小型固態(tài)有機肥施肥機的設計

陳思欣，何家成，何培祥

(西南大學 工程技術(shù)學院，重慶 400716)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國平均每公頃土地的化肥施用量高達434.3kg，是化肥使用上限的1.93倍。長期施用化肥在促進糧食增產(chǎn)的同時，也給土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)[1]。研究指出，合理利用有機肥料能夠在確保農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時，對提高土壤環(huán)境質(zhì)量有積極作用[1-3]。

為了普及有機肥的使用，我國科研機構(gòu)自主研發(fā)以拖拉機為動力平臺的施肥作業(yè)機，如針對玉米的2BMF-4C型[4]、2BML-2(Z)型[5]玉米免耕施肥機及針對小麥的2BMF-6型[4]、2BMD-12型[6]免耕施肥機。通過配合拖拉機，施肥機能夠?qū)崿F(xiàn)大面積耕地的高效作業(yè)[7]。我國西南地區(qū)耕地主要以山地丘陵為地貌特征，以小農(nóng)經(jīng)濟為經(jīng)營模式的分散的小面積耕地。因此，小型的作業(yè)機具更適用。為此，設計了一款小型固態(tài)有機肥施肥機。

有機肥施肥作業(yè)過程中，為了達到保護土壤環(huán)境及資源的合理利用的目標，必須控制施肥量[8]，所以在機具通過人力輔助行走時，施肥量必須為定值。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

小型固態(tài)有機肥施肥機主要由機架、肥料箱、排肥機構(gòu)、同步帶組、電機、行走速度檢測器、排肥量設定旋鈕及控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。工作時，電機通過同步帶組帶動排肥機構(gòu)運動進行排肥；控制系統(tǒng)根據(jù)當前施肥機的行走速度與設定的施肥量計算當前電機需要的轉(zhuǎn)速，依據(jù)得到的電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電機兩端的電壓從而使電機轉(zhuǎn)速達到計算值，以達到施肥機的施肥量只與設定值有關(guān)，與行走速度無關(guān)的目的。

1.控制開關(guān) 2.施肥量設定旋鈕 3.機架 4.排肥機構(gòu) 5.肥料箱 6.車輪及車輪轉(zhuǎn)速檢測裝置 7.同步帶組 8.電機

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 車輪轉(zhuǎn)速檢測裝置設計

車輪轉(zhuǎn)速檢測裝置包括霍爾傳感器、磁鐵及磁鐵固定盤，如圖2所示。磁鐵固定盤通過螺栓與車輪固定，磁鐵安裝在磁鐵固定盤的小孔中?；魻杺鞲衅髋c機架固定，當霍爾傳感器檢測到周邊存在較強的磁場強度時輸出低電平，否則輸出高電平。施肥機工作時，磁鐵固定盤隨著車輪一起轉(zhuǎn)動，機架相對于輪軸的位置不變。因此，每當磁鐵轉(zhuǎn)到霍爾傳感器正前方時，霍爾傳感器輸出低電平；霍爾傳感器位于2個磁鐵之間時，輸出高電平?？刂破魍ㄟ^檢測兩個電平變化之間的時間，再結(jié)合施肥機的機械參數(shù)即可計算出當前的車輪轉(zhuǎn)速。施肥機的行走速度與霍爾傳感器輸出的信號之間的關(guān)系為

(1)

式中v—施肥機的行走速度；

d—車輪直徑；

N—磁鐵個數(shù)；

t—霍爾傳感器輸出兩個上升沿的時間。

根據(jù)人的行走速度、施肥機車輪尺寸再結(jié)合式(1)，最終確定在磁鐵固定盤上安裝12個磁鐵，即車輪每轉(zhuǎn)過30°，霍爾傳感器輸出信號就由高變低一次。

1.機架 2.霍爾傳感器 3. 磁鐵固定盤 4.螺栓 5.磁鐵

2.2 排肥器的設計

排肥器包括同步帶組、承肥帶、傳動輪、電機，以及張緊器，如圖3所示。其中，傳動帶位于肥料箱底部并作為肥料箱的底板。刮肥板安裝在承肥帶上，并由螺絲固定，當承肥帶轉(zhuǎn)動由傳動輪帶動時，刮肥板也隨著承肥帶轉(zhuǎn)動。肥料導入肥料箱后，實際是落在了承肥帶上，刮肥板就把承肥帶上的肥料分成了許多小格。隨著承肥帶轉(zhuǎn)動，肥料在到達承肥帶底面時就會在重力的作用下脫離。

