基于步进电机的变量施肥装置的设计

付丽娟

摘 要：该文将针对精准施肥这一技术，设计一种基于步进电机的变量施肥装置。该施肥装置的主要目的是实现变量施肥，改变传统的平均施肥模式。实现变量施肥的核心是将步进电机引入到施肥装置体系中，在运动控制卡的驱动下，步进电机连接排肥机构，再结合事先制定的施肥量计划，最终实现变量施肥、精准施肥。

关键词：步进电机 变量施肥装置 精确施肥

中图分类号：S224.21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0109-01

在可持续发展的背景下，农业的可持续发展也受到越来越多人的关注。要实现农业的可持续发展推行精准农业是关键。精准农业的实施有助于实现经济效益与环境效益及生态效益的平衡发展。而要推行精准农业的关键就是先进、精准、智能化的农业机械的应用。在智能化机械中的应用中关键技术是实现变量施肥的精准性。变量施肥技术与传统的施肥技术有很大的区别。传统的施肥技术采用的是平均施肥技术，是在一块地里平均施肥，而不考虑土地的差异。而变量施肥技术则考虑土地的情况、气候条件、海拔高度等各个方面的差异，然后再有区别的对不同区域进行不同的施肥方案，变量施肥技术的具体方法有养分平衡施肥法、目标产量施肥法及应用电子计算机指导施肥等。通过这种技术，可以实现肥料的最大程度化利用，可以减少肥料的浪费，让贫瘠的土地能获得更多的肥料，而让土地肥沃的土地减少施肥量以减少过多的肥料对土地的不良影响。

文章在研究的基础上，提出将步进电机控制系统用于自动变量控制施肥技术中达到施肥量的可控性。具体的操作方法是将步进电机连接到排肥机构上，通过控制信号来精确控制步进电机的转动速度，再通过转动速度的控制来实现对施肥量的控制。建立基于步进电机的变量施肥装置的设计主要是要解决两大部分的问题，首先是运用合理的决策方法对不同地区的土壤情况及自然环境进行分析，得到不同土地的具体情况；接着如何运用先进的技术，将先进的机械加入到整个施肥装置中，以实现施肥的可控性和精准性。

1 自动变量施肥装置总体方案

文中提出的自动变量施肥装置的设计方案如下，自动变量施肥装置主要有五大部分组成：可编程运动控制卡、步进电机、步进电机驱动器、直流电源和排肥机构。除了五大硬件组成部分外，还有相应的如软件技术的支持，主要包括函数库以及控制系统软件，控制系统软件主要的功能是控制步进机的转动速度和转动角度。基于步进电机的自动变量施肥装置的工作原理是将步进电机与排肥器相连，然后依靠带有螺旋叶片的转动轴的作用，使得肥料从进料口进料后不断前进，再从出料口出去，自动控制器将根据施肥情况对施肥量进行控制。

2 施肥装置的机械机构设计

排肥机构的主体部分就是排肥机构，排肥机构的种类繁多，常见的包括外槽轮式、转盘式、离心式、螺旋式、星轮式和振动式等。不同种类的排肥机构，其性能和功效是不一样的。通过对比分析来看，螺旋式的排肥机构是最适合自动变量施肥装置的。采用螺旋式排肥机构的主要工作原理如下：首先排肥机构在步进电机的带动下旋转，然后带有螺旋叶片的转动轴在封闭的料槽内旋转，这一封闭的料槽有一个进料口和一个出料口，通过螺旋叶片的转动使得从进料口进入的肥料慢慢前进，最后从出料口排出。

基于步进电机的自动变量施肥装置是将步进电机与排肥器相连，然后依靠带有螺旋叶片的转动轴的作用，使得肥料从进料口进料后不断前进，再从出料口出去，自动控制器将根据施肥情况对施肥量进行控制。整个排肥机构主要包括轴承、轴、螺旋叶片、排肥口、末端轴承、排肥槽、进肥口及肥料仓。

