基于C8051F的果樹(shù)施藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于SILICON公司C8051F020和C8051F340單片機(jī)作為微處理器，采用主從通訊方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)；噴霧參數(shù)

水果種植業(yè)是我國(guó)農(nóng)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(dāng)下我國(guó)施藥水平總體偏低，主要表現(xiàn)在自動(dòng)化技術(shù)落后、作業(yè)強(qiáng)度大、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。為了解決這一現(xiàn)象，提高果樹(shù)施藥噴霧效率和農(nóng)藥附著率，文中設(shè)計(jì)了新型噴霧機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，該機(jī)構(gòu)能夠針對(duì)不同果樹(shù)尺寸來(lái)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(kāi)閉、噴霧機(jī)構(gòu)伸縮長(zhǎng)度、軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)轉(zhuǎn)速等)，這在很大程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)械和電子技術(shù)，由機(jī)械部分和控制部分構(gòu)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(nèi)的果樹(shù)形狀尺寸各異，因此應(yīng)用了電動(dòng)推桿作為執(zhí)行元件安裝于機(jī)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(gè)噴霧頭置于由軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)葉風(fēng)扇表面；為了調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，選用了變頻調(diào)速器來(lái)適應(yīng)不同冠層密度的果樹(shù)；為了增加作業(yè)效率，機(jī)械部分采用
兩側(cè)對(duì)稱的形式，可以同時(shí)對(duì)兩行果樹(shù)實(shí)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(kāi)閉、機(jī)構(gòu)伸縮長(zhǎng)度、軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)轉(zhuǎn)速、噴霧時(shí)間等)都由手持遙控器通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)之間的無(wú)線通訊來(lái)設(shè)定。
針對(duì)上述作業(yè)工況和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了施藥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)固定于拖車尾部底盤(pán)上，由機(jī)動(dòng)車牽引該噴霧機(jī)構(gòu)在田間作業(yè)，而果樹(shù)位于每側(cè)噴霧架之中。

在圖1中，機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)空間上完全對(duì)稱，每側(cè)各有3個(gè)移動(dòng)副和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。單側(cè)安裝有4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)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(shè)置有若干個(gè)噴霧頭，機(jī)車行進(jìn)時(shí)打開(kāi)噴霧頭和軸流風(fēng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)立體噴霧。針對(duì)不同樹(shù)高，可以通過(guò)調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)移動(dòng)副2則可以在寬度方向調(diào)節(jié)噴霧架跨度。轉(zhuǎn)動(dòng)副4能夠?qū)崿F(xiàn)每側(cè)機(jī)構(gòu)繞其內(nèi)側(cè)豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)停止工作時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副4收起噴霧架，來(lái)減小機(jī)器的空間尺寸。移動(dòng)副通過(guò)仿形電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行器實(shí)為一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿螺母機(jī)構(gòu)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的軸向運(yùn)動(dòng)?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和運(yùn)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(jì)
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(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)步進(jìn)電機(jī)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(dòng)液流電磁閥的通斷；通過(guò)操作變頻器調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)的送風(fēng)速度；可以設(shè)定噴霧時(shí)間；能夠采用無(wú)線通訊方式通過(guò)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(duì)象，擬定控制方法，并設(shè)計(jì)實(shí)用的人機(jī)界面，得出如圖2所示的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。