小型施肥機(jī)施肥檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

中圖分類號：S224.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0206-05

Abstract：Toaddresstheissueofonlinefertilizationmeasurementinsmallfertilizationmachines，adetectionsystembased onacapacitive sensor was designed.This systemis centered around the STM32Fl03C8T6 microcontroler and comprises a capacitive plate，an FDC2214 capacitive sensor chip，andother hardware circuits. Itcaptures the changeincapacitancebetweenparalelplatescausedbythefallingoffertilizer，convertingthecapacitivesignalintoadigital oneforprocessingand storageby the microcontroler.Themeasured capacitance values，correlated withthe mass of the fertilizer，aredisplayed onan OLED screen，and datacanbetransferred toacomputer viaserialcommunication.Atesting platformforthefertilizerdistributionsystemofanexternal troughwhel-typefertilizeraplicatorwasconstructed， establishingamathematical modelrelating the massflowrateofcompound fertilizertochanges incapacitance.This model was experimentallyvalidated undervarious working conditions.Theresults demonstratedalinearcorrelationcoeficientof 0.989 between thechangeincapacitanceandthemassoffertilizer between theplates，indicatingasignificantfit.Although temperature variations could increase the error margin of the detection system，the overallrelative measurement error for fertilization quantity did not exceed 8.07% ，meeting both design and practical production requirements.

Keywords：ailfertilsseot；apiaceas；rotlss；fer

0 引言

施肥是進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)過程中的重要環(huán)節(jié)，對農(nóng)作物的生長培育起到至關(guān)重要的作用。在進(jìn)行田間施肥作業(yè)時(shí)，由于肥料潮濕黏稠、排肥管堵塞等問題造成化肥沒有得到均勻施用，而化肥的不均勻施用不僅會(huì)導(dǎo)致作物生長不均勻，影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量，還會(huì)造成環(huán)境污染且投人成本高[1]。因此，研究化肥實(shí)時(shí)檢測對解決土地生產(chǎn)問題和精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)有重要意義。

目前應(yīng)用在固體顆粒肥料流量的檢測方法主要有質(zhì)量法、光電法、微波法等[2-4]。質(zhì)量法是使用壓力傳感器測量排肥器在排出化肥前后的質(zhì)量差[5]。丁永前等[設(shè)計(jì)一種利用彈簧壓力與拉力傳感器互補(bǔ)特性原理的稱量式播量檢測裝置，減弱了動(dòng)態(tài)稱量法測量系統(tǒng)容易被機(jī)器振動(dòng)干擾影響的問題；Yang等[3基于力矩平衡原理，設(shè)計(jì)一種施肥量在線檢測裝置，當(dāng)肥料的重力大于電磁吸盤吸力時(shí)開始排肥，計(jì)量脈沖信號開始累積，根據(jù)單次計(jì)量的肥料質(zhì)量和計(jì)量脈沖信號的數(shù)量計(jì)算施肥量，雖然該檢測方法結(jié)構(gòu)簡單，但通常與排肥器捆定，對質(zhì)量輕的小機(jī)器檢測精度較差。光電法的原理是通過肥料對光線的遮擋，檢測光線發(fā)射端與接收端的電壓信號差異得出肥料質(zhì)量。趙立新等[8]使用發(fā)射式光電傳感器設(shè)計(jì)一種小麥精播施肥一體機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，檢測種子和肥料缺失、堵塞、泄漏等問題并報(bào)警警示，試驗(yàn)結(jié)果顯示，報(bào)警準(zhǔn)確率大于92.5% ，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間低于 0.3s 。姜萌等9分析化肥顆粒排出后在排肥導(dǎo)管中的分布規(guī)律，通過驗(yàn)證檢測元件密度對光電傳感器性能的影響，提高檢測模型的檢測精度。但由于施肥機(jī)工作在高塵、高振的環(huán)境里，光電傳感器容易受到外界干擾而降低精度。微波法根據(jù)微波多普勒回波信號與排肥管內(nèi)肥料顆粒的下落速度和濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算肥料流量的質(zhì)量[10，11]，但微波法受環(huán)境中的噪聲影響較大，適用范圍有限。Back等[12]采用彩色數(shù)碼相機(jī)對肥料顆粒的下落進(jìn)行圖像采集，測量顆粒的直徑、數(shù)量及密度來估計(jì)施肥量。周利明等[13]設(shè)計(jì)一種差分式電容傳感器，用于施肥機(jī)排肥過程肥料流量檢測和堵塞報(bào)警工作。王金武等[14]根據(jù)稻谷含雜率、溫度和電容差值之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對聯(lián)合收獲機(jī)稻谷含水率在線檢測。

