变量喷雾系统的设计

张 可 儿

(陇东学院 电气工程学院，甘肃 庆阳 745000)

变量喷雾系统的设计

张 可 儿

(陇东学院 电气工程学院，甘肃 庆阳 745000)

针对农业生产中提高农药利用率，减少农药残留、环境污染的实际需求，设计了一种以52单片机为主要控制器件，脉宽调制技术控制调节电动隔膜泵的工作频率和变量施药的喷雾系统。介绍了变量喷雾的原理，给出了控制系统硬件电路和软件程序的设计。实验结果表明:该系统可以完全与背负式喷雾器兼容，工作可靠、性能稳定，可推广使用于现代农业生产中。

52单片机；变量喷雾；自动控制；脉宽调制

Abstract： Aim at improving the utilization ratio of pesticide in agricultural production and reducing the pesticide residue and environmental pollution to satisfy actual demand,a variable applied spray system is designed.The design sets 52 single-chip microcomputer as its control core,and adopts pulse width modulation technology(PWM)to control the work frequency of variable spray,and gets the design of electric diaphragm pump.This paper introduces the principle of system variable spray and gives the design of the control system hardware circuit and software program.The experimental results show that the variable spray system performance has a stable control system and higher spray quality.That is compatible with the knapsack sprayer and can be effectively used in agricultural production.

Keywords： 52 single-chip microcomputer;variable spray;control system;pulse width modulation

变量施药在农业生产过程中通常包括三个阶段：检测阶段、喷施优化决策阶段和变量喷施实施阶段，其中变量喷施实施阶段是最重要的一个阶段。目前对于前两个阶段的研究较多，但对于第三个阶段的研究还较欠缺[1]。针对当前我国农业施药器械的实施要求，设计能实时控制施药量大小的变量喷雾系统已成为一个很紧迫的任务。该设计应用于农业，一方面可以提高农药喷洒水平，降低农民的生产投入，另一方面可以解决农药过施用量，降低环境污染，改善生态环境、被污染的土质，使施药技术达到高效。可以看出，设计一套“变量施药”的喷雾系统来满足这些要求，对农业生产具有实际应用价值[2-3]。

当前我国农业上使用的喷雾器可谓是五花八门，种类繁多。喷雾器械质量的好坏不仅影响着农业喷雾时的作业效果，而喷药者的人身健康、农产品的农药残留等问题也不能小觑。手摇式喷雾器是一种靠人力提供动力来喷洒液体的喷雾装置，主要应用于农业病虫害的防治和卫生部门的防疫喷雾器械。手摇式喷雾器因其结构简单轻巧、制造和维修方便且价格低廉等原因，大量地应用于当前的农业作业和防疫部门，但手摇式喷雾器由于喷雾技术粗放，不能自动调节流量，雾化效果差，劳动强度大，工效低的原因，改进这种传统式的喷雾器材的方案逐渐被提上日程上来。机动喷雾器与传统的手摇式喷雾器相比，工作效率大幅提高，解放了劳动者的双手。工作水压大、喷雾效率高、射程高远，但作业时由于内燃机工作时发出的机械噪音让作业者经常感到烦躁、疲劳，再者体积重大，成本较高，由于其结构复杂，还需专业人员维修。

电动喷雾器是近年来迅速发展起来的新型农用机械产品，它以手动喷雾器为基础，采用蓄电池作为动力，代替了手动喷雾器的手摇施压。同时，电动喷雾器配备了电动隔膜泵作为其工作泵，使得药液的雾化程度得到非常大的提高，并且具有价格低、重量轻、噪音小、能耗费用低、维修少等优点[4]。

1 系统总体方案设计

该系统主要由STC89C52RC单片机作为主控芯片、使用L298N作为水泵的电机驱动、控制电路和隔膜泵供电模块以及调节系统占空比。除此之外，硬件部分还包括药液箱、喷杆、喷头、隔膜泵等。

1.1总体思想

该设计采用流量调节式来调节喷雾器的变量。基于PWM技术，以STC89C52RC单片机的核心板为该系统的控制核心，由于该单片机没有直接输出PWM波的I/O口，所以本设计中采用单片机定时器来模拟PWM波形，用来给驱动L298N提供使能端信号。电动机驱动隔膜泵的执行器件达到调节流量、变量喷雾的变量式喷雾器的目的。

