基于單片機果樹施藥仿形噴霧的位置控制系統

袁文鳳

(周口職業技術學院，河南 周口 466000)

0 引言

我國是一個農業大國，農業種植過程逐漸由原來的小面積作業模式向大面積密集型發展，尤其是果樹種植。在此背景下傳統作業方式已經無法滿足實際需求，因此需要對作業模式進行變革。果樹種植過程中需要對其進行噴霧處理，降低病蟲害對果樹的影響。當前果樹種植面積不斷擴大，傳統人為噴霧方式已經無法滿足需求，需要通過自動化方式提升噴霧效率。在自動化噴霧過程中，需要對現代果樹種植模式進行分析，采用相應控制系統，結合實際需求設置相應的自動化功能。為此，研制了一種基于單片機的果樹施肥噴霧控制系統，可實現對噴霧位置的自動調節，在保證噴霧質量基礎上提升噴霧效率，克服傳統噴霧方式存在的弊端，促進我國果樹種植進一步發展。

1 設計方案

設計針對當前較為常見的果樹種植地形，結合果樹種植地需求進行彷形設計，通過自動控制變更噴霧桿形狀，在特定情況下做出特定動作。同時，在明確系統要求下，確定系統方案，結合自動控制需求保證機械結構各個部分的靈活性和應變性。在以上設計基礎上，結合機械自由度要求設計出如圖1所示方案。

圖1 噴霧裝置總設計圖Fig.1 Spray device design

噴霧裝置主要包括底盤、支柱、機械臂及噴頭裝置。其中，底盤作用是支撐，配備移動裝置可實現在果樹種植區域內移動；支柱可實現上下升降，通過支柱控制整個機械結構的升降，便于控制其對不同高度的果樹進行噴霧。機械臂中間通過可旋轉的機構連接，在實際運轉過程中可根據需要噴霧的范圍及形狀自由變換器形狀，該結構可實現一字型噴霧，也可實現人字形、圓形、橢圓等多個形狀。該裝置含有多個噴頭，且其與外界交互主要通過傳感器實現。

機械臂自由伸縮主要通過液壓缸實現，在實際噴霧過程中可通過模擬果樹形狀進行噴霧，并通過液壓缸控制機械臂轉動，形成果樹形狀，在此基礎上便可進行快速、高效的噴霧。方形噴霧過程簡圖如圖2所示。

圖2 噴霧過程簡圖Fig.2 Schematic diagram of spray process

在對大型果樹的噴霧過程中，可采用該仿行機構結合果樹形狀進行仿真。以包裹形式將果樹包裹在其內部進行噴霧，該種施肥方式不僅可實現對果樹360°范圍噴霧，還可提高肥料利用率。

本文采用單片機控制技術，對機械臂面對果樹時的仿形過程進行分析，以單片機作為控制中心，控制信號的輸入輸出，合理控制果樹仿形機構形狀及使控制機構與果樹間保持適當距離。

信息收集主要通過傳感器實現，通過傳感器結合單片機形成整個機構的控制系統；單片機主要將信息輸出至機械臂中的液壓系統，控制液壓系統壓力實現對機械臂伸縮控制，實現機械臂的仿形過程，如圖3所示。

圖3 仿形系統控制過程Fig.3 Control process of copying system

2 液壓缸參數設置

2.1 底座部分液壓缸參數

結合實際需求，設置本機構質量為20kN，在進行底座部分設計時應保證該結構可承載該重量，并且保留有20%的余量，因此設置本文的液壓缸時設計其承重為F=20×(1+20%)=24kN。

在實際設計中，其底座部分主要由一個液壓裝置承載所有重力，其值為F1=F=24kN。

在此基礎上可計算液壓缸輸出力大小，即

F2=F1/(ηiΨ)

式中F2—液壓缸輸出力大小；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負載率，取0.65。

則在以上基礎上可計算出液壓缸輸出力大小41.03kN。

2.2 支架部分液壓缸參數

本設計支架部分重量為10kN，且該部分在升降過程中保持平穩，其速度較慢，因此設定其慣性載荷不變。其公稱壓力表示為P=10MPa。

則該部分的輸出壓力可表示為

F4=F3/(ηiΨ)

式中F4—支架部分液壓缸輸出壓力;

F3—支架部分重量；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負載率，取0.65。

在此基礎上，可計算得出輸出壓力為17.09kN。

2.3 噴桿仿形液壓缸設計

本文設計的支架部分重量為7kN，且該部分在升降過程中保持平穩，其速度較慢，因此設定其慣性載荷不變。其公稱壓力表示為P=10MPa。

則該部分的輸出壓力可表示為

F6=F5/(ηiΨ)

式中F6—噴桿仿形部分液壓缸輸出壓力;

F5—噴桿部分質重量；

ηi—液壓缸能量傳遞效率，取0.9；

Ψ—液壓缸負載率，取0.65。

則在此基礎上可計算得出輸出壓力為11.97kN。

3 仿形機構控制系統設計

3.1 硬件設計

本文設計的仿形噴霧系統在傳統噴霧裝置基礎上進行創新，加入了自動化控制系統，并可根據果樹分布情況以及單棵果樹形狀進行仿形，因此需要該結構具有較為完善的控制系統。前文已經針對液壓缸部分進行設計，本部分展開控制系統硬件部分設計。

