智能实时混药喷雾系统设计浅析

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摘要:以农作物喷药过程为研究对象,通过对喷雾系统控制硬件电路及控制程序进行分析,设计一种能够根据作物生长状态及环境参数进行实时混药的智能喷雾系统,能够自动行进,并根据作物高度进行智能喷雾。当智能喷雾系统行进速度为3m/s、风速为2m/s、喷雾动力供压4MPa时,智能喷雾系统的有效喷射距离可达3.5m,单侧喷幅可达到2.5m,喷雾流量不小于340kg/h,喷雾误差小于0.15%,检测动作时间小于0.4s。试验数据表明:智能喷雾系统能够快速准确的进行智能混药喷雾,提高喷雾作业效率,降低劳动强度,提高农药利用率。

关键词:智能喷雾;主控电路;喷幅;喷射距离

0引言

病虫害是影响农作物及水果产量的关键因素,病虫害的防治常用方法主要有生物防治、生态防治及化学防治等。其中,化学防治具有良好的使用效果,且具有较高的经济性能[1]。喷洒农药是最常用的一种病虫害化学防治方法,现阶段大多数果园及作物种植现场仍采用背负式喷雾机进行人工喷药,能够较好地适应生产种植现场,但喷药的一致性较差,人工成本高,喷药过程中造成大量的农药以落水的形式渗入土壤,造成农药利用率低、土壤中的农药对土壤微生物群落造成不同程度杀灭,影响土壤的生物群落平衡性,且造成土壤肥力流失[2-3]。基于以上生产需求,设计了一种能够实时进行智能混药的喷雾系统,以提高农药喷洒过程的利用率,降低生产过程劳动强度。系统在使用过程中能够根据作物病虫害需求精确地进行药物混合,并结合作物生长环境参数进行系统性协调,达到最优化的农药喷洒目的。

1混药喷雾系统总体设计

根据农作物及果树生长需求,设计的混药喷雾系统要求能够根据环境参数进行合理的喷药方案选择,以满足不同生产过程中的环境适应性要求[4]。智能实时混药喷雾系统要求针对不同的作物外形尺寸进行适应性调整,实现自动配药混药,并根据病虫害程度进行喷雾方案的决策。智能实时混药喷雾系统框架图,如图1所示;智能实时混药喷雾系统关键技术参数,如表1所示。

2系统硬件电路设计

智能混药喷雾系统控制总线方案使用同步串行方案,包含时钟线和数据线,能够将多机系统和外围扩展器件进行兼容,利用通信协议地址进行数据交互,使控制总线方案结构简单,易扩展[5]。智能混药喷雾系统控制总线方案,如图2所示。智能混药喷雾系统主控制电路承担系统运行过程中的所有控制工作,并进行系统电压转换,在喷药过程中能够进行不同喷药模式的程序切换,并对系统工作过程中的各功能模块之间进行数据的传输处理,自动调节喷雾流量和喷雾范围。智能混药喷雾系统工作电压为5V,要求主控电路能够进行系统电压转换,能够将24V直流电压转换为5V直流电压[6]。智能混药喷雾系统主控电路电压转换模块,如图3所示。智能混药喷雾系统驱动电机选用步进电机,驱动信号输入端采用阴极共用方法,使阴极能够并联接地,当有脉冲信号输入时,单片机信号由阳极接口接入,使用调制脉宽信号进行输出,同时对脉冲信号频率进行占位[7-9]。智能混药喷雾系统驱动电机接线图,如图4所示。

3系统控制程序设计

智能喷雾系统控制总线进行数据的发送和接收时,需要对各功能模块进行寻址,对不同的功能模块通信数据进行地址修改,实现模块之间通信数据的实时有效传递。模块寻址方式通常包含串口模块地址寻找修改和使用控制程序进行模块寻址修改两种方式[10]。智能喷雾系统寻址修改时序图,如图5所示。在智能喷雾过程中,当喷雾系统两侧传感器未检测到作物信号时,电磁阀处于关闭状态,喷雾杆位置不动;当两侧传感器同时检测到作物信号或一侧检测到作物信号后,电磁阀打开,喷雾杆保持现有状态;当喷雾系统上部检测作物信号,下部未检测到作物信号后,电磁阀打开,喷雾杆进行位置调节,直至上下两个方向的喷雾杆均能检测到作物信号为止[11]。智能喷雾系统运动控制流程图,如图6所示.

4系统测试

智能喷雾系统性能试验验证项目主要包含水平射程与喷幅测定、对地喷雾时的喷幅测定、喷雾流量及喷雾精度测定。在进行水平射程与喷幅测定时,对试验环境提供2m/s风速,喷雾系统动力供压4MPa,测定喷雾边缘最大距离处为喷雾系统水平射程,喷幅取喷雾杆方向的最大距离。智能喷雾系统水平射程与喷幅试验结果,如表2所示。对地喷雾喷幅测定时,将喷雾杆拆卸,使喷头与地面之间正面相对,同时保证500mm竖直距离,测定地面幅宽即为对地喷雾喷幅。对地喷药时的喷幅试验数据,如表3所示。在进行喷雾系统流量测试试验时,对喷雾前后的药箱整体进行称取质量,求出喷雾前后质量变化量即为试验喷药量,喷药量与喷雾时间之间的比值即为喷雾系统流量。试验过程中,设定喷雾系统动力供压4MPa,连续进行20min喷雾。试验数据如表4所示。性能试验参数测试完成后,为保证智能喷雾系统工作可靠性,需对其喷雾精度进行试验验证。喷雾精度试验过程中,喷雾系统水平行进速度为3m/s,喷雾系统中心测距模块与作物之间距离设定为2000mm,记录扫描到作物信号至电磁阀打开时间。试验数据如表5所示。试验数据表明:智能混药喷雾系统水平射程可达到3.5m,水平喷幅可达到2.5m,在对地喷药模式下,其喷幅可达到2.3m,智能喷雾过程中平均喷雾流量可达到340kg/h,喷雾系统误差平均值0.15%,动作时间不大于0.4s,性能参数满足设计要求。

5结论

智能混药喷雾系统能够自动进行作物生长状态监测,并根据检测数据进行系统指令决策,自动进行混药喷雾,实现喷雾过程的自动化和智能化,降低喷药过程劳动强度,同时提高喷药效率,减少环境污染,为自动喷药系统的推广提供参考依据。

作者:逯云杰 单位:濮阳职业技术学院