基于PWM的無人機精準變量噴灑系統方案設計

肖利平　全臘珍　康江

摘 要 隨著農業技術的不斷發展，精準農業逐漸被提上日程，然而在我國的農藥噴灑中，大多數農業生產對噴灑藥量的把握全靠農戶的經驗，不僅效率低下，還會造成空氣和土壤的污染，對農產品的安全也造成了一定的危害。為了減少環境污染、實現變量噴灑，完成了基于PWM的變量農藥噴灑控制系統的方案設計。

關鍵詞 PWM；變量噴灑；方案設計

中圖分類號：S49 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.27.061

1 研究的意義

將無人直升機技術、施藥技術相結合形成的無人直升機施藥技術裝備具有尺寸小、重量輕、操控靈活、農藥噴灑效果好、作業效率高等優點，適用于中、小田塊的病蟲害防治或大田塊局部精準施藥。但也暴露出一些問題。

首先，農藥的大面積噴灑也隨之產生了一系列的危害。杭州市富陽區食品安全檢驗檢測中心陳瑜等人采集2012—2016年杭州市富陽區農貿市場和生產基地等市售的新鮮蔬菜共671份，按照NY/T 761-2008《蔬菜和水果中有機磷、有機氯、擬除蟲菊酯和氨基甲酸酯類農藥多殘留的測定》對30種常用農藥的殘留量進行檢測，發現近5年杭州市富陽區的葉菜類蔬菜農藥檢出率最高為30.3%，且殘留超標程度較為嚴峻[1]。

其次，傳統的變量農藥噴灑采用壓力控制流量的方式，因此流量的改變就需要一定范圍內的來改變壓力，而壓力的改變必然會導致噴霧顆粒大小的變化，從而造成噴藥的不穩定。為此采用變量農藥噴灑的方法實現農藥的噴藥，因為它是在壓力恒定的情況下實現的，實現了在保證噴霧顆粒大小不變的情況通過改變的值來更大范圍的調節流量變化的目的。

2 PWM調制原理

PWM調制是通過脈沖寬度調制方式將直流電源變成PWM波[2]。PWM波是在一定頻率下的由一連串連續的具有不同占空比的矩形波組成，它廣泛地應用于測量、通信、與變頻等許多領域。圖1所示為生成原理和波形圖，該系統由一個鋸齒波發生器和一個比較器組成。信號如果小于輸出高電平，否則輸出低電平。因此，從圖1中可以看出，比較器輸出一串波。

因此，可以通過對輸出的方波進行信號放大來驅動電磁閥噴頭。在壓力、頻率一定的情況下來改變電磁閥的開斷時間，從而來改變噴頭的流量。

3 無人機農藥噴灑系統總體結構設計

無人機機農藥噴灑系統總體結構包含電動離心噴頭、折疊式噴桿、藥液箱、施藥控制系統、液泵、機架等[3]。農藥噴灑系統整體以四點的方式與無人直升機下方的連接點利用螺栓固定連接。施藥控制系統與機架固連，位于藥箱側面，其信號輸入端與控制主機的輔控制輸出端相接。

其中藥箱成馬鞍形設計，通過外壁設置的2道安裝槽與機架固連，折疊式噴桿組件通過2只帶“T”形螺釘的卡箍安裝在機架上，折疊式噴桿兩端安裝2個電動離心噴頭。液泵通過4只螺釘固定安裝在馬鞍形藥箱的凹面，液泵的吸液管經藥箱凹面的吸液口通至藥箱底部，向液泵輸送藥液。

4 均勻噴灑控制系統方案設計

4.1 均勻噴灑中央處理模塊（MCU）設計

本設計采用ST公司的STM32F407VGT6作為主控芯片、STM32F103CBT6作為備用應急芯片。在飛行過程中，遙控信息的捕獲、傳感器數據的采集與濾波、實時姿態解算、電機控制等這些任務和計算都需要MCU處理，所以MCU需要非常強大的處理能力。另外，飛控程序本身的多任務特性，要求MCU有足夠的Flash、RAM以及最小的中斷時間。傳統的8位、16位MCU很難達到要求。本設計中STM32F407VGT6芯片使用ARM公司的Cortex-M4內核，最高168MHz運行頻率、192kB RAM、1MB Flash以及FPU浮點運算單元。STM32F103CBT6芯片使用ARM公司的Cortex-M3內核，最高72MHz運行頻率、128kB RAM、1MB Flash。此外，這兩塊芯片外設豐富，多個USART、SPI、IIC、SDIO、USB接口。與其他型號MCU對比有如下優勢：第一，相對較高的運行頻率、額外的DSP指令集、FPU浮點運算單元和CCM內存等可以提供足夠的計算能力；第二，豐富的外設使得飛控PCB設計變得簡單，減少外部IC的數量，并能一定程度上減輕MCU的處理壓力；第三，Cortex-M內核特有的中斷處理，相比于其他內核而言有更快的響應速度和更豐富的優先級配置，能更快地完成切換。

