基于C8051F的果樹施藥控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了提高果園施藥的作業(yè)效率和農(nóng)藥使用率，介紹了一種參數(shù)可調(diào)的施藥機構(gòu)及其控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)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，通過實驗室模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試，實現(xiàn)了對執(zhí)行機構(gòu)和噴霧參數(shù)的有效控制。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；C8051F；執(zhí)行機構(gòu)；噴霧參數(shù)

水果種植業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，果樹病蟲害防治作業(yè)也越來越被重視。當(dāng)下我國施藥水平總體偏低，主要表現(xiàn)在自動化技術(shù)落后、作業(yè)強度大、農(nóng)藥浪費嚴(yán)重等問題。為了解決這一現(xiàn)象，提高果樹施藥噴霧效率和農(nóng)藥附著率，文中設(shè)計了新型噴霧機構(gòu)及其控制系統(tǒng)，該機構(gòu)能夠針對不同果樹尺寸來調(diào)節(jié)噴霧距離。作業(yè)人員可以遠(yuǎn)距離操作手持式控制器即可調(diào)節(jié)噴霧參數(shù)(包括每側(cè)噴霧頭的開閉、噴霧機構(gòu)伸縮長度、軸流風(fēng)機送風(fēng)轉(zhuǎn)速等)，這在很大程度上降低了勞動強度，提高了施藥效果。

1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)結(jié)合了機械和電子技術(shù)，由機械部分和控制部分構(gòu)成。施藥噴霧過程中噴霧頭與冠層的距離要求適中，而果園內(nèi)的果樹形狀尺寸各異，因此應(yīng)用了電動推桿作為執(zhí)行元件安裝于機械系統(tǒng)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，將多個噴霧頭置于由軸流風(fēng)機驅(qū)動的轉(zhuǎn)葉風(fēng)扇表面；為了調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，選用了變頻調(diào)速器來適應(yīng)不同冠層密度的果樹；為了增加作業(yè)效率，機械部分采用
兩側(cè)對稱的形式，可以同時對兩行果樹實施作業(yè)；為了操作可靠方便，系統(tǒng)中所有的參數(shù)值(噴霧頭的開閉、機構(gòu)伸縮長度、軸流風(fēng)機送風(fēng)轉(zhuǎn)速、噴霧時間等)都由手持遙控器通過上位機與下位機之間的無線通訊來設(shè)定。
針對上述作業(yè)工況和技術(shù)要求，設(shè)計了施藥機構(gòu)運動簡圖如圖1所示。整個機構(gòu)固定于拖車尾部底盤上，由機動車牽引該噴霧機構(gòu)在田間作業(yè)，而果樹位于每側(cè)噴霧架之中。

在圖1中，機構(gòu)左右兩側(cè)空間上完全對稱，每側(cè)各有3個移動副和1個轉(zhuǎn)動副。單側(cè)安裝有4個軸流風(fēng)機和霧化盤，安裝位置分別位于5、6、7、8處，每個霧化盤上設(shè)置有若干個噴霧頭，機車行進(jìn)時打開噴霧頭和軸流風(fēng)機即可實現(xiàn)立體噴霧。針對不同樹高，可以通過調(diào)節(jié)移動副1配合移動副3來保持噴霧頭與樹冠的距離；而調(diào)節(jié)移動副2則可以在寬度方向調(diào)節(jié)噴霧架跨度。轉(zhuǎn)動副4能夠?qū)崿F(xiàn)每側(cè)機構(gòu)繞其內(nèi)側(cè)豎直軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)系統(tǒng)停止工作時通過轉(zhuǎn)動副4收起噴霧架，來減小機器的空間尺寸。移動副通過仿形電動執(zhí)行器來實現(xiàn)。執(zhí)行器實為一步進(jìn)電機驅(qū)動的絲桿螺母機構(gòu)，電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的軸向運動?？刂撇竭M(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)和運行步數(shù)即可調(diào)節(jié)執(zhí)行器的伸縮量。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)噴霧作業(yè)要求，電控系統(tǒng)需要具備以下功能：驅(qū)動電動執(zhí)行器內(nèi)步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)，并且推桿能夠按照設(shè)定值執(zhí)行伸縮；驅(qū)動液流電磁閥的通斷；通過操作變頻器調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機的送風(fēng)速度；可以設(shè)定噴霧時間；能夠采用無線通訊方式通過手柄按鍵遠(yuǎn)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(shè)計實用的人機界面，得出如圖2所示的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。