基于單片機(jī)的注入式混藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

張宋超， 薛新宇， 孫 竹， 周立新

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

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基于單片機(jī)的注入式混藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

張宋超， 薛新宇*， 孫 竹， 周立新

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

摘要針對(duì)電磁泵注入式施藥裝備設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的控制系統(tǒng)，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)化電路、電壓頻率采樣電路、光耦隔離電路和變頻輸出電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電磁泵輸入電壓的控制，實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)電磁泵流量的控制，達(dá)到不同混藥比的目的。同時(shí)，擴(kuò)展了人工按鍵控制電路部分，構(gòu)成一套完整的注入式施藥控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該套控制系統(tǒng)能夠較好地保持與基頻同頻，變頻控制的誤差整體小于1.22%，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，調(diào)節(jié)頻率準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞混藥器；單片機(jī)；電磁泵；變頻

傳統(tǒng)的植保機(jī)械采用人工預(yù)混方式，操作人員直接接觸農(nóng)藥概率大，并會(huì)導(dǎo)致農(nóng)藥在藥箱中的殘留，可能對(duì)環(huán)境造成污染，且在施藥過(guò)程中由于沉淀現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致水和藥混合不均勻，影響施藥效果[1]。注入式混藥方法能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)藥原液和水的分離操作，降低了操作人員自身農(nóng)藥中毒的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)藥、水的獨(dú)立貯存，方便了未使用完的農(nóng)藥處理，同時(shí)藥、水能夠按照預(yù)先的比例要求完成“在線”混合，避免了農(nóng)藥沉淀而導(dǎo)致的混藥不均勻現(xiàn)象。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)在線混藥技術(shù)及混藥器開展了較多的研究。周良富等通過(guò)流體數(shù)值仿真技術(shù)，對(duì)射流式混藥器裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了研究，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]；胡開群等基于處方圖設(shè)計(jì)了一套注入式變量施藥控制系統(tǒng)，并通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了作業(yè)性能[3]；郭宇波等以水管長(zhǎng)度、農(nóng)藥劑型和液體黏度幾個(gè)因素，對(duì)SK靜態(tài)混藥器進(jìn)行了混合均勻度研究[4]。而國(guó)外早在1970年Amsden便提出農(nóng)藥在線混合技術(shù)[5]，經(jīng)多年研究，基于體積平均信號(hào)處理方法所研制的光纖光度傳感器、以作業(yè)參數(shù)變化而改變活塞行程的計(jì)量泵以及靜態(tài)混藥器等都得到應(yīng)用，在線混藥技術(shù)取得明顯的進(jìn)步[6-11]。目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家多采用大型機(jī)動(dòng)噴桿噴霧機(jī)，將重點(diǎn)放在外加能源的在線混藥技術(shù)[12]。

筆者以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一套用于直接注入式混藥裝置的控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的隨頻變頻控制性能進(jìn)行了測(cè)試，變頻整體誤差小于1.22%，滿足應(yīng)用要求。

1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制電路原理：將動(dòng)力裝置(汽油發(fā)動(dòng)機(jī))所帶動(dòng)的磁電機(jī)的輸出電壓引出，一方面經(jīng)過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換電路給整套系統(tǒng)供電；另一方面通過(guò)檢測(cè)分壓電阻兩端電壓的頻率，通過(guò)保持或改變當(dāng)前電磁泵輸入電壓的頻率實(shí)現(xiàn)不同的混藥比。圖1是混藥裝置的總體方案示意圖。

圖1　總體方案示意Fig.1　Diagram of the overall scheme

1.1核心部件主要硬件包含單片機(jī)芯片、電壓轉(zhuǎn)換芯片、采樣芯片和光電隔離芯片。單片機(jī)選用ATMEL公司低功耗的AT89S52，其片內(nèi)有8 K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器(ROM),256×8字節(jié)內(nèi)部隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8個(gè)中斷源；電壓轉(zhuǎn)換芯片選用NS公司的KIA7805AP和KIA7812AP，其輸入電壓最大峰值35 V，輸出誤差小于4%；采樣芯片選用MOTOROLA公司的SN54/74LS14雙路施密特觸發(fā)器，上升沿和下降沿觸發(fā)，典型觸發(fā)延遲時(shí)間22 ns；光電隔離芯片選用東芝公司的6N137，最高轉(zhuǎn)換速率10 Mbit/s。圖2是變頻控制系統(tǒng)硬件原理圖。