機構在運行過程中的各種形狀及機械臂位置主要通過液壓缸控制來實現，對單個液壓缸而言，其運動范圍將決定其所控制機構的運動空間大小，因此整個仿形機構位置由所有液壓缸共同控制完成。在需要做出相應動作時，所有液壓缸機構便會完成自己相應動作，其活塞連桿便會到達相應位置；一旦完成其自身空間動作后便會停止動作，直至下個動作命令出現再次執行相應動作。機構液壓缸位置控制原理如圖4所示。

圖4 機構液壓缸位置控制原理Fig.4 Position control principle of hydraulic cylinder

在進行液壓機構運動程度控制時，主要通過光電感應設備感受活塞連桿的運動位置，如需要活塞連桿運動至如圖開關1位置，光電開關1發出光電信號遇到活塞連桿后將信號反射回來，檢測信號強度；而光電開關2以及光電開關3均發射的信號已經被信號吸收板吸收，無法反射回去。當連桿上部分與光電開關1發生的光電信號持平時，其信號將會被逐漸被信號吸收板所吸收，在此基礎上控制中心將立刻接收不到光電開關1發出的信號，機構便會立即停止運行。通過多個液壓裝置共同控制仿形機構，以此實現機械臂在到達相應位置。

單片機選擇。基于以上控制系統要求，選擇的單片機必須具備較強可靠性，在功能性、反應速度、智能性等方面均需具備較高水平。考慮到單片機用于控制噴霧系統，則必須具備一定性價比。因此，首選STC系列單片機，綜合對比多款單片機最終選擇STC12C5A08S2型號單片機作為控制系統的控制芯片。該款單片機如圖5所示。

圖5 STC12C5A08S2型號單片Fig.5 STC12C5A08S2 model single

STC12C5A08S2型號單片機具備仿形噴霧結構所需的多種特點，該種單片機性能優越，且反應速度快、處理數據能力強，具有一定性價比。本仿形機構的最小系統主要由STC12C5A08S2型號單片機、時鐘電路及復位電路幾個部分組成，通過該最小系統便可執行相應動作。本結構最小系統較為復雜，其結構如圖6所示。

圖6 最小系統Fig.6 Minimum system

時鐘電路屬于一種信號裝置，主要作用是在系統工作時產生時鐘信號，促進整個系統按照一定次序展開工作。為保證時鐘電路充分發揮作用，在設計時盡量讓單片機與時鐘電路靠在一起，保證時鐘電路為單片機提供準確的時鐘信號。

復位電路主要是對電路進行清零處理，即讓所有電路都回到起始狀態，通過復位電路可促使機械結構恢復其最初形狀。

在以上各分電路支持下便組成控制整個機構的硬件系統。該硬件系統較為簡潔，且在實際設計過程中不會占據較大空間，僅僅通過幾塊PCB電路板便可實現。該種結構便于維護保養，在出現故障時可及時發現問題所在，恢復系統性能。在此基礎上，結合軟件系統便可實現系統控制。

3.2 軟件設計

軟件系統主要用于控制仿形系統在相應位置實現相應功能。上位機部分主要采用LABVIEW判斷仿形機構機械臂位置并將相應信息傳輸至單片機，通過單片機控制中心對其進行控制。

光電結構的發出和接收的光電信號需要進行處理，以此控制液壓缸結構，信號處理均通過控制中心實現。在接收和傳輸過程中，以光電信號作為基本介質，結構中的電機及電磁閥均通過光電信號進行控制。

仿形機構工作流程如圖7所示。

圖7 仿形機構工作流程Fig.7 Flow chart of profiling mechanism

該機構工作過程中，首先需要對其程序進行初始化處理，恢復各項參數，避免出現遺留數據對系統工作造成的影響。

系統正式工作后，需通過傳感器判斷果樹位置，并將收集到的圖像信息傳遞至單片機處理中心，將運動信息傳遞出來，控制仿形機構進行仿形動作。在仿形過程中，主要通過光線信號控制各個機械臂自身動作，在整個機構的配合下實現機構仿形過程；仿形結束后，便可進行噴霧作業，在噴霧完成后便恢復至初始狀態，機構通過底盤部分的移動裝置移至下一個噴霧地點，循環往復直至完成所有噴霧作業。

實際設計中以C語言作為編程語言，結合單片機展開作業，整個編程較為復雜，本處僅以最基本信號展示方式作為研究對象進行闡述。通過N0、N1以及N2分別表示不同顯示功能，兩兩自由組合一共可得出8種組合方式；結合相應指令及各式進行圖像顯示過程控制，通過3種組合可實現常見邏輯表示方式，如表1所示。

表1 顯示設置及組合邏輯

圖8 仿形噴霧操作實效圖Fig.8 Effect of profile spray operation

通過以上硬件及軟件便可實現對整個結構的控制，對其展試驗發現該機構可噴淋95%以上面積，符合噴霧需求，可用于實際生產。

4 結論

1)對傳統噴霧機構進行改進，對果樹進行仿形，并通過單片機作為控制中心芯片，設置多自由度機械臂，可展開多種姿勢，實現對果樹的有效仿形。通過光電信號作為命令傳輸結構，并在實際傳輸中通過液壓傳動裝置控制機械臂運動，可實現多種動作。

2)在設計中確定底座、支架、噴桿部分液壓裝置的相關參數，結合實際需求，硬件系統選擇STC12C5A08S2型號單片機作為控制系統的控制芯片，通過C語言作為編程語言，結合單片機展開作業，按照設定的流程進行編程，最終通過試驗確定本結構具有一定可行性。

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