车载喷雾机变量施药控制系统的设计

机STC89c58RD+作为核心控制芯片，时钟电路采用 H桥驱动，由于电机驱动电流很大可达4A以上，普通
11．592MHz晶振产生时钟信号，选用128×64液晶屏 的驱动芯片无法实现( 如L298，L1M18200和L293驱
显示喷药量、运行方式、车速、压力。通过按键来设定 动电流比较小) ，故而双H桥采用8个场效应管搭建，
进行控制，从而实现喷雾控制。 2．2软件设 计
主机主程序流程图如图3所示。主机安放在拖拉 机驾驶室内，系统开机后首先对系统进行初始化。系 统初始化包括I ／0初始化和看门狗初始化、液晶屏初 始化、定时器初始化、异步通讯初始化等。初始化完 成之后随即在液晶显示屏上出现带有“WOER2000型 喷雾机控制系统”等信息的开机画面，随即读取E2 PROM中参数，然后进入程序扫描；程序对按键实时进 行扫描1次，程序运行每100ms 对参数设定程序进行 扫描。如有按键操作则进入对系统参数设定界面，系 统每l s向从机发送设定数据，为了人眼观看得舒服， 对显示内容1．5s 刷新1次。
20 12年 5月
农机化研究
第5期
车载喷雾机变量施药控制系统的设计
玄子玉，张玉峰，田思庆
( 佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯 154007)
摘要：将基于单片机的控制系统应用于农业生产过程中，实现了变量施药作业，提高了农药利用率，减少农药
残留和环境污染。该系统采用单片机作为控制核心，能够根据需要自动地调节喷雾量。为此，阐述了施药系统
务程序，根据键值执行参数设定等，执行后一个工作 循环。
Fi g．3
图3主 机主程序流 程图 1k nowch丑r t of h08t pD。ceBa钾I nBi n pTnFa m
从 机的 主 程序 流 程图 如 图4 所示 。 系统 开 机后 ，
系统进行初始化。初始化包括标志位和变量的赋初
值、启动定时器、开中断、串行通信设置、读取系统的
参数 和手动 控制。 设定参 数包 括喷雾 量、喷 头型号 、 喷 头间 距等 。 上下 位机 采 用4 85总 线接 口 通讯 模式 。 芯片采用MAxI M公司的MAx485，它是一款实现Rs一
下位机采集的信号有压力信号、车速信号等。电机的 行程通过限位开关进行检测。模拟信号采用 STCl 2c5410AD自带10位A／D转换器进行采样。
用，变量控制系统根据速度的变化动态调节单位时间
系统施药量，使单位面积实际施药量与设定值相等。
1) 霍尔传感器的工作原理。有
y：兰业×3．6
( 1)
矗
其中，r 为车轮的半径( m) ；n为间隔时间内的脉
冲数；￡为间隔时间( s ) ；名为霍尔传感器一周发出的
脉冲数( 爪／mi n) ；y为拖拉机速度( kl n／h) 。
液晶中文显示，直观 便；下位机采用 码管显示。
2) 单片机最小系统。包括中央处理单元及其外
5) 通讯接口。采用Rs一485接口进行主、从机通
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讯。从而实现数据传输功能。 6) 开关量输入单元。开关量输入信号、车速信
号、总阀门行程信号和调压阀行程信号。 7) 电机驱动单元。对总阀门电机和调压阀电机
量；控制系统通过下位机传感器获得的喷雾压力和车
速的实际值，通过控制系统自动调节分配阀调节喷雾
压力来控制喷雾机喷量，从而与设定值相一致，满足
实际生产的需求。表l 即所测数值和参考值之间的对
照表以及计算出来的相对误差。
T铀．1
表l 喷雾 机控制 系统 试验结 果
spr ay口co nt mUi I I g 8y8t m e xpe r i mm r ∞u h
的变 量原理 ，重 点介绍 了控制 系统 硬件电 路和软 件程序 的设 计。仿 真和田 间实验 表明 ，该系 统稳定 可靠 ，可操 作
性好，能够ຫໍສະໝຸດ Baidu足农业生产的要求。
