基于柱塞泵与单片机的可控施肥机设计与喷灌试验

朱梅，顾佳林，储诚癸，李晓乐，朱德泉

(安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036)

施肥机是水肥一体化设备中的一个核心环节，负责将储肥桶内的肥液送入灌溉系统主管道中，使水溶肥随管道内的灌溉水流至末端喷头、滴头等节水部件进入土壤[1].施肥机配合节水灌溉工程可显著提高水肥利用率、增产增收、减少环境污染.经调研，目前水肥一体化系统中使用的施肥设备主要采用4种方式，其中压差式、比例泵式、文丘里式的核心原理都是使管道两端生成一定的压力差，令液体肥料从压力高的地方流向压力低的管道中，泵注式则是使用外部动力将肥液加压注入灌溉管道内.国内外许多研究人员对这4种方式进行了研究分析[2].

范军亮等[3]对滴灌压差施肥系统进行了综合性评价，发现压差式施肥罐出口肥液相对浓度随时间呈指数函数快速减少，且此方式的施肥均匀性受供水方式和施肥罐两端压差影响较大；吴锡凯等[4]对水力驱动式比例施肥泵进行了研究，发现在使用中需避免出现较大压差与较小施肥比例配合，以及较小压差与较大施肥比例配合；张超等[5]使用ANSYS对文丘里施肥器进行了水力特性研究，发现文丘里施肥器所产生的较大压力损失，使其只适用于面积不大的灌区.通过以上研究发现3种水力驱动施肥设备都受到管道内压力限制，难以满足部分工况.而泵注式使用机械驱动克服了压力限制，但国内泵注式施肥大多使用增压泵或计量泵，难以实现精确变量施肥.严海军等[6]设计了一种应用于圆形喷灌机的泵注式施肥装置，通过泵流量率定管与储肥桶构成连通器配合柱塞泵曲柄连杆机构实现了精确变量施肥，但无法实现管道内肥液浓度稳定.彭炫等[7]通过对精量水肥配比控制系统进行设计和研究以及水肥混合配比浓度控制试验，证明可以快速、准确、稳定地对水肥溶液进行精确配比，故提高了水和肥料的利用率.

基于以上研究结果，文中提出一种应用于温室系统的新式施肥机.通过在柱塞式注肥泵上加装单片机、变频器与各类传感器，组成一种高精度可控施肥机.此施肥机可以调节变频器输出频率以实现精确变量施肥，主要工作方式有恒流模式与恒水肥配比(施肥机流量∶灌溉主管流量)模式，并通过在连栋棚内进行喷灌试验以研究施肥机的运行参数及2种模式下的施肥均匀性[8]与管道浓度稳定性，为水肥一体化技术推广和应用提供技术依据.

1 高精度可控施肥设备设计

1.1 总体系统结构与工作原理

高精度可控施肥设备总体结构如图1所示，主要包括柱塞泵、交流电动机、变频器、单片机控制模块、压力传感器[9]等.其中单片机模块集成安装在变频器内，超声波流量计[10]则安装在主管道上.

图1 高精度可控施肥设备总体结构示意图

系统模块结构如图2所示，主要包括单片机控制模块、压力传感器、流量计、变频器、供电模块、显示模块、按键模块等.

图2 高精度可控施肥设备系统结构

将设备出水口连接灌溉主管道，进水口连接储肥桶，同时将压力传感器安装在施肥机出水口附近.设备开启后压力传感器检测施肥机出水口压力，超声波流量计获取主管道内流量值并通过RS232串口发送给单片机[11]，单片机内部根据采集到的压力值与流量值，将按键键入的流量值或水肥配比转变为对应的频率值，并经过TTL转RS485电路将频率信号传递给变频器.变频器输出相应频率的交流电驱动电动机工作，最后通过皮带轮带动柱塞泵运转将肥液注入主管道.