在设计该产品时，由于采用的水泵为12V的隔膜泵，传统电动喷雾器一般采用的电源为铅蓄电池，铅蓄电池由于质量较重且携带不方便，所以该系统采用了12V锂电池作为本系统的供电电源，一方面用于直流电机驱动的用电，另一方面经LM2596降压模块压降成5V电压给单片机最小系统供电。本系统设定的方波的周期为20ms，初始化启动的脉冲信号的占空比为20%。打开变量喷雾器的机械阀门后，开始单片机程序的初始化并进行喷雾作业。传统的电动喷雾器由于没有设计机械式的开关，在系统没有上电之前，会出现漏液、滴液等一系列问题，在该设计中加入了机械开关，解决了传统电动喷雾器的这一弊端。该系统的控制输出的脉冲占空比可以通过按键来增大与减小，根据脉冲占空比的不同来调节电机的转速，通过电机的转速就可以调节喷雾的流量即变量喷雾。由于传统的电动喷雾器只能用一种流量来进行喷雾作业，该方式粗放，一方面浪费农药，另一方面施药过量会造成环境污染等一系列问题。但随着农作物的不同，一般施药量也应该发生相应的变化，所以该设计的可调节流量及变量喷雾的问题解决了传统喷雾器不能因作物不同而喷雾作业的问题。该系统设计总框图如图1所示：

图1 变量施药喷雾系统总框图

2 硬件电路设计

硬件设计是一个系统的骨架和躯体，完善合理的硬件设计对软件编程和功能实现都大有裨益。因此硬件设计对于电路的整体设计都是非常重要的。由图1变量施药喷雾系统总框图可知硬件组成部分涉及到单片机单元、电机驱动单元、电源部分、时钟部分以及复位电路，每个单元分工合作完成各自的功能，实现了系统硬件部分的搭建，所以各单元的选择与组合是设计的首要工作。

2.1系统电源设计

系统配套采用12V锂电池供电，系统正常工作时隔膜泵与以STC89C52RC单片机为控制核心的控制系统所需要的电压不同，所以不能同时运用同一个电势的电源，为了使该变量喷雾系统高效正常的工作，给该系统提供可靠的电源至关重要。该系统使用12V的锂电池作为配备电源，但52系列的单片机的正常工作电压为5V左右，要让该系统的控制部分能正常工作，必须要把12V的电压处理成5V的电压才能保证该系统的正常运行，同时为了防止电压突变，在输出端采用电容C3、C4进行缓冲，最后得到+5V的直流电压。开关稳压电源的功耗很小，而且效率高、体积小，重量轻容易携带。因技术性改造使其无较大散热片，它的滤波性能也较高[5]。在外界电压频率变化有扰动的时候，它依然能够稳定输出所需要的直流电压。其系统供电焊接电路图如图2所示：

图2 电源稳压原理图

2.2复位与晶振电路

STC89C52RC单片机的时钟信号产生方式通常有两种：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。单片机正常工作时内部必须要有振荡电路，外部需接石英晶体构成自激振荡器产生时钟脉冲信号[6]。

复位电路，就是将电路恢复至起始状态的过程。为了确保微机系统能够稳定可靠地工作，复位电路是不可或缺的重要部分。当电源VCC上电时，电容C1充电，在阻值为10K的电阻上加上电压，使单片机复位，并在几个毫秒之后，电容会充满电，10K的电阻上电流则降为0安培，电压则为0V，使单片机系统进入正常工作状态。在工作期间，如果按下按钮开关，电容就开始放电，在电路的10K电阻上出现电压差，对单片机进行复位；松开开关按键，电容又开始充电，在几个毫秒之后，单片机重新进入正常的工作状态中。

晶振在一个设计系统中的作用非常大，它是电路中最常用的时钟元件。就相当于人类的心脏，因为它的跳动，单片机才能正常地工作。结合单片机内部的电路，晶振提供的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快，此系统晶振频率采用12MHz。

2.3流量控制原理

在该设计中，采用的调节药液流量的基本控制思想是利用脉宽调制(PWM)技术来调节直流电动机的输入电压达到对电机速度的控制，最终达到对流量的控制[6]。在日常使用中，脉宽调制(PWM)技术已经成为一种十分常见的直流电机调速方法[7-8]。针对直流电动机釆用脉宽调制调速方法，在直流电源电压保持不变的情况下，通过电子开关不断地联通和断开，达到改变电机电枢端的占空比的目的，调节电机电枢平均电压值[9]。假设，附加在电动机电枢两端矩形波的幅值电压为Ua，则电机电枢两端的电压平均值即：

(1)

