采用电动球阀控制的智能化定量颗粒施肥器

闫鼎 曹亚凡 陈兆英

摘要    针对手工施肥中存在施肥量不准确、工作效率低、劳动强度大等问题，本文研制了一种智能化定量颗粒施肥器。该施肥器通过单片机控制集成盒和电动球阀将肥料箱内的颗粒化肥进行定量分配。在不同作物的不同生长时期，通过设置单片机的脉冲数值调整施肥量，實现对每株作物的定量精准施肥，可降低人力劳动强度，提高施肥效率与精准度。

关键词    电动球阀;施肥器;定量施肥

中图分类号    S224.2        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）17-0143-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    In view of the existed problems in manual fertilization， such as inaccurate fertilizer amount， low work efficiency and high labor intensity and so on， this paper developed an intelligent quantitative granular fertilizer applicator. The fertilizer applicator is controlled by single chip microcomputer integrated box and electric ball valve， which can fertilize in the granular fertilizer distribution quantitatively. In different growth periods of different crops， the pulse value of the single chip microcomputer is set to adjust the amount of fertilizer， so as to realize the quantitative precision fertilization of each crop， which can reduce the human labor intensity and improve the efficiency and accuracy of fertilization.

Key words    electric ball valve; fertilizer applicator; quantitative fertilization

我国人口众多，人均资源少，而且资源利用效益较低。因此，要充分有效地利用有限的资源，发展以节地、节水、节肥、节粮为目标的现代农业[1]。肥料是各种农作物所必需的，施肥在农作物生长过程中是必不可少的环节，而科学施肥是提高作物产量、改善农产品品质的重要因素[2]。长期以来，在农田施肥过程中，特别是在农作物中期对植株施肥，所采用的施肥方式大多是人工徒手进行施肥。这种施肥方式存在许多缺点和不足，如施肥量不易掌握、不集中、易散落等，化肥浪费现象较严重;并且消耗人力较大，工作效率较低，难以精确控制，易造成施肥过量，污染环境[3-4]。特别是当前农村劳动力呈现短缺与老龄化、生产成本上升等现状制约着农业的可持续发展[5-6]，亟须进一步加强施肥技术和施肥机械的结合。目前，水稻、玉米、小麦等农作物的机械化施肥水平已经有了长足进展[7-9]，但烟草穴施肥料机械的研发和使用鲜有报道。本文经过深入研究，研制了一种采用蓄电池作为动力、背负式的、用于烤烟固体颗粒肥料的智能定量施肥器[10]。该定量施肥器也可应用于其他农作物，如果树、棉花等[11]，根据不同生长时期对每株作物定量精准施肥。该定量施肥器结构简单、操作方便、智能高效，不仅能精确设定每次施肥的施肥量，还能较好地解决人工施肥过程中效率低、施肥量不准等问题。

1    定量施肥机械总体结构及工作原理

1.1    总体结构

该智能化定量颗粒施肥器部件构成包括肥料箱、锂电池、控制集成盒、下肥管、转接管、电动球阀、施肥管以及施肥按钮等，如图1所示。

背负式颗粒肥料箱用于容纳颗粒状肥料;锂电池选用12 V/8 AH锂电池，重约0.7 kg，可为该施肥器持续稳定供电6～8 h。控制集成盒装有该施肥器的智能控制系统，包括单片机、液晶屏和一些控制线等，单片机选用低功耗、宽电压的STC15W408AS单片机，软件采用Keil C进行程序设计，液晶屏可显示相应的施肥量数值、控制状态。下肥管直径较施肥管直径大，因而中间加了转接管进行转接，电动球阀装在转接管后面。电动球阀选用新款微型电动球阀，型号为DN25 XY-04 A/DC9-24V，作为定量施肥器的排肥器，电动球阀结构如图2所示。施肥按钮采用自动复位开关按键，按下施肥按钮1次，施肥器自动按设定的施肥量施肥1次。

1.2    工作原理

该智能化定量颗粒施肥器采用单片机作为控制器，可控制每次施肥量20～50 g，每次施肥量可调节，精度在±10%以内。因此，该施肥器可以按照预设定好的施肥量对单株作物进行精准施肥。该智能化定量顆粒施肥器的控制流程如图3所示。

该定量施肥器的施肥量主要由关键部件控制集成盒和电动球阀来控制。具体工作原理：定量施肥器留有外置且供调试使用的红外遥控键盘，键盘有1～4共4个键，这4个键可输入0～9 999之间的任一数值，可以设定20～50 g之内的施肥值。通过设置可以将每次需要的施肥量与脉冲数关联，标定的脉冲数据存入EEPROM，掉电也不会丢失数据，只要设置1次，即可以根据标定数据进行工作;即使掉电，下次上电自动记忆，液晶屏上会显示上次设置的施肥脉冲数，大概1个脉冲1 mL，具体量可以通过量杯测定后标定。如需新的施肥值，只需通过键盘进行设置输入和标定，重新标定即可。设定好每次的施肥量，使用时，按一下施肥按钮，自动施肥1次，施肥量为设定好的施肥值。