1.2 设备运转关键结构设计

1.2.1 机械传动结构

机械传动结构采用柱塞泵与交流电动机组合的方式，两者之间使用皮带轮进行动力传递.由于设备设计采用调节柱塞运动频率以实现流量控制，所以使用的是3柱塞的卧式柱塞泵，与其他类型相比，此型号柱塞泵出水口流量脉动性较低，更易被测量.

1.2.2 单片机控制模块

控制模块可细分为3个部分：供电模块、STC单片机模块、感知模块.

供电模块用于将DC 24 V处理后输出DC 24 V与DC 5 V供给控制模块与各传感器.其中DC 24 V用于给超声波流量计供电，DC 5 V则供单片机、显示模块、压力传感器等其他部件使用.

STC单片机模块采用STC12C5A60S2单片机作为运算核心.其中单片机与变频器通信需要发送多个字节数据，使用其自带的串行口进行通信，通信采用RS485协议[12].但由于单片机自身输出信号为TTL电平，需要将信号经过TTL转RS485电路[13].而压力传感器与流量计都为单总线式，因此只需两个I/O口就可完成与单片机的通信.

感知模块主要包含压力传感器与超声波流量计.压力传感器选用XGZP4501型压力变送器，其量程为0～1 MPa、供电电源DC 5 V、输出信号DC 0.5～4.5 V.超声波流量计则选用TD-100MB型，其量程为0～±12 m/s、供电电源24 V、精度1.0级、工作频率1 MHz.由于超声波流量计为RS485信号输出，与单片机通信方式及变频器相同.而压力传感器输出为模拟信号，故需要由A/D转换将模拟信号转换成数字信号才能将压力数据传递给单片机，单片机接收后将数字信号进行数值计算得出当前压力.

1.3 控制系统工作流程

控制系统主程序由C语言编写，其流程如图3所示，主要包括压力采集子程序、流量采集子程序、状态分析子程序、按键识别子程序、频率计算子程序、数据发送子程序、OLED显示子程序及各主要芯片初始化.其中频率计算程序是软件设计的关键，直接影响到高精度可控施肥机注肥量的精确性.

图3 控制系统主程序流程

软件主要实现的功能是将测得的施肥机出水口压力或主管道流量与按键输入的流量或水肥配比代入到后续试验总结出的关系式中，计算得到对应的变频器频率，检测设备出水口的压力、主管道的流量，并感知按键内容，将检测的内容显示在屏幕上.

其中状态分析子程序负责对压力与流量采集结果进行数值分析，并得出当前灌溉主管中水流情况.控制系统开启后，对压力采集子程序所采集的每5个压力值求平均值，并将此平均值作为当前管道内压力值保存；同时用新求得的平均值与前一个平均值求差，当差值连续出现3次同符号数时，判断管道内水流发生变化.若施肥机开启了恒水肥配比模式，考虑到超声波流量计数值存在一定幅度波动，为了避免施肥机因波动频繁调整转速，同样使用流量采集子程序所采集流量值的平均值作为当前管道内流量，且仅在判断主管道内水流发生变化时更新主管道流量值.

1.4 设备内置频率计算公式

施肥机动力驱动设备为一台三相交流异步电动机，此类电动机在工作时实际转速n满足公式

n=[60f(1-S)/q]×100%，

(1)

式中：S为三相异步电动机转差率,%；n为电动机实际转速，r/min；q为电动机磁极对数；f为电动机输入频率，Hz.

可见交流电动机转速的影响因素有3个，其中电动机磁极对数为设备固有属性，而三相异步电动机转差率受电动机负载直接影响[14]，与电动机输入频率一起作为影响因素，直接决定当前交流异步电动机的实际转速.同时，柱塞泵在高压工作时，一部分高压液体会从活塞与缸套间的间隙泄漏，造成流量损失，因此施肥机动力系统具备非线性特性.