式中：

t1——开关每次接通的时间(S)

t2——开关每次断开的时间(S)

T——开关通断的时间周期(S)

其中α称为占空比。通过改变α的值，来调节电压。由于0≤α≤1，则Uα值的范围为0～+Ud。

现在市场上存在的电动隔膜泵一般由压缩空气的泵头和小型直流电机两部分组成，通过直流电动机提供动力，带动泵头内的机械机构进行循环运动。只要四个单向阀交替地开和关，这样液体就能不断地吸入与排出。改变电动机转速，液体吸入和排放的速度也会相应发生变化，最终达到喷雾流量得到控制的目的[10]。

2.4驱动电路

L298N是双H桥型大功率集成电路，可以直接采用单片机的I/O口输出的逻辑电平控制，它可以用做直流电动机、线圈、继电器、步进电动机等一系列负载元件的驱动。驱动最高电压可以达到46V，每个单桥的持续电流最高可以达到2A。根据L298N的芯片要求，它的使能控制端ENA和ENB来接ST89C52RC的I/O口输出单片机模拟的PWM波，通过改变输入IN1～IN4的相序，就可以控制电机的正反转。当IN1～IN4的输入全为低电平时，L298N内部的所有晶体管都保持截止状态，电机就会保持停车状态。

当确定了一个硬件电路的原理方案以后，将电路图转化为实物是一个非常重要的过程，本方案中选用L298N为电机的驱动，该驱动芯片由于其自身引脚较多的缘故，在万用板上直接搭出来显然是不现实的。再者，当一件产品量产时，必须做成印刷电路板。所以一件产品设计时必须用专用的软件画出相应的印刷电路板，图3是为本驱动设计的印刷电路板图：

图3 L298N电机驱动印刷电路板图

2.5按键电路

本系统设计中使用了2个独立型的按钮式键盘(图4)调节PWM的占空比，以控制电机的转速。2个按钮式键盘直接串接在STC89C52RC的I/O口上，为了尽可能地消除干扰，每一路的键盘接一个10k的上拉电阻。即当有按键被按下时单片机产生中断，接着单片机计算出键值并执行该键值对应的功能程序，响应程序设计的方式为中断响应方式，执行完该程序后，退出该中断程序，返回主程序。通过该键盘可以适时调节由单片机输出方波的占空比大小。

图4 调节按键

3 软件编程及调试

本变量喷雾控制系统采用C语言编写，C语言模块化的编程思想解决了低级语言编程低效的弊端，主要包括系统工作流程设计、PWM信号产生程序设计以及占空比调节程序设计。编程工具的选择在开发时显得尤为重要。Keil C51软件以它丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具已成为开发者的首选。

3.1系统软件编程

系统开机后首先进行初始化，初始化包括时钟初始化和PWM设置初始化。时钟初始化目的是配置系统的工作频率。PWM初始化主要是配置PWM输出起始占空比，设置分频数以及设置信号频率等。在按键端口设置中断，按键触发中断后，通过延时去抖确认按键按下才进行键值处理程序，这样可以实时增大或减小输出的PWM方波信号的占空比。软件工作流程如图5所示。

3.2软件调试

软件调试就是在把程序写入单片机前，对目标程序进行编译和调试的过程，多次对程序进行改进和完善，克服程序运行中出现的错误，确保程序运行的可靠性。

将调试好的程序，用Proteus软件对系统进行软件仿真，并用示波器显示出脉宽可调节的波形。用protues软件仿真的结果如图6所示。

4 结语

设计的变量喷雾控制系统提高了农药的利用率,降低了农药残留和对环境的污染。经试验证明该控制系统设计合理、操作简单，具有潜在的市场应用前景。后续研发可朝着现代农业智能化、自动化方向发展，通过机器视觉和激光扫描来识别喷施目标；通过闭环控制，自动完成对苗木的生长状况的识别和判断，控制喷射量和喷射角度,提髙农药喷施有效性和准确率，以实现喷雾系统的智能化控制。

图5 软件工作流程图

图6 protues仿真波形图

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【责任编辑答会明】

TheDesignofVariableSprayingSystem

ZHANG Ke-er

(ElectricalEngineeringCollege,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

TP202

A

1674-1730(2017)05-0041-04

2017-06-09

甘肃省高等学校科研项目《复杂环境下异构多自主体系统编队控制研究》(2016B-102)

张可儿(1979—)，女，甘肃庆阳人，副教授，硕士，主要从事电子设计及自动控制研究。