按下施肥按钮，单片机通电开始计数，同时电动球阀通电，电动球阀执行器正动作，阀开，保持在阀开的状态。肥料箱中的颗粒肥料在重力的作用下，通过下肥管、转接管、电动球阀等从施肥管流出，开始施肥;当单片机计数的数值达到设定数值，系统断电复位，电动球阀阀关，保持在阀关的状态，本次施肥结束，施肥量为设定好的施肥值;下次施肥，再按一下施肥按钮，单片机和球阀重复以上动作，施肥结束时施肥量为设定好的施肥值。

该智能化定量颗粒施肥器通过设置单片机的数值来控制每次施肥的精确时间，从而控制每次施肥的施肥量，控制准确，可确保每株作物的准确、定量施肥;要改变施肥量，改变单片机的设置数值即可，方便调节施肥量，而且操作简单、可靠。

2    定量施肥机械使用方法及田间试验

2.1    使用方法

第一步：按遥控器上的“#”键，确认设置值;然后按“OK”键，完成设置，液晶屏上会显示相应数值，如图4所示。

第二步：按“1”键，施出设定值的施肥量;按“2”键，施出设定值2倍的施肥量;按“3”键，施出设定值3倍的施肥量;按“4”键，停止。

第三步：设定好每次的施肥量之后，使用定量施肥器时，按一下施肥按钮，施肥器按设定好的施肥量自动施肥1次;再按一下施肥按钮，进行下一次施肥操作。

2.2    田间试验

在烟田分3个片区进行了该智能化定量颗粒施肥器的实地验证，对烟草植株进行定量施肥，统计定量施肥装置的施肥精度和用工数量，结果见表1。

定量施肥器烟田试验结果表明，每穴施肥量理论要求为10 g，定量施肥器施肥精度可达到97.10%以上，而且实际施肥采用环施，环施效果好;定量施肥器用工数2.95个/hm2，人工施肥用工数7.50个/hm2，省工明显。田间试验表明，定量施肥器单位面积用工数减少，而且施肥精度高，施肥效果更好。

3    定量施肥机械存在的问题及改进建议

在实地验证试验中，该施肥器使用中还存在一些问题。一是施肥系统稳定性需要提高;二是通过控制器调整施肥量对农户来讲可能较为复杂。建议改进单片机控制算法，使算法进一步优化，系统更加稳定，调整施肥量更加方便、可靠，使该定量施肥装置使用更加方便、可靠、稳定，更适于批量化生产。

4    结论

该施肥器结构简单、设计合理、调整容易、操作方便、智能高效，能充分解决广大农户人工施肥过程中效率低、施肥量不准等问题。一是可以代替普通施肥器，有助于提高施肥质量和效果;二是智能控制施肥量，通过设置液晶屏与单片机数值，进行施肥量的设定，实现精量施肥;三是施肥按键操作，每次施肥作业，按一下施肥按键即可，节省劳动力，降低了人工的劳动强度。因此，该智能化定量颗粒施肥器在实际农业生产中具有很好的推广利用价值。

5    参考文献

[1] 谷洁，高华.提高化肥利用率技术创新展望[J].农业工程学报，2000（2）：17-20.

[2] 邓春岩，陈芳，张丽坤.小型施肥器的设计[J].农机化研究，2011（6）：87-90.

[3] 何凤宇，魏利华，杨德旭，等.穴播农作物定量深层施肥器的研制[J].农机化研究，2007（5）：129-130.

[4] 戴曲文，白洁瑞，储亚云，等.机械化施肥对水稻产量及经济效益的影响[J].现代农业科技，2019（14）：11-14.

[5] 陈远鹏，龙慧，刘志杰.我国施肥技术与施肥机械的研究现状及对策[J].农机化研究，2015（4）：255-260.

[6] 付宇超，袁文胜，张文毅，等.我国施肥机械化技术现状及问题分析[J].农机化研究，2017（1）：251-255.

[7] 孙百惠，李净仪.降低水稻生产成本的技术及机具[J].农机使用与维修，2020（4）：98.

[8] 赵丽平.玉米免耕播种机的结构原理与技术优化方向[J].农机使用与维修，2020（4）：33.

[9] 林森.小麦机械化种植技术[J].现代农业科技，2019（23）：22-23.

[10] 王远，王应彪，刘学渊.肩负式电动固料均肥-施肥器的研制[J].湖北农业科学，2014（1）：206-210.

[11] 曾繁伟.葡萄用厩肥施肥机的设计研究[D].银川：宁夏大学，2019.