关键词：变量喷雾；喷雾控制；单片机；自动控制
中 图分 类 号： TP2 73+．5
文献标识码：A
文章编号：1003—188X( 2012) 05一0116—04
从表1试验 可知，本喷雾机控制系统能够准
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确地测量各参数，行走速度和药液余量测量的相对误 差分别只有0．8％和0．7％，喷雾压力和流量测量的 相对 误差分 别达3 ．4％和 3．1 ％。试 验结果 表明， 系 统运行可靠，测量精度符合使用要求，为实现精确农药 喷施奠定了基础。
农机化研究 控制系统示意图如图1所示。
第5期
图l 控 制系统示 意图 Fi g．1 Th e卵h ema t i c 0f c ont rol s y8t 咖
2． 1 硬件设计
制，另一个用于控制调节阀实现喷雾量控制。采用
主机( 如图2所示) 采用宏晶公司STC系列单片 PWM方式对其进行速度调节，直流电机的驱动采用双
Fi g．2
图2喷雾机控制系统结构框 图
The 6t 珊c t ur al di a gmm of t hc cont ml s y猷em of 8pr ay咖岫I Ii ne
由图2可以看出，整个系统由主、从机两部分构 围扩展单元。
成，主要由以下几部分构成： 1) 电源部分。本系统主机需要+5V供电；从机需
1 变量喷雾原理及控制算法
1． 1变量喷雾原理 本设计采用人为给定施药量的方法，即设定一个
单位面积施药量，选择和设定相关喷雾量和喷头参数 ( 喷头型号颜色、喷头间距) ，变量控制系统依据喷雾 机田间作业速度，确定喷头目标控制压力；根据输入 的喷头间距，计算出喷头每分钟实际施药量，查表
收稿 日期： 2011一07一 05 基金项目：佳木斯大学科学技术研究项目( 【2009一139) 作者简介：玄子玉( 1975一) ，男，黑龙江佳木斯人，副教授。硬士研究
2) 系统工作原理。有
g=Q×y×D／600
( 2)
喷头压力确定通过给定的喷雾量Q( L／hm2) 、喷
头型号( 颜色) 、喷头间距D( m) 、测得的机组作业速
度y( km／h) ，计算喷头每分钟喷量g( L／mi n) 。然后
查喷头压力参数表获得控制目标值喷雾压力P( PsI ) 。
2控制系统总体设计
能是对两个直流电机的控制，一个是对总阀门的控
系统 的结构 如图2 所示。
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I 鞣硼r + l 七：古{4．j 删
主 一一l卜显示I卜 从
喷雾压力检测卜斗
·一 机
按 键输入
机
剩药量检测卜呻
+—◆I。85电路f．—一。s s电路}．—斗
—叫总闭门电机控制 —叫调压阀电机控制l ·一总阋门行程信号 ·一调豫阀行程信号
0 引言
目前， 大部分农 药喷洒主 要以动力 机喷洒为 主， 但常规的喷雾方式并不能保证按照预计的施药量均 匀地对一个地块进行喷雾。为此，笔者设计了同步喷 雾系统，在所安装的软硬件设备的引导下，根据需要 自动 地调节 喷雾量的 大小， 其喷雾 效果比常 规喷雾 更 加均匀、安 全可靠。
我国是一个粮食生产大国，同时也是一个农药的 生产和消费大国，我国农药的有效利用率只有30％左 右( 发达国家为60％一70％) …，因此带来了环境污 染、人员中毒、残留超标等诸多负面问题，严重影响粮 食安全和经济的发展。随着农业机械化的发展，作业 面积的增大，施药方式的弊端日趋显现，实行变量施 药技术，即根据实际需要而采用不同的农药投入量和 投入方式，能够达到高产、优质、环保和经济的目的。 设计车载喷雾机变量喷雾系统对提高植保效益和减 少农药对 环境的污染具有 重要的理论和实际 意义。
控制量自动调 节喷雾压力使其达到控 制要求。
实现主、从机的信息传输。从机采用宏晶公司STC系