4.2 電源模塊設計

本系統采用三端固定輸出電壓式穩壓電源7805，它可以輸出的5 V直流電壓。為了提高輸出的電流，可以通過使用一個附加的功率三極管來實現，它具有的集電極電流，當電流輸出小于時，穩壓器工作，晶體管不工作；一旦超過這個值，晶體管工作，然后將集電極的電流傳入負載。該電源電路能夠輸送超過的負載電流。

4.3 繼電器模塊設計

本模塊的繼電器選用12V繼電器模塊，模塊尺寸為53 mm×18 mm×18.5 mm；控制區域與負載區域有隔離槽；模塊帶光耦隔離，觸發現可靠，更穩定；采用雙面FR-4線路板設計，高端貼片工藝生產；采用松樂-繼電器控制；具有電源和繼電器動作指示，吸合亮，斷開不亮；信號輸入端有低電平信號時，公共端與常開端會導通；繼電器可以直接控制各種設備和負載；有1個常開和1個常閉觸點；藍色KF301端子接控制線更方便。

4.4 電磁閥模塊設計

目前國內外電磁閥的種類有先導式電磁閥、直動式電磁閥和分布式直動電磁閥三種。為了方便操作，本控制系統選用直動式電磁閥，它應用直動式原理，通電后電磁線圈產生的電磁力把電磁閥內的閥座吸合起來，閥門打開斷電后，電磁力消失，內部的彈簧把閥座彈回原處，閥門關閉，從而完成電磁閥的開啟與關閉。它具有反應迅速、動作靈敏、價格實惠等優點，應用范圍廣泛。由于信號的輸出使通過軟件的設置從單片機的工口輸出的，所以輸出的驅動電流比較小，它不能直接驅動電磁閥，因此需要加入信號電流的放大。本控制系統采用來驅動路電磁閥，是高電壓大電流八個達林頓晶體管陣列，它是低邏輯電平數字電路和大電流高電壓負載間接口的理想器件，它的驅動電流可以達到，完全滿足本電磁閥的開啟要求電流。本設計選擇12 V常開型電磁閥。

4.5 隔膜增壓泵模塊設計

本模塊采用雷士泰隔膜泵增壓泵，包括自吸泵1個、電源適配器1只、2分管接頭2只、母頭1只、進水端過濾頭1只；內有壓力感應裝置，當水滿后壓力達到最大值，自吸泵自動切斷電源，放水后壓力小于最大值，泵會自動通電抽水。

4.6 顯示模塊設計

本模塊采用的是直流LCD液晶數顯電壓表（圖2），是帶電壓+電流+功率+電量四種功能全屏液晶顯示于一體的多功能直流液晶帶背光顯示的直流測試儀表頭，電壓范圍6.5～100 V，內置分流器；測試電壓直接供電，無需外接電源，測量精準，超大屏幕LCD液晶全屏顯示清晰。

5 結語

無人直升機技術、施藥技術相結合形成的無人直升機施藥技術裝備適用于中、小田塊的病蟲害防治或大田塊局部精準施藥。針對農藥的大面積噴灑產生的農藥殘留危害和傳統的變量農藥噴灑從而造成噴藥的不穩定，本文完成了基于PWM的變量農藥噴灑控制系統的總體結構設計以及均勻噴灑控制系統MCU、電源、繼電器、電磁閥、增壓泵、顯示等模塊的方案設計。

參考文獻

[1]陳瑜，袁新躍，張培洪，等.2012—2016年杭州市富陽區蔬菜中農藥殘留監測及分析[J].食品安全質量檢測學報，2016，7（12）：5083-5088.

[2]榮軍，李一鳴，萬軍華，等.不同PWM調制方式對無刷直流電機調速的影響[J].微電機，2015，48（10）：70-74.

[3]周立新，薛新宇，孫竹，等.無人直升機農藥噴灑系統的設計及應用[J].江蘇農業科學，2013，41（12）：396-398.

（責任編輯：趙中正）endprint