綜上所述，相比于質(zhì)量法和光電法，利用電容傳感器檢測肥料流量的方法受環(huán)境干擾影響較小，有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性[15]；與微波法相比，數(shù)據(jù)量小、價(jià)格便宜，更適用于山地小型施肥機(jī)。本文基于電容法設(shè)計(jì)一種適用于小型施肥機(jī)的施肥量檢測系統(tǒng)，以常用的復(fù)合肥為試驗(yàn)材料，確定排肥器排量與電容變化量之間的線性關(guān)系模型，并在不同工作條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1施肥流量檢測原理

平行極板電容傳感器裝置固定在排肥導(dǎo)管中部，當(dāng)沒有化肥經(jīng)過時(shí)，2個(gè)電容極板之間只有空氣介質(zhì)，此時(shí)測得的電容值是一個(gè)恒定值；當(dāng)排肥導(dǎo)管內(nèi)有化肥經(jīng)過時(shí)，由于肥料顆粒與空氣的介電常數(shù)不同，隨著空氣與肥料顆粒在排肥導(dǎo)管內(nèi)的混合比例變化，兩極板之間的電容值也會(huì)發(fā)生變化。電容極板之間電容的計(jì)算[16]如式（1）所示。

式中： C ——電容量，F(xiàn)；Er 相對介電常數(shù)；ε_?0 真空介電常數(shù)， δ_;ε0=8.8542×10^-15δF/mm s 平行極板的相對面積， mm² d 平行極板之間的距離， mm 。

排肥器在排肥過程中，2個(gè)平行極板之間物質(zhì)的相對介電常數(shù)

式中： E₁ ——肥料的相對介電常數(shù)；（202 ε₂ ——空氣的相對介電常數(shù)；V₁ 一 一肥料所占體積， mm³ ：V₂ ——空氣所占體積， mm³ V₃ ——電容傳感器極板之間的總體積， mm³ 。

因此，在排肥過程中電容傳感器的電容變化量

式中： Ψ_m ——平行極板間的肥料質(zhì)量， g ρ 肥料的密度， g/cm³ 。

由式（3）可知，當(dāng)肥料和空氣的相對介電常數(shù)不變時(shí)，檢測場內(nèi)的肥料質(zhì)量與電容變化量之間呈線性變化。因此，通過獲取平行極板間的電容信號值，即可獲得排肥器排出肥料的質(zhì)量。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

施肥量在線檢測系統(tǒng)的硬件電路主要由電容信號采集電路和電容信號調(diào)理電路2個(gè)模塊組成。電容傳感器采集電容值信號，通過AD轉(zhuǎn)換芯片將電容信號從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[17]，并將信號傳遞給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的內(nèi)部程序的處理分析可以獲得電容值差值及對應(yīng)的肥料質(zhì)量，并將數(shù)據(jù)傳遞給顯示屏。檢測原理如圖1所示。

電容式傳感器對檢測系統(tǒng)的精度有至關(guān)重要的作用，由平行電容極板、排肥導(dǎo)管、信號傳輸電路、金屬外殼等組成。為避免外界干擾產(chǎn)生的隨機(jī)電容對電容傳感器的影響，電容傳感器電路用金屬外殼包裹形成一個(gè)相對密封的空間，以提高檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，電容傳感器通過導(dǎo)線與電容信號調(diào)理電路相連。電容傳感器的相對面積為 25.2cm² ，肥料通過電容傳感器引起的電容變化量較小，范圍在 0.1pF 的量級。為實(shí)現(xiàn)高精度的測量，電容信號調(diào)理電路選用STM32F103C8T6單片機(jī)、FDC2214電容傳感器芯片、OLED顯示屏、穩(wěn)壓電路、串口通信接口等元器件組成。