3 步进电机的连线设计

将步进电机用于自动变量施肥装置中是十分重要的，因为步进电机成本很低、结构相对较为简单、容易实现数字化的调控，同时系统的调试与维护也相对较为方便。将步进电机用于自动变量施肥装置中为建立先进可行的、实用的、低成本的变量施肥装备奠定了基础。

步进电机的连线设计是实现步进电机的功能的第一步，而实现步进电机连线的第一步是实现计算机6020-3控制卡的连接。而在将控制卡插入控制主机的ISA插槽之前，先要正确设置好板地址和板上跳线。

3.1 ISAI/O地址设置（S1）

地址设置（S1）6020-3控制卡出厂缺省板地址为300H，该板共占用16个I/O口，如板地址为300H，则该板将占用300H-30FH的PC机I/O地址。在设置板地址时，根据PC机I/O地址图，利用其中空闲的部分，结合S1拨段开关的省缺设置。选用其中的A和A8设置为OFF（1），A（7）～A（4）设置为ON（0），即控制卡的默认设置。

3.2 脉冲输出方式选择（J4、J5、J6）

6020系列板卡通过板上调线，可设置每个轴的驱动信号为：CW（正转）+CCW（反转）或CW（正转）+方向控制信号两种形式。

以上两种形式在管腿32、33、34的方向信号上是一致的，也就是说正向、负向的电平是相对应的。如设为CW+CCW（跳线J4、J5、J6为1-2连接）方式，则在方向信号为高电平时，CW信号端（管腿14、15、16）有脉冲输出，CCW信号端（管腿11、12、13）无脉冲输出；而方向信号为低电平时，CW信号端（管腿14、15、16）无脉冲输出，CCW信号端（管腿11、12、13）有脉冲输出。如设为CW+方向（跳线J4、J5、J6为1-3连接）方式，则无论方向信号为高电平还是低电平，CW信号端（管腿14、15、16）均有脉冲输出，而CCW信号端（管腿11、12、13）无脉冲输出。根据选用的步进电机驱动器，设计中用CW（正转）+方向控制信号的驱动形式，对应的跳线设置J4、J5、J6均为1-3。

3.3 各部件连接

在做完上述的步骤后，接下来要将主机的电源关闭然后打开机箱，连接其他的部件，首先要讲控制卡插入主板上的ISA插槽，为了保证控制器的稳定需要用螺丝将其固定。其他部件的连接主要包括两个大的方面，第一方面的连接是将运动控制卡与步进电机驱动器进行连接，第二方面的连接则是时间步进电机驱动器与步进电机的连接。

4 结语

随着可持续发展理念的不断推行，精准农业必将成为未来现代农业的发展方向。精准农业的核心就是以低成本获取最大的经济效益，同时实现经济效益、生态效益与社会效益的平衡。而实现精准农业的核心则是实现精准施肥，精准施肥的目的就是考虑土地的差异性，有差异性地施肥，而不是平均施肥，土地贫瘠的可以适当多施肥，而土地肥沃的土壤则减少施肥量，一方面可以减少过多肥料对土壤的损害；另一方面，也可以减少肥料的浪费，保证土壤的质量和产量。实现精准施肥的主要途径就是运用自动化的精准施肥机械来控制施肥的精准性，而将自动步进机用于精准施肥的控制系统中能够很好地实现施肥的精准性。将步进电机用于变量施肥装置系统中需要相应的技术支持，未来针对变量施肥装置的设计还需要进一步的技术支持。

参考文献

[1] 马桂莲，汀洪涛，张琴.精准农业——3s技术的应用[J].延边大学农学学报，2002，24（3）：219-222.

[2] 曲桂宝.变量施肥機的试验研究[D].长春：吉林农业大学，2006.

[3] 梁春英.变量施肥自动控制系统设计研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学，2011.

[4] 陆海燕.精确农业变量施肥决策系统研究[D].镇江：江苏大学，2012.

[5] 桑国旗.变量施肥机构的研究汇[D].长春：吉林大学，2011.