智能控制變量施肥機的設(shè)計研究

鄭棟梁，馮振華

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

參照聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計，化肥對糧食生產(chǎn)的貢獻率約為40.0%，中國耕地面積占世界7.0%左右，能滿足世界22.0%以上人口的糧食供給需求。從20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥施用量呈現(xiàn)不斷增多的趨勢，至1990年已成為世界上化肥產(chǎn)品最大的消費國。近些年，農(nóng)業(yè)技術(shù)有很大發(fā)展進步，很多農(nóng)用工具產(chǎn)品陸續(xù)研發(fā)與應(yīng)用，施肥機便是其一，基于單片機控制優(yōu)化施肥機控制變量的設(shè)計效果，是實現(xiàn)精細農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。

1 變量施肥機設(shè)計

1.1 硬件控制系統(tǒng)

結(jié)合農(nóng)業(yè)變量施肥的現(xiàn)實需求，單片機控制電路由如下3部分構(gòu)成[1]。

1.1.1 輸入土壤養(yǎng)分信號

利用實時傳感器采集土壤養(yǎng)分狀況信息，能實現(xiàn)在線監(jiān)測，在獲得田間土壤有效成分的含量信息后，將其統(tǒng)一傳送到單片機內(nèi)。因電磁場自體的性質(zhì)受到土壤所屬類型、各類有機物含量值、土壤相對濕度以及其他土壤性質(zhì)等多方面的影響，故而，能夠形成可以被感應(yīng)到的土壤肥力相關(guān)信號。

1.1.2 采集機具運作的實際速度

在本控制機構(gòu)運作階段，應(yīng)重點關(guān)注機具作業(yè)速度這一指標(biāo)?？刂茩C構(gòu)基于特定角度——數(shù)字編碼器，順利的把機具前進速度信號轉(zhuǎn)型為脈沖信號，并將其統(tǒng)一完整地輸入至單片機。

1.1.3 調(diào)控脈沖輸出過程

因步進電機電源自帶脈沖分配器與功率放大電路，故而單片機系統(tǒng)僅能夠?qū)⒖刂泼}沖信號輸送給步進電機，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)脈沖壓差，促進高低電平順利轉(zhuǎn)換過程[2]。

1.2 控制軟件

可以采用C 語言研發(fā)出一套具有高度普適性的軟件系統(tǒng)，針對精細農(nóng)業(yè)變量施肥耕作過程實現(xiàn)科學(xué)指導(dǎo)。在動力機械設(shè)備運作結(jié)算，該軟件系統(tǒng)能依照傳感器檢測出的土壤性質(zhì)相關(guān)信息，參照設(shè)定的目標(biāo)生產(chǎn)量，精確測算排肥量，再依照速度傳感器實測出的速度值，測得并規(guī)劃出步進電機的運轉(zhuǎn)速度，對外輸送出相應(yīng)的脈沖。針對單片機內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件，統(tǒng)一采用順序結(jié)構(gòu)法進行設(shè)計，具體是由主程序與中斷服務(wù)程序量的大部分構(gòu)成。主程序的功能主要有系統(tǒng)自我檢測、原始化系統(tǒng)功能和復(fù)位步進電機。當(dāng)有鍵被按下后，便會即刻執(zhí)行相關(guān)功能。中斷程序主要由速度輸入、傳感器信號輸人中斷兩部分構(gòu)成。參照系統(tǒng)正常運作階段對各操作提出的具體要求，設(shè)定主程序、中斷服務(wù)程序應(yīng)完成的具體任務(wù)，并科學(xué)編制出中斷優(yōu)先等級。

2 設(shè)定變量施肥決策系統(tǒng)的功能

具體是以投入產(chǎn)出物的變量模型為基礎(chǔ)完成施肥決策，在該環(huán)節(jié)中一定要分析到不同地理環(huán)境條件形成的約束。部分農(nóng)田地勢平臺規(guī)整，部分地勢存在一定傾角，所需要輸送的投入物存在差異，參照具體結(jié)果，編制相配套的施肥決策方案。若檢測到農(nóng)田內(nèi)土壤條件較為干燥，則輔助應(yīng)用保水方法。對農(nóng)田土壤環(huán)境條件做科學(xué)分析、診斷，將增加勞動成本的投用量。故而需綜合分析施肥決策方案和投入成本，力爭獲得高收益的施肥決策模型。

在具體實踐中，可以結(jié)合農(nóng)作物的銷售單價，尿素和復(fù)合肥的購入成本，復(fù)合肥內(nèi)N、P、K的含量N、P、K需求量值等等相關(guān)變量，制定施肥配置的最佳方案。在施肥生產(chǎn)實踐中，一定要結(jié)合農(nóng)作物健康生長的現(xiàn)實需求，科學(xué)調(diào)配應(yīng)用多種肥料，逐漸實現(xiàn)平衡施肥，實現(xiàn)對變量施肥過程的精準(zhǔn)化管理控制。

3 探析變量施肥機的工作原理

3.1 認真落實前期準(zhǔn)備工作

指派技術(shù)人員把3 點懸掛接至拖拉機等動力機械設(shè)備上，結(jié)合田間農(nóng)作物健康生長的現(xiàn)實需求，將適量肥料投放至肥料箱內(nèi)，連接好電源，開啟電控箱上的布設(shè)的源開關(guān)，將每0.067 hm2地施肥量的數(shù)值輸入至單片機觸摸屏一體機上。