單片機(jī)STM32F103C8T6是整個(gè)檢測系統(tǒng)的核心元器件，具有高處理能力和響應(yīng)速度、低功耗以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，主要完成電容數(shù)字信號的讀取、處理和傳輸?shù)?。單片機(jī)通過 I²C 總線與FDC2214電容傳感器芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與信息同步，并將處理之后的數(shù)據(jù)傳遞給OLED顯示屏。OLED顯示屏是一種利用多層有機(jī)薄膜機(jī)構(gòu)發(fā)光的元器件，與LCD屏幕相比，OLED顯示屏更輕薄、亮度高、功耗低、響應(yīng)速度快且清晰度好，能夠適應(yīng)田間作業(yè)環(huán)境。FDC2214是一種高分辨率、多通道、電容一數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部包含獨(dú)立的電容測量通道和電容計(jì)，采樣速度為 1MHz ，同時(shí)擁有高達(dá)24位的精度。FDC2214通過一組并聯(lián)的LC電路與被測量的電容器組成一個(gè)諧振電路，通過測量LC諧振器的振蕩頻率，根據(jù)式（4）可計(jì)算得到需要測量的電容值。

式中： C_n 1 測量電容，pF；C_m 1 測量通道上的并聯(lián)電容， pF ·L 一 測量通道上的電感，H；f 測量通道的參考頻率， Hz 。

溫度變化通常會(huì)導(dǎo)致電容器的元件值產(chǎn)生偏移現(xiàn)象，從而導(dǎo)致傳感器的諧振頻率的偏移，使用并聯(lián)電路的電容器作為參考可以相對減弱溫度影響。

2.2檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在Keiluvision5MDK軟件的開發(fā)環(huán)境里，使用C語言編寫電容信號檢測系統(tǒng)的程序，C語言易移植，可讀性強(qiáng)。單片機(jī)系統(tǒng)程序主要由信號檢測子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、OLED顯示子程序等組成。程序運(yùn)行流程如圖2所示。

檢測系統(tǒng)對外使用 12V 的電壓，經(jīng)過降壓模塊和穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定的5V和 3.3V 電壓以應(yīng)對不同模塊的電壓需求。通電后，單片機(jī)執(zhí)行初始化的程序，首先完成與各個(gè)子程序連接的IO端口配置，F(xiàn)DC2214芯片開始啟動(dòng)并對極板間的電容信號進(jìn)行采樣和計(jì)算，單片機(jī)接收電容值并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，后續(xù)將結(jié)果呈現(xiàn)在OLED顯示屏上，還可以通過串口通信上傳至上位機(jī)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1檢測系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

開展室內(nèi)試驗(yàn)，確定肥料質(zhì)量與平行極板間電容變化量的擬合方程和相關(guān)性系數(shù)，并對其進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。試驗(yàn)地點(diǎn)在貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院智能農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)平臺(tái)由肥料箱、排肥器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、排肥導(dǎo)管、施肥量檢測系統(tǒng)等組成，如圖3所示。調(diào)速器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制肥料排放的速度；硬紙盒收集排肥器排出的肥料，采用精密天平ZG一TP203（精度為0.1g）稱量收集到的肥料；檢測系統(tǒng)用于采集和處理電容信號。試驗(yàn)材料選用氮磷鉀復(fù)合肥，肥料顆粒呈白色、無結(jié)塊，相對介電常數(shù)為 1.5～3 ，試驗(yàn)過程中外部環(huán)境不變，肥料與空氣的相對介電常數(shù)為定值。

圖3施肥量檢測試驗(yàn)平臺(tái)

Fig.3Fertilization amount detection test platform

1.上位機(jī)2.肥料箱3.排肥器4.排肥導(dǎo)管5.檢測系統(tǒng)6.硬紙盒7.調(diào)速器

3.2肥料質(zhì)量與電容變化量線性擬合

設(shè)置排肥輪軸的轉(zhuǎn)速為 20Δr/min ，排肥輪軸的工作長度為 50mm ，單片機(jī)的采樣周期為 20ms （室內(nèi)溫度為 15^°C ）。排肥試驗(yàn)前，先啟動(dòng)采樣程序采集100個(gè)電容數(shù)據(jù)，求均值，作為檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)電容值C₀ 。然后以排肥器工作時(shí)間為變量，開展8組排肥檢測試驗(yàn)，每組重復(fù)10次，試驗(yàn)中測量每0.5s內(nèi)電容均值與基礎(chǔ)電容值的差值在工作時(shí)間內(nèi)的累計(jì)值。最后求8組試驗(yàn)的10個(gè)累計(jì)值的平均值 ΔC ，作為對應(yīng)肥料質(zhì)量引起的電容變化量。