1.2硬件功能設(shè)置單片機(jī)P0.0～P0.7口引出，用于人工設(shè)置電壓輸出頻率；P1.0接口用于接收施密特觸發(fā)器的輸出信號(hào)，判斷輸入電壓的頻率；P1.4口與光耦輸入控制端相接，用于輸出頻率脈沖。在單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器方面，定時(shí)器T0用于計(jì)算交流電壓頻率，定時(shí)器T2用于周期性檢測(cè)頻率，定時(shí)器T1用于計(jì)算光耦控制脈沖頻率。

圖2　控制系統(tǒng)硬件原理Fig. 2　Hardware principle of control system

1.3施密特觸發(fā)器波形轉(zhuǎn)換單片機(jī)測(cè)量頻率有測(cè)量頻率法和測(cè)量周期法，對(duì)于頻率較低的單片機(jī)頻率測(cè)量，使用后者方法比較適合。該系統(tǒng)測(cè)量正弦交流電的頻率，是先將交流電引入施密特觸發(fā)器，將正弦波形轉(zhuǎn)換成方波。

將交流電通過(guò)分壓電阻R2引入施密特觸發(fā)器，當(dāng)電壓值達(dá)到施密特觸發(fā)器的閥值電壓，則輸出方波。該系統(tǒng)選用的是施密特觸發(fā)的反相器，所以，當(dāng)輸入電壓達(dá)到閥值電壓后，輸出的方波為低電平，所以單片機(jī)測(cè)得的周期時(shí)間是2次電平的下降沿，如圖3中，圖3A是引入的正弦電壓，圖3B是施密特觸發(fā)器的電壓閥值，圖3C是施密特觸發(fā)器的輸出電壓波形。

圖3　施密特觸發(fā)器波形轉(zhuǎn)換Fig. 3　Wave-type conversion of Schmitt trigger

1.4光電隔離與變頻電壓輸出通過(guò)光耦將5 V和12 V進(jìn)行隔離，保證單片機(jī)的輸出脈沖不受影響。光耦的輸出端引到mos管IRF540的門極(g)，用來(lái)控制mos管的導(dǎo)通；mos管的源極(s)直接接地，漏極(d)與電磁泵相接，這樣的接法可以保證mos管在工作時(shí)，門極和源極之間的壓差穩(wěn)定。mos管的通斷控制吸藥電磁泵工作的啟停。

2軟件部分設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)按照功能主要可以分為2個(gè)部分：一是用于測(cè)量交流電機(jī)發(fā)出電壓的頻率；二是給電磁泵發(fā)出所需頻率的脈沖。

軟件算法設(shè)計(jì)思想：主程序首先啟動(dòng)T2，用T2的定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)周期性地檢測(cè)交流電的周期。要測(cè)量交流電的周期，就是要測(cè)量施密特觸發(fā)器的輸出波形2次下降沿的間隔時(shí)間。先等待高電平的到來(lái)，在這個(gè)高電平下降沿T0開始計(jì)時(shí)，繼續(xù)等待下一個(gè)高電平的下降沿到，停止計(jì)時(shí)。將測(cè)量到的時(shí)間的一半賦給T1，由T1所產(chǎn)生的定時(shí)中斷來(lái)發(fā)出PWM波，在產(chǎn)生PWM波的同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)P0口的電壓變化，發(fā)現(xiàn)有變化，下一周期則按照對(duì)應(yīng)的關(guān)系調(diào)整PWM波的輸出頻率(圖4)。

在中斷服務(wù)程序中，T1的中斷服務(wù)程序作用是周期性取反P1.4口的輸出(圖5)，T2的中斷服務(wù)程序是保證周期性的檢測(cè)交流電的頻率(圖6)。

圖4　主程序流程Fig. 4　Main program flow

圖5　定時(shí)器T1中斷服務(wù)程序流程Fig. 5　Program flow of interrupt servicing of timer T1

圖6　定時(shí)器T2中斷服務(wù)程序流程Fig. 6　Program flow of interrupt servicing of timer T2

3系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

3.1系統(tǒng)變頻控制性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)搭建好的控制系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)3 h的性能實(shí)驗(yàn)。以50 Hz基頻交流電作為測(cè)試源，如圖7所示，根據(jù)實(shí)際混藥比例的范圍，分別做了1.0倍(隨頻)和0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4倍(倍頻)響應(yīng)性能測(cè)試，圖8～15分別是實(shí)驗(yàn)中測(cè)量示波器的波形輸出。

