基于STM單片機的電動點芽器控制器設計

姜 鋮，張德銀，湯穎力，朱冉志，張丹丹，馮 濤

（1.宜賓市農業科學院，四川宜賓 644000；2.四川省煙草公司宜賓市公司，四川宜賓 644000）

0 引言

煙草的生長中存在頂端優勢，使煙草的營養優先供應生殖器官，使煙草的營養器官得不到充分的營養。而煙草主要是以得到葉片為目的的經濟作物，打頂能破除煙草的頂端優勢，使植株營養較為均衡的分配，在促進上部葉生長的同時，也使下部葉與打頂前相比，得到更多的營養。抑制煙芽的傳統方式現主要有三種：一是人工抹芽，即手工抹除；二是杯淋法施用抑芽劑，將化學抑芽劑通過稀釋，裝入瓶中，施用時擠出瓶中藥液，使其下流至各煙株腋芽上，達到抑制效果；三是手動煙株點芽器，通過點芽器的手動噴嘴施藥，達到抑制效果。上述三種抹芽方式都存在費工費時的問題，杯淋法和手動點芽器施藥還存在農藥浪費的問題。

2017年，福建林江匯發明一種電動煙草專用點芽器，由罐體、儲能裝置、水泵、手柄、微動開關等組成，通過連接開關將儲能裝置與水泵電性接通，這里的連接開關是總開關，此時將滴頭移動至煙草芽上，通過擠壓微動開關控制水泵將藥液排出，由于微動開關能夠自動復位并根據按壓下去的時間控制水泵輸出藥液的量。2018年，四川省煙草公司宜賓市公司屏山分公司發明一種電動點芽器，通過控制電機開關從而控制液體泵的啟停，同時，通過流量調節按鈕控制變頻器的頻率進而對液體泵的出液流量大小進行控制。2020年，四川省煙草公司宜賓市公司屏山分公司發明一種煙草電動點芽器，通過料桶外部且與自動出料設備連接的噴淋組件，由噴淋組件指向煙草頂部的葉芽進行滴灌，通過松開手柄開關，隔膜水泵自動斷電，電機停止作業，實現精準控制。

目前市場上的電動點芽器能實現自動出液，能對煙草葉芽進行滴灌，但其無法實現精準出液，定量施藥，手柄的機械按鈕容易損壞，搭配的隔膜泵出液時抖動大，噪音大等問題。本文對電動點芽器進行總的方案設計，著重研究了控制器，并確定了控制方案。

1 總體方案設計

第一，水泵的選型。現有隔膜泵出液時抖動大和噪音大的問題，可采用蠕動泵，其驅動電流小，電機抖動小。其自帶泄壓控制閥，可使泵體的液體自動減壓回流，防止壓力過大爆管。第二，施藥手柄開關的選型。按鈕式開關容易損壞，其內部有彈簧件易破壞。采用觸摸開關，其放置在手柄里不易損壞，可根據觸摸時間控制出液量。第三，控制方案的確定。根據電動點芽器的要求，控制模式分為點噴和直噴模式。在點噴模式中，長按5 s出液10 ml，短按1 s出液1 ml。在直噴模式中，按下即出液，斷開就停液。

2 硬件電路設計

2.1 控制器的總體結構設計

主控單元，在滿足設計要求前提下，盡可能降低設計成本，選用的是STC89C51RC單片機，40 Pin，LQFP的封裝，5 V供電，串口下載。控制器硬件組成圖如圖1所示。

圖1 控制器硬件組成圖

2.2 電源電路設計

由于系統電源采用12 V鋰電池供電，而水泵電機電壓直接影響其流量，為達到系統1 ml 控制精度要求，需將12 V電池電壓通過DC-DC線性降壓至9 V給電機供電，開環控制觸摸按鍵觸發后電機工作時間即能控制出液體積，如圖2所示。單片機及觸摸按鍵供電為5 V，還需要進一步將電壓線性降壓至5 V，如圖3所示。

圖2 電機電源電路設計圖

圖3 供電電路設計

2.3 觸摸輸入電路設計

觸摸按鍵電路已集成在控制板載上，因此觸摸電路需要進行接口設計，進行高低電平判斷即可，觸摸按鍵按下為低電平，空閑電平為高，如圖4所示。

圖4 觸摸接口設計圖

2.4 水泵控制電路設計

蠕動泵搭配的直流有刷電機，系統設計時不涉及電機的正反轉控制，只需控制電機的啟停。選用的MOS功率開關管，控制驅動電流，如圖5所示。

圖5 水泵控制電路設計圖

2.5 PCB設計

按照布局操作的基本原則，將連接12 V電壓的器件布局在電路板的邊緣部分，盡量減小對其他器件的影響，接口部分放在另一端邊緣處，減少各器件之間的影響。布局如圖6所示。

圖6 元器件布局圖

3 軟件設計與分析

3.1 觸摸識別

觸摸按鍵采用外部中斷掃描查詢，由于牽涉按鍵次數判定，必須使用消抖，本設計采用軟件延時消抖，延時根據不同靈敏度在10 ms左右調整。觸摸按鍵的多次觸發只記1次，通過狀態變量設計，一旦觸摸有效判定，則變量狀態改變，直至后續電機控制結束，自動清零回到初始值。

3.2 水泵控制

水泵控制是在觸摸按鍵有效判定之后，通過單片機對MOS開關管進行啟停控制。本設計在確保電壓恒定情況下，其流量的控制主要與電機工作時間成正比，即一旦觸摸按鍵觸發，開啟定時器同時電機工作，定時一段時間后改變電機狀態，達到流量控制目的。

4 測試標定

經測試標定，在12 V鋰電池線性降壓至恒定9 V驅動電壓下蠕動泵流量基本保持恒定。根據控制要求每觸發按鍵1次1 ml的出液體積和水泵電機工作時間成正比。水泵電機不同工作時間流量不同，調節水泵出液1 ml和10 ml的關鍵在于調節時間，最終標定為1 s出液1 ml，5 s出液10 ml。

5 結語

根據電動點芽器的要求，設計了基于單片機的電動點芽器控制器。根據電動點芽器的控制要求和對硬件資源的要求，利用Altium Designer軟件進行層次化設計，對電源電路、水泵控制電路、觸摸輸入電路等進行設計。分析控制對象的工作原理，確定程序設計的一個整體思路，并對各個功能模塊進行程序設計。