將每組試驗(yàn)獲得的電容變化量與對應(yīng)肥料質(zhì)量導(dǎo)人Origin中，并通過最小二乘法進(jìn)行擬合得到式（5）。

m=15.2491×ΔC+2.5090

式中： ΔC 肥料流過電容傳感器時(shí)引起的電容變化量，pF。

電容變化量與平行極板間的肥料質(zhì)量最小二乘法擬合方程如圖4所示，隨著肥料質(zhì)量的增加，對應(yīng)的電容變化量也隨之增加。相關(guān)系數(shù)為0.989，說明線性擬合效果顯著。因此，將測量傳感器的電容變化量，代入擬合方程之中，便可得到排肥器的實(shí)際排肥量。

3.3排肥器在不同工作條件下檢測試驗(yàn)

針對小型施肥機(jī)施肥量檢測系統(tǒng)的可靠性和檢測精度的問題，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。以排肥輪軸的轉(zhuǎn)速和工作長度為變量設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，肥料排放時(shí)間持續(xù) 10s 每組試驗(yàn)進(jìn)行10次，同時(shí)在排肥導(dǎo)管出口處收集排出的肥料，每組試驗(yàn)結(jié)果取平均值。將檢測系統(tǒng)測量得到的施肥量與排出肥料的實(shí)際質(zhì)量相對比，計(jì)算相對誤差，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1施肥量檢測系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果 Tab.1 Test results of fertilization amount detection systerr

由表1可知，在排肥輪軸處于不同轉(zhuǎn)速和不同工作長度的工作條件下，施肥量的測量誤差最大不超過5% 。因此，驗(yàn)證了電容變化量與平行極板間的肥料質(zhì)量之間的線性關(guān)系模型的準(zhǔn)確性，基于電容法的檢測系統(tǒng)對小型施肥機(jī)施肥量進(jìn)行在線檢測是可行的。

3.4溫度對電容檢測系統(tǒng)的誤差影響

當(dāng)施肥檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測工作時(shí)，田間作業(yè)環(huán)境溫度是影響電容傳感器檢測性能的一個(gè)重要因素。為驗(yàn)證溫度對電容傳感器檢測的影響，設(shè)計(jì)溫度對電容檢測系統(tǒng)的單因素試驗(yàn)。在室內(nèi)溫度不同的情況下，向排肥導(dǎo)管內(nèi)分別緩慢倒入 100g，150g，200g 的肥料，記錄檢測系統(tǒng)得到的施肥量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2不同溫度下電容檢測系統(tǒng)誤差Tab.2Error of capacitance detection system atdifferent temperatures

由表2可知，施肥檢測系統(tǒng)的測量值會(huì)隨著溫度的升高而變大，溫度的改變則會(huì)導(dǎo)致相對誤差增加。肥料質(zhì)量的測量值與檢測電容變化量呈正相關(guān)，說明溫度的升高會(huì)導(dǎo)致檢測電容值增大，溫度的改變導(dǎo)致檢測系統(tǒng)精度的均勻性降低。

4結(jié)論

1）在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的電容式施肥量檢測系統(tǒng)，并搭建施肥機(jī)施肥流量檢測系統(tǒng)平臺(tái)，該系統(tǒng)主要由平行電容極板、STM32F103C8T6單片機(jī)、FDC2214電容傳感器芯片等電路元器件組成，可以實(shí)現(xiàn)對微小電容變化量的檢測，確保檢測系統(tǒng)的精度。

2）建立電容變化量與平行極板間復(fù)合肥料質(zhì)量的線性關(guān)系模型，且線性擬合效果比較顯著，并在不同工作條件下進(jìn)行排肥量試驗(yàn)，驗(yàn)證線性模型的準(zhǔn)確性。研究溫度變化對檢測系統(tǒng)精度的影響，溫度的改變會(huì)導(dǎo)致檢測系統(tǒng)精度降低。該檢測系統(tǒng)在不同溫度下試驗(yàn)的相對誤差整體不超過 8.07% ，能夠滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)要求。

3）施肥量檢測系統(tǒng)的檢測相對誤差較小，可以實(shí)現(xiàn)施肥量的在線檢測，該檢測系統(tǒng)操作容易、結(jié)構(gòu)簡單、移植性好，為丘陵山區(qū)小型施肥機(jī)施肥量的實(shí)時(shí)檢測及其變量控制施肥系統(tǒng)的研究提供思路。

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