智能實時混藥噴霧系統(tǒng)設(shè)計淺析

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摘要:以農(nóng)作物噴藥過程為研究對象,通過對噴霧系統(tǒng)控制硬件電路及控制程序進行分析,設(shè)計一種能夠根據(jù)作物生長狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)進行實時混藥的智能噴霧系統(tǒng),能夠自動行進,并根據(jù)作物高度進行智能噴霧。當(dāng)智能噴霧系統(tǒng)行進速度為3m/s、風(fēng)速為2m/s、噴霧動力供壓4MPa時,智能噴霧系統(tǒng)的有效噴射距離可達3.5m,單側(cè)噴幅可達到2.5m,噴霧流量不小于340kg/h,噴霧誤差小于0.15%,檢測動作時間小于0.4s。試驗數(shù)據(jù)表明:智能噴霧系統(tǒng)能夠快速準確的進行智能混藥噴霧,提高噴霧作業(yè)效率,降低勞動強度,提高農(nóng)藥利用率。

關(guān)鍵詞:智能噴霧;主控電路;噴幅;噴射距離

0引言

病蟲害是影響農(nóng)作物及水果產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,病蟲害的防治常用方法主要有生物防治、生態(tài)防治及化學(xué)防治等。其中,化學(xué)防治具有良好的使用效果,且具有較高的經(jīng)濟性能[1]。噴灑農(nóng)藥是最常用的一種病蟲害化學(xué)防治方法,現(xiàn)階段大多數(shù)果園及作物種植現(xiàn)場仍采用背負式噴霧機進行人工噴藥,能夠較好地適應(yīng)生產(chǎn)種植現(xiàn)場,但噴藥的一致性較差,人工成本高,噴藥過程中造成大量的農(nóng)藥以落水的形式滲入土壤,造成農(nóng)藥利用率低、土壤中的農(nóng)藥對土壤微生物群落造成不同程度殺滅,影響土壤的生物群落平衡性,且造成土壤肥力流失[2-3]?；谝陨仙a(chǎn)需求,設(shè)計了一種能夠實時進行智能混藥的噴霧系統(tǒng),以提高農(nóng)藥噴灑過程的利用率,降低生產(chǎn)過程勞動強度。系統(tǒng)在使用過程中能夠根據(jù)作物病蟲害需求精確地進行藥物混合,并結(jié)合作物生長環(huán)境參數(shù)進行系統(tǒng)性協(xié)調(diào),達到最優(yōu)化的農(nóng)藥噴灑目的。

1混藥噴霧系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)農(nóng)作物及果樹生長需求,設(shè)計的混藥噴霧系統(tǒng)要求能夠根據(jù)環(huán)境參數(shù)進行合理的噴藥方案選擇,以滿足不同生產(chǎn)過程中的環(huán)境適應(yīng)性要求[4]。智能實時混藥噴霧系統(tǒng)要求針對不同的作物外形尺寸進行適應(yīng)性調(diào)整,實現(xiàn)自動配藥混藥,并根據(jù)病蟲害程度進行噴霧方案的決策。智能實時混藥噴霧系統(tǒng)框架圖,如圖1所示;智能實時混藥噴霧系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),如表1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

智能混藥噴霧系統(tǒng)控制總線方案使用同步串行方案,包含時鐘線和數(shù)據(jù)線,能夠?qū)⒍鄼C系統(tǒng)和外圍擴展器件進行兼容,利用通信協(xié)議地址進行數(shù)據(jù)交互,使控制總線方案結(jié)構(gòu)簡單,易擴展[5]。智能混藥噴霧系統(tǒng)控制總線方案,如圖2所示。智能混藥噴霧系統(tǒng)主控制電路承擔(dān)系統(tǒng)運行過程中的所有控制工作,并進行系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換,在噴藥過程中能夠進行不同噴藥模式的程序切換,并對系統(tǒng)工作過程中的各功能模塊之間進行數(shù)據(jù)的傳輸處理,自動調(diào)節(jié)噴霧流量和噴霧范圍。智能混藥噴霧系統(tǒng)工作電壓為5V,要求主控電路能夠進行系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換,能夠?qū)?4V直流電壓轉(zhuǎn)換為5V直流電壓[6]。智能混藥噴霧系統(tǒng)主控電路電壓轉(zhuǎn)換模塊,如圖3所示。智能混藥噴霧系統(tǒng)驅(qū)動電機選用步進電機,驅(qū)動信號輸入端采用陰極共用方法,使陰極能夠并聯(lián)接地,當(dāng)有脈沖信號輸入時,單片機信號由陽極接口接入,使用調(diào)制脈寬信號進行輸出,同時對脈沖信號頻率進行占位[7-9]。智能混藥噴霧系統(tǒng)驅(qū)動電機接線圖,如圖4所示。

