使用與維修，2020（4）：33.

[9] 林森.小麥機械化種植技術[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2019（23）：22-23.

[10] 王遠，王應彪，劉學淵.肩負式電動固料均肥-施肥器的研制[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2014（1）：206-210.

[11] 曾繁偉.葡萄用廄肥施肥機的設計研究[D].銀川：寧夏大學，2019.