3.2 施肥機作業(yè)流程

當(dāng)動力機械設(shè)備運作時速度信號采集系統(tǒng)會即刻步入到工作模式中，檢測到的動力設(shè)備運行速度信號，快速的被傳送至信號處理器內(nèi)，歷經(jīng)高速測算過程后，信號處理器將有關(guān)作業(yè)命令傳送給硬件執(zhí)行系統(tǒng)，引導(dǎo)執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)裝設(shè)的步進電機嚴格依照作業(yè)命令正向或著逆向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的圈數(shù)，步進電機對安設(shè)于絲桿螺母中絲桿的轉(zhuǎn)動過程形成驅(qū)動作用。在機械設(shè)備在以上的工況下，絲桿螺母及其上部安設(shè)的排肥口插板同步進行正向或反向直線運動。步進電機按照正向或者方向轉(zhuǎn)動過程中，就能推動排肥口插板作周而復(fù)始的直線運動，其作用有開啟、閉合以及調(diào)控肥料箱排肥口大小的功能。若拖拉機等動力設(shè)備加速或者減縮運作時，排肥口的張開度也會同步改變，以上是實現(xiàn)變量排肥的重要基礎(chǔ)，維持單位面積中作物施肥量恒定，當(dāng)動力機械停運時，由于此時無運行速度信號，施肥作業(yè)隨即停止。

3.3 電源

選用12 V電瓶作為電源，大部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作要求選用拖拉機等動力機械上安裝的電瓶即可。電瓶的作用主要是為單片機及電控箱、各種電機運行過程提供充足的電能。

3.4 排肥電機工作原理

在拖拉機等動力設(shè)備形成運行速度信號時，排肥電機會智能化啟用，無信號時自動閉合。排肥導(dǎo)向板、電機均被集中安裝在排肥底板上，排肥電機上設(shè)有排肥葉輪，拋撒肥料是葉輪的主要功能。導(dǎo)向板對肥料拋撒面大小形成一定調(diào)控作用。

4 智能控制變量施肥機的應(yīng)用情況

為明確本課題設(shè)計變量施肥裝置的效能，在2019 年8 月份在某村開展了土地變量施肥試驗，選取南薯作為種植品，復(fù)合肥作為主肥，尿素是追肥。試驗選用的土地種植面積是典型的小田塊，總面積為866.67 m2，大概0.09 hm2，實測得水平傾角（φ）10.7°。選用東方紅-13 型拖拉機牽引作為施肥機的動力裝備，機組前行速度設(shè)定為3.4 km/h。

首先，參考試驗田塊地形地貌，基于傾斜網(wǎng)絡(luò)法進行田塊規(guī)劃，并對小面積田塊進行編號處理。將小區(qū)寬度A 定義為播種機的播幅，小區(qū)長度B 為20 m。檢測各分區(qū)的土壤養(yǎng)分類型及具體含量。

其次，將以上數(shù)據(jù)（測得的各分區(qū)土壤養(yǎng)分情況，南薯生長需求養(yǎng)分信息，南薯、尿素和復(fù)合肥產(chǎn)品價格S1、S2、S3，復(fù)合肥內(nèi)N、P、K 含量a、b、c，尿素的含氮量45.0%，施肥量和農(nóng)作物產(chǎn)量等相關(guān)性數(shù)據(jù)）整體輸送到變量施肥機內(nèi)，啟用單片機系統(tǒng)生成南薯變量施肥模型，并參照施肥區(qū)規(guī)劃情況編制相配套的施肥方案。設(shè)定施肥量DU 為401.1 kg/hm2， DF為472.7 kg/hm2。

該臺變量施肥機還配置了GPS、GIS、3S 及計算機處理系統(tǒng)。將計算機顯示屏幕裝設(shè)在操作臺的右側(cè)，當(dāng)拖拉機在農(nóng)田間運行時，因為地壟高低不同，以致拖拉機無法實現(xiàn)恒速運作，基于GPS 系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位與計算機的屏幕呈現(xiàn)功能，排肥軸智能的把將N、P、K 等肥料依照所設(shè)定的準(zhǔn)確量逐一施加到土地內(nèi)，取得較好的變量施肥效果。

統(tǒng)計不同時點排肥器排量穩(wěn)定性的實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)測算分析后，得出施肥機在3.4 km/h速度下施肥作業(yè)，排肥器排肥量的理論值和實測值的絕對最大誤差是2.32%，處于受控范圍中（≤2.95%），轉(zhuǎn)速絕對誤差最大值2.51%，同樣得到較好的控制（≤2.68%）2.67%。

5 結(jié)束語

基于單片機控制規(guī)劃設(shè)計施肥機，能實現(xiàn)科學(xué)調(diào)整施肥量的變化范疇，精確、穩(wěn)定地操控排肥量過程。在南方的山地和丘陵地帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段，若能積極引進、應(yīng)用變量施肥機，則能幫助廣大農(nóng)戶創(chuàng)造更多經(jīng)濟效益，也使區(qū)域農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化發(fā)展有更強大的技術(shù)支撐。