3系統(tǒng)控制程序設(shè)計

智能噴霧系統(tǒng)控制總線進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時,需要對各功能模塊進行尋址,對不同的功能模塊通信數(shù)據(jù)進行地址修改,實現(xiàn)模塊之間通信數(shù)據(jù)的實時有效傳遞。模塊尋址方式通常包含串口模塊地址尋找修改和使用控制程序進行模塊尋址修改兩種方式[10]。智能噴霧系統(tǒng)尋址修改時序圖,如圖5所示。在智能噴霧過程中,當(dāng)噴霧系統(tǒng)兩側(cè)傳感器未檢測到作物信號時,電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài),噴霧桿位置不動;當(dāng)兩側(cè)傳感器同時檢測到作物信號或一側(cè)檢測到作物信號后,電磁閥打開,噴霧桿保持現(xiàn)有狀態(tài);當(dāng)噴霧系統(tǒng)上部檢測作物信號,下部未檢測到作物信號后,電磁閥打開,噴霧桿進行位置調(diào)節(jié),直至上下兩個方向的噴霧桿均能檢測到作物信號為止[11]。智能噴霧系統(tǒng)運動控制流程圖,如圖6所示.

4系統(tǒng)測試

智能噴霧系統(tǒng)性能試驗驗證項目主要包含水平射程與噴幅測定、對地噴霧時的噴幅測定、噴霧流量及噴霧精度測定。在進行水平射程與噴幅測定時,對試驗環(huán)境提供2m/s風(fēng)速,噴霧系統(tǒng)動力供壓4MPa,測定噴霧邊緣最大距離處為噴霧系統(tǒng)水平射程,噴幅取噴霧桿方向的最大距離。智能噴霧系統(tǒng)水平射程與噴幅試驗結(jié)果,如表2所示。對地噴霧噴幅測定時,將噴霧桿拆卸,使噴頭與地面之間正面相對,同時保證500mm豎直距離,測定地面幅寬即為對地噴霧噴幅。對地噴藥時的噴幅試驗數(shù)據(jù),如表3所示。在進行噴霧系統(tǒng)流量測試試驗時,對噴霧前后的藥箱整體進行稱取質(zhì)量,求出噴霧前后質(zhì)量變化量即為試驗噴藥量,噴藥量與噴霧時間之間的比值即為噴霧系統(tǒng)流量。試驗過程中,設(shè)定噴霧系統(tǒng)動力供壓4MPa,連續(xù)進行20min噴霧。試驗數(shù)據(jù)如表4所示。性能試驗參數(shù)測試完成后,為保證智能噴霧系統(tǒng)工作可靠性,需對其噴霧精度進行試驗驗證。噴霧精度試驗過程中,噴霧系統(tǒng)水平行進速度為3m/s,噴霧系統(tǒng)中心測距模塊與作物之間距離設(shè)定為2000mm,記錄掃描到作物信號至電磁閥打開時間。試驗數(shù)據(jù)如表5所示。試驗數(shù)據(jù)表明:智能混藥噴霧系統(tǒng)水平射程可達到3.5m,水平噴幅可達到2.5m,在對地噴藥模式下,其噴幅可達到2.3m,智能噴霧過程中平均噴霧流量可達到340kg/h,噴霧系統(tǒng)誤差平均值0.15%,動作時間不大于0.4s,性能參數(shù)滿足設(shè)計要求。

5結(jié)論

智能混藥噴霧系統(tǒng)能夠自動進行作物生長狀態(tài)監(jiān)測,并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)指令決策,自動進行混藥噴霧,實現(xiàn)噴霧過程的自動化和智能化,降低噴藥過程勞動強度,同時提高噴藥效率,減少環(huán)境污染,為自動噴藥系統(tǒng)的推廣提供參考依據(jù)。

作者:逯云杰 單位:濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院