从机( 如图2所示) 也是由宏晶公司STC系列单 列单片机STc l 2c5410AD作为核心控制芯片，负责对
片机STc l 2C5410AD作为核心控制芯片，从机主要功 车载喷雾机运行信息的采集和喷雾量的控制。整个
同步喷雾机的喷雾系统与一般喷雾机大体相似， 其特殊的要求在于以下两点：
1) 同步喷雾机要求其执行系统更为灵敏。农用 车车速改变是不均匀的，这就要求喷头在车速改变后 的最短时间内就能做出反应，即要求执行系统具有最 高的 时效性 ，滞后小 。
2) 同步喷雾机要求其执行系统的喷雾精度一般
201 2年5月 即可。
工作参数、设置各接口芯片的工作方式等。接着进入
主循 环： 首先进 行判 断2s 定 时时间 ，启 动数据 采集 程
序，进行PI D计算，调整皤M输出占空比参数，控制
输出，当接收到主机设定参 后向从机进行测量参
传输。程序实时扫描键盘，若有键按下则进行按键服
图4从机主程序流程图
Fig． 4 11leⅡowcI I ar t 0f sl 暑l ve proce ss 盯ma i n印咿锄
生，(E一眦i l )xua 眦i yI l l l 20@126．c om。
并插值获得的控制目标喷雾压力与设定值相比较，自
动控制调节阀，改变施药量，使实际施药量与设定值
相一致。同时，利用单片机对压力调节电动机进行实
时的压力调节控制，从而实现了能够按地块、按需要
的精确 喷雾。
1．2控制算 法 拖拉机的速度对流量的调节起着至关重要的作
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响研究[ J] ．黑龙江八一农垦大学学报，2007，19( 3) ：5 1—
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spr ayi ng r ese a r ch i n c hi 眦[ R] ．ASAE Paper No．033143．
3试验分析
本控制系统和巴西J ACTO农机有限公司生产的
MAQ．AGR．J ACTo S．A．型号变量喷雾装置一并安装 在自走式机车上，该系统能够通过自动控制系统调节
压力从而改变喷雾量。
试验时，压力传感器、液位传感器和流量传感器
同时接喷雾控制系统上，通过上位机上的液晶屏和下
位机上的数码管显示车速、喷雾量、喷雾压力和剩药
4结束语
本设计将单片机技术应用于农业生产过程中，通 过软件和硬件的设计达到了车载喷雾机变量喷雾控 制系统的目的。该控制装置的设计提高了农药的利 用率，减少了农药的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。 参考文献：
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3) 模拟量采集处理单元。从机需要采集两路压 力信号即 喷雾压力的检测 和药箱剩药量的 检测。
要两路+12V， +5V的直流 电源。其中，一路+12V专
4) 人机交互接口单元。主机由按键完成整定参
向传感器供电，另一路用于驱动电机供电；+5V用于 数的输入设定、参数查询，喷雾机运行信息的显示用
向单片机及附属电路供电。
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C 10]
Davi d R Mi l l e r，Ma s 伽d sal yaI l i ，Apr i l B．Hi s c ox Remo t e
485标准串行传送的接口转换芯片。主机通过Rs 一
本系统由 主、从位机构 成，主机采用 宏晶公司STC
485通讯实时获得从机传来的数据，包括机组作业速 系列单片机s TC89C58RD+作为核心控制芯片，完成参
度确定喷头目标控制压力；从机根据上位机计算出的 数的设定查询、从机采集量的显示，通过Rs485总线
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