施肥机负载主要由设备出水口处压力与流量组成，故通过试验测量在不同出口压力与输入频率下的流量，再由测量结果分析变频器输出频率与流量和压力的关系，并建立公式.由于往复泵出口流量呈脉动变化，传统测流量仪器难以准确测量，故采用容积法测施肥机流量.除自主设计搭建的基于柱塞泵与单片机的高精度可控施肥机之外，还使用一套恒压供水系统，所用仪器有中国红旗仪表有限公司的Y-60径向压力表.

通过使用恒压供水控制系统形成水循环系统[15]，获得不同的主管道压力状态，将恒压供水系统内水泵的进水口接在水箱的出水口上，而系统的末端出水口利用水管引至水箱的顶部开口处.

试验时，先将恒压供水系统打开，调节施肥机出口处压力分别为0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40 MPa.随后将施肥机开启手动调节模式，通过手动调节变频器的输出频率分别为5，10，15，20，25，30，35 Hz.待施肥机稳定后记录下储肥桶减少100 L液体所用时间，通过计算得出当前流量.由此得到出水口压力、设备流量、变频器频率关系见表1；通过分析流量变化特点建立公式，即

(2)

式中：p为设备出水口处压力，MPa；Q为设备出口流量，L/h；k为柱塞泵与交流电动机传动比；q为电动机磁极对数.

表1 不同压力与变频器频率下流量

式(2)即为设备内部求变频器输出频率公式.设备通过动态监测出水口压力与设定流量，并代入式(2)计算得出预测目标状态下变频器输出频率，进而实现精确设备流量.通过将同一压力、7种流量下频率计算值与试验值的差求绝对值后相加再取平均，可以得到9个出水口压力下频率数值解与试验值的平均绝对误差σ见表2.数值解与现有试验数据的平均绝对误差小于2.89%，可见在9种不同出口压力下数值解与试验数据相比较为接近.该频率计算公式可以较好地预测变频器在不同出口压力下的输出频率，进而精确控制施肥机流量.

表2 不同压力下输出频率平均绝对误差

2 材料与方法

2.1 试验场地

高精度可控施肥机的施肥均匀性试验在安徽省合肥市长丰县安徽农业大学试验实践基地的连栋棚内进行，每栋大棚长80 m、宽20 m、高3 m，棚内喷灌管路采用32 mm PE软管，间距5 m纵向排布，共6条PE软管(即支管A—F)，每条软管上喷头间距5 m，共安装16个喷头[16]，如图4所示.为了防止储肥桶内有未溶解的肥料晶体堵塞喷头，在施肥机出水端安装了一个网式过滤器.试验水源由恒压供水系统提供，管道内水压可达0.30 MPa，满足试验要求.

图4 喷灌管道示意图

2.2 试验方案

高精度可控施肥机的施肥均匀性在于喷灌施肥均匀性与支管肥料浓度的稳定性.文中重点分析施肥机在恒流模式下不同流量时喷头喷嘴的喷洒肥液浓度，与恒水肥配比模式下，不同喷灌流量变化幅度时支管内肥液浓度变化，从而评价高精度可控施肥机的施肥效果.

2.2.1 肥液配比与浓度标定

氯化钾属强电解质，其水溶液的导电能力强，因此试验中选择氯化钾肥料.氯化钾肥液质量分数通过电导率求得[17].肥液的电导率测定采用哈希sensION156型多功能参数测量仪，仪器显示值均为25 ℃时的标准电导率.试验标定得到了氯化钾肥液质量分数和电导率之间的拟合公式为

EC=22 441C+771.48，R2=0.999，

(3)

其中

式中：EC为电导率，μS/cm；C为肥液中氯化钾的质量分数，%；m为肥料质量，kg；mw为水质量，kg.

式(3)的决定系数R2为0.999，表明氯化钾肥液电导率与肥液质量分数之间差异具有统计学意义.

2.2.2 高精度可控施肥机恒流施肥模式试验

为了研究设备不同恒定流量对施肥均匀性的影响，试验选取施肥机流量作为单一变量.施肥机分别选取100，200，400，600，800，1 000 L/h 6种不同输出流量.