圖7　基頻f波形Fig. 7　Waveform of fundamental frequency f

圖8　0.7f調(diào)制輸出波形 Fig. 8　Waveform of 0.7f modulation output

圖9　0.8f調(diào)制輸出波形Fig. 9　Waveform of 0.8f modulation output

圖10　 0.9f調(diào)制輸出波形Fig. 10　Waveform of 0.9f modulation output

圖11　1.0f調(diào)制輸出波形Fig. 11　 Waveform of 1.0f modulation output

圖12　1.1f調(diào)制輸出波形Fig. 12　 Waveform of 1.1f modulation output

圖13　1.2f調(diào)制輸出波形Fig. 13　Waveform of 1.2f modulation output

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析系統(tǒng)做了控制信號(hào)和電源電壓隔離處理，從圖8～15可以看出，輸出電壓波形較為平滑，圖16是變頻輸出值和理論值的直觀比較。

圖14　1.3f調(diào)制輸出波形Fig. 14　Waveform of 1.3f modulation output

圖15　1.4f調(diào)制輸出波形Fig. 15　Waveform of 1.4f modulation output

圖16　變頻輸出波形理論值和測(cè)量值對(duì)比Fig. 16　Comparison between waveform theoretical value and measured value of frequency conversion output

按相對(duì)誤差計(jì)算公式：

式中，δ為相對(duì)誤差(%)；fT為理論輸出頻率(Hz)；fM為實(shí)際輸出頻率(Hz)。

從圖17中可以看出，相對(duì)誤差在1.3倍頻時(shí)，相對(duì)誤差值最大，為1.22%，在1.0隨頻時(shí)相對(duì)誤差最小，為0。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)地控制精度和穩(wěn)定度能夠達(dá)到應(yīng)用要求。

圖17　理論頻率和測(cè)量頻率的相對(duì)誤差Fig. 17　Relative errors of theoretical frequency and measured frequency

4結(jié)論與討論

該研究基于AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套注入式混藥控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，控制系統(tǒng)連續(xù)工作3 h，穩(wěn)定，調(diào)頻最大測(cè)量誤差不超過(guò)1.22%；變單片機(jī)P0口為拓展口，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，通過(guò)安檢組合，最大可輸出128個(gè)頻率的控制脈沖，適用范圍廣，能夠滿足混藥應(yīng)用的要求，且成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗(yàn)中，對(duì)輸出頻率的波形進(jìn)行觀察，偶爾會(huì)出現(xiàn)波形跳躍和諧波現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)增加“濾波電路”環(huán)節(jié)，以保證頻率控制的準(zhǔn)確性。以“計(jì)數(shù)”方式來(lái)測(cè)量脈沖頻率的電路中，受到其他因素的干擾會(huì)出現(xiàn)“脈沖丟失”現(xiàn)象，可通過(guò)冗余計(jì)數(shù)的方式來(lái)提高測(cè)量精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速率，應(yīng)用中應(yīng)在“準(zhǔn)確度”和“響應(yīng)速率”做出權(quán)衡選擇。該實(shí)驗(yàn)的比例調(diào)節(jié)電路中，倍頻的步長(zhǎng)選擇為“0.1”用來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性；在硬件配置允許的情況下，后續(xù)的研究中有2個(gè)方向：減小步長(zhǎng)，使得其足夠小近似實(shí)現(xiàn)“無(wú)級(jí)”調(diào)整；加大步長(zhǎng)，使得混藥比調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大，適用的場(chǎng)合更廣。

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Design and Test of Injection-type Chemical Mixer Control System Based on Single Chip Microcomputer

ZHANG Song-chao, XUE Xin-yu*, SUN Zhu

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing, Jiangsu 210014)

AbstractA control system based on the AT89S52 single chip microcomputer was designed for electromagnetic pump injection spraying equipment. In the system, the voltage conversion circuit, voltage frequency sampling circuit, optical coupling isolation circuit and voltage frequency conversion output circuit were integrated to achieve the DC electromagnetic pump input voltage control per unit time and the further flow control for different pesticide mixing ratios. Meanwhile, the manual buttons were expanded for some other spare functions to constitute a complete injection control system. Experimental results showed that the system could maintain the same frequency of the base voltage frequency, and overall errors of frequency conversion were less than 1.22%, which verified the stability and accuracy of the system.

Key wordsChemical mixer; Single Chip Microcomputer; Electromagnetic pump; Frequency conversion

基金項(xiàng)目公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203025)；江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項(xiàng)目(NJ2014-09)。

作者簡(jiǎn)介張宋超(1983- )，男，江蘇南京人，助理研究員，在讀博士，從事精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究。*通訊作者，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，從事植保與環(huán)境工程技術(shù)研究。

收稿日期2016-02-04

中圖分類號(hào)S 22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)08-186-04