基于步進電機的變量施肥裝置的設計

付麗娟

摘 要：該文將針對精準施肥這一技術，設計一種基于步進電機的變量施肥裝置。該施肥裝置的主要目的是實現變量施肥，改變傳統的平均施肥模式。實現變量施肥的核心是將步進電機引入到施肥裝置體系中，在運動控制卡的驅動下，步進電機連接排肥機構，再結合事先制定的施肥量計劃，最終實現變量施肥、精準施肥。

關鍵詞：步進電機 變量施肥裝置 精確施肥

中圖分類號：S224.21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0109-01

在可持續發展的背景下，農業的可持續發展也受到越來越多人的關注。要實現農業的可持續發展推行精準農業是關鍵。精準農業的實施有助于實現經濟效益與環境效益及生態效益的平衡發展。而要推行精準農業的關鍵就是先進、精準、智能化的農業機械的應用。在智能化機械中的應用中關鍵技術是實現變量施肥的精準性。變量施肥技術與傳統的施肥技術有很大的區別。傳統的施肥技術采用的是平均施肥技術，是在一塊地里平均施肥，而不考慮土地的差異。而變量施肥技術則考慮土地的情況、氣候條件、海拔高度等各個方面的差異，然后再有區別的對不同區域進行不同的施肥方案，變量施肥技術的具體方法有養分平衡施肥法、目標產量施肥法及應用電子計算機指導施肥等。通過這種技術，可以實現肥料的最大程度化利用，可以減少肥料的浪費，讓貧瘠的土地能獲得更多的肥料，而讓土地肥沃的土地減少施肥量以減少過多的肥料對土地的不良影響。

文章在研究的基礎上，提出將步進電機控制系統用于自動變量控制施肥技術中達到施肥量的可控性。具體的操作方法是將步進電機連接到排肥機構上，通過控制信號來精確控制步進電機的轉動速度，再通過轉動速度的控制來實現對施肥量的控制。建立基于步進電機的變量施肥裝置的設計主要是要解決兩大部分的問題，首先是運用合理的決策方法對不同地區的土壤情況及自然環境進行分析，得到不同土地的具體情況；接著如何運用先進的技術，將先進的機械加入到整個施肥裝置中，以實現施肥的可控性和精準性。

1 自動變量施肥裝置總體方案

文中提出的自動變量施肥裝置的設計方案如下，自動變量施肥裝置主要有五大部分組成：可編程運動控制卡、步進電機、步進電機驅動器、直流電源和排肥機構。除了五大硬件組成部分外，還有相應的如軟件技術的支持，主要包括函數庫以及控制系統軟件，控制系統軟件主要的功能是控制步進機的轉動速度和轉動角度。基于步進電機的自動變量施肥裝置的工作原理是將步進電機與排肥器相連，然后依靠帶有螺旋葉片的轉動軸的作用，使得肥料從進料口進料后不斷前進，再從出料口出去，自動控制器將根據施肥情況對施肥量進行控制。

2 施肥裝置的機械機構設計

排肥機構的主體部分就是排肥機構，排肥機構的種類繁多，常見的包括外槽輪式、轉盤式、離心式、螺旋式、星輪式和振動式等。不同種類的排肥機構，其性能和功效是不一樣的。通過對比分析來看，螺旋式的排肥機構是最適合自動變量施肥裝置的。采用螺旋式排肥機構的主要工作原理如下：首先排肥機構在步進電機的帶動下旋轉，然后帶有螺旋葉片的轉動軸在封閉的料槽內旋轉，這一封閉的料槽有一個進料口和一個出料口，通過螺旋葉片的轉動使得從進料口進入的肥料慢慢前進，最后從出料口排出。

基于步進電機的自動變量施肥裝置是將步進電機與排肥器相連，然后依靠帶有螺旋葉片的轉動軸的作用，使得肥料從進料口進料后不斷前進，再從出料口出去，自動控制器將根據施肥情況對施肥量進行控制。整個排肥機構主要包括軸承、軸、螺旋葉片、排肥口、末端軸承、排肥槽、進肥口及肥料倉。

3 步進電機的連線設計

將步進電機用于自動變量施肥裝置中是十分重要的，因為步進電機成本很低、結構相對較為簡單、容易實現數字化的調控，同時系統的調試與維護也相對較為方便。將步進電機用于自動變量施肥裝置中為建立先進可行的、實用的、低成本的變量施肥裝備奠定了基礎。

步進電機的連線設計是實現步進電機的功能的第一步，而實現步進電機連線的第一步是實現計算機6020-3控制卡的連接。而在將控制卡插入控制主機的ISA插槽之前，先要正確設置好板地址和板上跳線。

3.1 ISAI/O地址設置（S1）

地址設置（S1）6020-3控制卡出廠缺省板地址為300H，該板共占用16個I/O口，如板地址為300H，則該板將占用300H-30FH的PC機I/O地址。在設置板地址時，根據PC機I/O地址圖，利用其中空閑的部分，結合S1撥段開關的省缺設置。選用其中的A和A8設置為OFF（1），A（7）～A（4）設置為ON（0），即控制卡的默認設置。

3.2 脈沖輸出方式選擇（J4、J5、J6）

6020系列板卡通過板上調線，可設置每個軸的驅動信號為：CW（正轉）+CCW（反轉）或CW（正轉）+方向控制信號兩種形式。

以上兩種形式在管腿32、33、34的方向信號上是一致的，也就是說正向、負向的電平是相對應的。如設為CW+CCW（跳線J4、J5、J6為1-2連接）方式，則在方向信號為高電平時，CW信號端（管腿14、15、16）有脈沖輸出，CCW信號端（管腿11、12、13）無脈沖輸出；而方向信號為低電平時，CW信號端（管腿14、15、16）無脈沖輸出，CCW信號端（管腿11、12、13）有脈沖輸出。如設為CW+方向（跳線J4、J5、J6為1-3連接）方式，則無論方向信號為高電平還是低電平，CW信號端（管腿14、15、16）均有脈沖輸出，而CCW信號端（管腿11、12、13）無脈沖輸出。根據選用的步進電機驅動器，設計中用CW（正轉）+方向控制信號的驅動形式，對應的跳線設置J4、J5、J6均為1-3。

3.3 各部件連接

在做完上述的步驟后，接下來要將主機的電源關閉然后打開機箱，連接其他的部件，首先要講控制卡插入主板上的ISA插槽，為了保證控制器的穩定需要用螺絲將其固定。其他部件的連接主要包括兩個大的方面，第一方面的連接是將運動控制卡與步進電機驅動器進行連接，第二方面的連接則是時間步進電機驅動器與步進電機的連接。

4 結語

隨著可持續發展理念的不斷推行，精準農業必將成為未來現代農業的發展方向。精準農業的核心就是以低成本獲取最大的經濟效益，同時實現經濟效益、生態效益與社會效益的平衡。而實現精準農業的核心則是實現精準施肥，精準施肥的目的就是考慮土地的差異性，有差異性地施肥，而不是平均施肥，土地貧瘠的可以適當多施肥，而土地肥沃的土壤則減少施肥量，一方面可以減少過多肥料對土壤的損害；另一方面，也可以減少肥料的浪費，保證土壤的質量和產量。實現精準施肥的主要途徑就是運用自動化的精準施肥機械來控制施肥的精準性，而將自動步進機用于精準施肥的控制系統中能夠很好地實現施肥的精準性。將步進電機用于變量施肥裝置系統中需要相應的技術支持，未來針對變量施肥裝置的設計還需要進一步的技術支持。

參考文獻

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