恒压供水主管维持0.3 MPa压力，同时开启6条喷灌支管进行试验.此时喷头总流量为3 m3/h，储肥桶中肥液按照氯化钾肥料和清水的质量比为1∶333进行配制.

每种流量情况下试验时，先启动恒压供水系统再开启施肥机，待所有喷头正常喷洒且系统压力与流量稳定后，再进行施肥均匀性试验.在6条喷灌支管上随机选取10个喷头作为肥液样本采集点，使用量杯接收这10个喷头的喷洒肥液各150 mL，并用多功能参数测量仪测定肥液导电率，试验现场如图5所示.

图5 试验现场

2.2.3 变频恒水肥配比模式试验

为了研究设备在变频恒水肥配比模式下喷灌肥液浓度稳定性，设置施肥机开启恒水肥配比模式为试验组，未开启恒水肥配比模式为对照组；试验组与对照组内设置2种喷灌流量变化幅度.水肥配比选择1∶10，储肥桶中肥液按照氯化钾肥料和清水的质量比1∶90.9混合后，主管内肥液理论质量分数为0.1%，由式(3)得到相应的电导率理论值为3 015.58 μS/cm.喷灌流量变化幅度即为连栋棚内喷灌支管关闭数量，分别为关闭E，F，以及关闭C，D，E，F两种情况.

每次试验时先启动恒压供水系统再开启施肥机，待所有喷头正常喷洒且系统压力与流量稳定后，再进行肥料浓度稳定性试验.在2条常开的A和B喷灌软管上分别选取1，7与16号喷头作为6个肥液采集点.由于单个喷头喷洒量约为500 mL/min，每根支管内可存约6 L液体，且恒压供水系统内置PID的调整时间约为60 s，故每次采集肥液100 mL，共采集6次.在改变喷灌流量前进行第1次肥液采集，完成后关闭相应数量的支管，随后每间隔30 s在各采集点采集1次，再采集5次.

2.3 喷灌施肥均匀性评价参数

连栋棚内喷头的喷洒肥液浓度均匀性测定可用克里斯琴森均匀系数CU和变异系数CV表示.

1) 克里斯琴森均匀系数[18]CU：参照表征喷灌水量分布均匀性的克里斯琴森均匀系数，即

(4)

2) 变异系数CV：用于表示各量杯电导率(或肥液浓度)的标准偏差与算术平均值的比值.喷灌施肥均匀性越高，测得的变异系数越小.计算公式为

(5)

式中：CV为变异系数，%；S为所有量杯中肥液电导率(或肥液浓度)的标准偏差，μS/cm.

3 结果与分析

3.1 施肥机输出流量对喷灌施肥均匀性的影响

图6 喷灌施肥电导率变化曲线

将不同流量下的电导率平均值进行线性拟合，得到公式为

(6)

式中：Q为施肥机流量，L/h.

式(6)中的决定系数R2达到了0.999，表明电导率的平均值与施肥机流量之间具有显著的正相关性关系，说明施肥机在不同流量下工作都具有较高的稳定性，这对于施肥机的变量喷灌施肥运行非常重要.

高精度可控施肥机恒流模式下，多种流量时不同喷头喷洒肥液电导率分析结果见表3，表中ECth为电导率理论值.由表中电导率可知，所有流量情况下所测得的电导率平均值均小于其质量分数所对应的理论电导率值.造成这种差异的原因较多，例如试验的固体氯化钾存在细微不溶物、溶液存在电解质、氯化钾溶液分层现象、塘水电导率变化、主管灌溉水流量不稳定等.但这些差异对相同工况下测得的各喷头电导率分布均匀性不会产生影响.

表3 电导率分析结果

且根据表3中CU和CV值可以看出，施肥机在不同流量下工作时的喷灌施肥均匀性的变异系数CV的最大值仅为0.75%，而克里斯琴森均匀系数CU均超过99%，表明每种流量下，喷头喷洒肥液浓度高度一致，但根据CU和CV的变化规律可以得到大流量下的施肥机工作均匀性更好.

