基于C8051F的果樹(shù)施藥控制系統設計

摘要：為了提高果園施藥的作業(yè)效率和農藥使用率，介紹了一種參數可調的施藥機構及其控制系統。本系統基于SILICON公司C8051F020和C8051F340單片機作為微處理器，采用主從通訊方式，通過(guò)實(shí)驗室模擬調試和現場(chǎng)調試，實(shí)現了對執行機構和噴霧參數的有效控制。
關(guān)鍵詞：控制系統；C8051F；執行機構；噴霧參數

水果種植業(yè)是我國農業(yè)發(fā)展的重要組成部分，果樹(shù)病蟲(chóng)害防治作業(yè)也越來(lái)越被重視。當下我國施藥水平總體偏低，主要表現在自動(dòng)化技術(shù)落后、作業(yè)強度大、農藥浪費嚴重等問(wèn)題。為了解決這一現象，提高果樹(shù)施藥噴霧效率和農藥附著(zhù)率，文中設計了新型噴霧機構及其控制系統，該機構能夠針對不同果樹(shù)尺寸來(lái)調節噴霧距離。作業(yè)人員可以遠距離操作手持式控制器即可調節噴霧參數(包括每側噴霧頭的開(kāi)閉、噴霧機構伸縮長(cháng)度、軸流風(fēng)機送風(fēng)轉速等)，這在很大程度上降低了勞動(dòng)強度，提高了施藥效果。

1 系統工作原理
本系統結合了機械和電子技術(shù)，由機械部分和控制部分構成。施藥噴霧過(guò)程中噴霧頭與冠層的距離要求適中，而果園內的果樹(shù)形狀尺寸各異，因此應用了電動(dòng)推桿作為執行元件安裝于機械系統中；為了增加噴霧頭的射程、提高霧化效果，采用風(fēng)送式噴霧，將多個(gè)噴霧頭置于由軸流風(fēng)機驅動(dòng)的轉葉風(fēng)扇表面；為了調節風(fēng)機轉速，選用了變頻調速器來(lái)適應不同冠層密度的果樹(shù)；為了增加作業(yè)效率，機械部分采用
兩側對稱(chēng)的形式，可以同時(shí)對兩行果樹(shù)實(shí)施作業(yè)；為了操作可靠方便，系統中所有的參數值(噴霧頭的開(kāi)閉、機構伸縮長(cháng)度、軸流風(fēng)機送風(fēng)轉速、噴霧時(shí)間等)都由手持遙控器通過(guò)上位機與下位機之間的無(wú)線(xiàn)通訊來(lái)設定。
針對上述作業(yè)工況和技術(shù)要求，設計了施藥機構運動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。整個(gè)機構固定于拖車(chē)尾部底盤(pán)上，由機動(dòng)車(chē)牽引該噴霧機構在田間作業(yè)，而果樹(shù)位于每側噴霧架之中。

在圖1中，機構左右兩側空間上完全對稱(chēng)，每側各有3個(gè)移動(dòng)副和1個(gè)轉動(dòng)副。單側安裝有4個(gè)軸流風(fēng)機和霧化盤(pán)，安裝位置分別位于5、6、7、8處，每個(gè)霧化盤(pán)上設置有若干個(gè)噴霧頭，機車(chē)行進(jìn)時(shí)打開(kāi)噴霧頭和軸流風(fēng)機即可實(shí)現立體噴霧。針對不同樹(shù)高，可以通過(guò)調節移動(dòng)副1配合移動(dòng)副3來(lái)保持噴霧頭與樹(shù)冠的距離；而調節移動(dòng)副2則可以在寬度方向調節噴霧架跨度。轉動(dòng)副4能夠實(shí)現每側機構繞其內側豎直軸轉動(dòng)，當系統停止工作時(shí)通過(guò)轉動(dòng)副4收起噴霧架，來(lái)減小機器的空間尺寸。移動(dòng)副通過(guò)仿形電動(dòng)執行器來(lái)實(shí)現。執行器實(shí)為一步進(jìn)電機驅動(dòng)的絲桿螺母機構，電機旋轉運動(dòng)轉變?yōu)橥茥U的軸向運動(dòng)?？刂撇竭M(jìn)電機的正反轉和運行步數即可調節執行器的伸縮量。

2 控制系統硬件設計
根據噴霧作業(yè)要求，電控系統需要具備以下功能：驅動(dòng)電動(dòng)執行器內步進(jìn)電機的正反轉，并且推桿能夠按照設定值執行伸縮；驅動(dòng)液流電磁閥的通斷；通過(guò)操作變頻器調節軸流風(fēng)機的送風(fēng)速度；可以設定噴霧時(shí)間；能夠采用無(wú)線(xiàn)通訊方式通過(guò)手柄按鍵遠程作業(yè)，包括與變頻器的通訊。分析上述控制對象，擬定控制方法，并設計實(shí)用的人機界面，得出如圖2所示的控制系統硬件結構圖。