通过温室喷灌施肥试验，有效验证了高精度可控施肥机在不同流量需求下与不同施肥方式下都具有较高的稳定性与施肥均匀性，且与文丘里式施肥机和比例泵式施肥机相比，高精度可控施肥机具有更高的流量调节精度与施肥速度，实现了在对灌溉主管没有造成压力损失的同时控制管道内肥料浓度.

3.2 恒水肥配比模式对主管道肥料浓度稳定的效果

在2种喷灌流量变化幅度的试验组与对照组试验中测得各采集点所采集肥液电导率.为了体现水肥一体化支管内肥料浓度整体情况，将试验组与对照组所测各量杯电导率取平均值，并将不同流量变化幅度的试验组与对照组流量绘制成点线图分析变化趋势，如图7所示，图中B为采集批次.通过分析试验结果，在1∶10水肥配比、关闭2条支管时，试验组的肥液电导率稳定在2 568.4 μS/cm、对照组的肥液电导率稳定在3 038.3 μS/cm；关闭4条支管时试验组的肥液电导率稳定在2 549.4 μS/cm、对照组的肥液电导率稳定在4 196.6 μS/cm.2种流量变化幅度情况下，试验组肥液电导率最终稳定值皆与目标值存在一定偏差，此偏差可能与超声波流量计的精确度及施肥机流量误差有关，但通过计算电导率偏差率小于4%，仍体现比例调节的精确性.

图7 对照组电导率平均值变化曲线

分析图7，试验组的管道内电导率经历先增大后变小的过程.根据喷灌管道内水力分析[19]可知，当喷灌总流量减少后，管道内各部件水头损失降低，灌溉主管压力增大，导致各喷头处的压力与流量略有上升.随后恒压供水控制系统对管道进行调压，喷灌总流量进一步减小，此过程由于施肥机恒水肥比例模式存在响应延迟，施肥机流量无法及时匹配总喷灌流量，管道内肥液浓度缓慢上升.最终主管道内压力回到恒压数值，喷灌总流量趋于稳定，施肥机恒水肥比例模式根据此时流量调节自身流量后，管道内肥液浓度开始逐渐降低逼近目标值.

通过施肥机恒水肥配比模式对灌溉主管内肥料浓度进行控制，虽然不能完全消除因灌溉流量变化所引起的浓度波动，但波动持续时间明显降低，提高了施肥精度.与传统人工调节施肥机流量相比，高精度可控施肥机响应速度更快、精度更高、人工成本更低.

4 结 论

1) 采用单片机、压力传感器、超声波流量计、柱塞泵、交流电动机、变频器等设计了高精度可控施肥机.

2) 高精度可控施肥机可控流量范围为60～1 200 L/h；通过调节设备流量，可适应储肥桶内不同浓度肥液的施肥要求.

3) 高精度可控施肥机在恒流模式下，将设备流量分别恒定为100，200，400，600，800，1 000 L/h时，各喷头喷洒肥液的电导率平均值与设备流量呈正相关性，且喷灌施肥均匀系数超过99%.表明改变施肥机的流量可以实现高均匀度变量施肥.且喷灌施肥均匀系数CU为99.33%～99.71%，变异系数CV为 0.35%～0.75%，其中施肥机流量越大，施肥的均匀性越好.

4) 高精度可控施肥机在恒水肥配比模式下，当喷灌喷头数发生变化时，试验组管道内肥液浓度在160 s时趋于稳定，且稳定后肥液电导率值与目标值偏差率小于4%.

5) 所设计的高精度可控施肥机在温室施肥中具有良好的适用性.但施肥机流量调节范围难以满足大田施肥需要，如何提高设备流量仍需进一步研究.

6) 使用自主设计的泵注式高精度可控施肥机在连栋棚内进行了喷灌试验，并在恒流模式与恒水肥配比模式下取得预期效果，为基于单片机与柱塞泵的泵注式施肥机提供了技术支持，对推动水肥一体化发展提供了新思路.