排肥器的實時排肥量由車輪轉(zhuǎn)速與預設的單位施肥量這兩個因素決定，每畝施肥量則可換算施肥機的為每米施肥量，因此排肥器的排肥量和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系就極為重要。設承肥帶的寬度為b、刮肥板高度為h、刮肥板間距為sg、肥料的密度為ρ，那么每個小格可存放的肥料質(zhì)量mg為

mg=ρ·hbsg

(2)

根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與傳動輪半徑可以計算出單位時間內(nèi)承肥帶轉(zhuǎn)過的距離之間的關(guān)系，即

(3)

式中s—單位時間內(nèi)承肥帶轉(zhuǎn)過的距離；

n—電機轉(zhuǎn)速(r/min)；

r—傳動輪直徑。

單位時間內(nèi)排出肥料的質(zhì)量為

(4)

式中M—單位時間內(nèi)排出肥料的質(zhì)量。

將式(2)與式(3)代入式(4)即可得到單位時間內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速與排肥機構(gòu)排肥量之間的關(guān)系為

(5)

1.張緊器 2.機架 3.排肥機構(gòu) 4.同步帶組 5.電機 6.刮板 7.傳動輪

3 硬件電路設計

3.1 電路框圖

電路框圖如圖4所示。硬件電路主要完成的信號采集工作為：采集車輪轉(zhuǎn)速，采集設定的施肥量，采集電池電壓，檢測工作開關(guān)。電路需要控制的變量為電機的轉(zhuǎn)速，從而控制排肥速度，報警指示燈的工作狀態(tài)。

3.2 電路原理圖

圖5為電路原理圖。由圖5可知：本電路需要單片機I/O口的個數(shù)較少，對單片機的運算速度要求不高，因此采用了美國mircochip公司的PIC18F13K22；其最大工作頻率為64MHz，具有12路精度為10位的A/D轉(zhuǎn)換通道，4個定時器模塊，1個捕捉模塊。

圖4 電路框圖

考慮到施肥機的功率較小，其電機的工作電流最大約為5A，因此采用了美國TI公司的DRV8432。該芯片集電機驅(qū)動的H橋與柵極驅(qū)動為一體，可驅(qū)動兩路電機，將輸出端并聯(lián)后其最大工作電流為14A，允許峰值工作電流為24A，并帶有過流保護功能。單片機只需要輸出正反轉(zhuǎn)指令以及用于調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的PWM信號給DRV8432即可。使用該芯片作為電機驅(qū)動電路與采用4個IGBT搭建的H橋電路相比，采用該芯片后有效地簡化了整個電路的復雜性，同時提高了電路的可靠性，縮小了硬件電路的體積。

圖5 電路原理圖

4 軟件設計

4.1 主程序設計

主程序流程圖如圖6所示。其主要功能為：單片機內(nèi)的各個模塊進行初始化、電池低電壓報警，以及在檢測到工作開關(guān)按下后調(diào)用施肥子程序。

圖6 主程序流程圖

在對單片機內(nèi)各個功能模塊進行初始化后，檢測電池電壓，如果電池電壓過低則進入報警程序。當電池電壓正常時，檢測工作開關(guān)是處于閉合狀態(tài)，如果為未按下則返回檢測電池電壓，如果按下則調(diào)用施肥子程序。

4.2 施肥子程序設計

施肥子程序流程圖如圖7所示。該程序的主要功能：由檢測車輪轉(zhuǎn)速經(jīng)運算后控制電機的轉(zhuǎn)速及施肥機行走速度過快報警。

程序檢測到車輪的轉(zhuǎn)速后，先進行轉(zhuǎn)速是否過快判斷，以確保計算出來的電機轉(zhuǎn)速是在電機的最高轉(zhuǎn)速內(nèi)；當檢測到施肥機行走速度過快時，停止電機轉(zhuǎn)動并進行報警。如果強行在施肥機行走速度過快時進行施肥，會導致實際施肥量無法達到設定施肥量的情況發(fā)生，且已施肥量無法確定。因此，當施肥機行走速度過快時，立即停轉(zhuǎn)并進行報警。當檢測到施肥機行走速度正常時，首先由檢測到的轉(zhuǎn)速計算出電機需要的轉(zhuǎn)速，其次再根據(jù)得到的電機轉(zhuǎn)速計算出需要脈寬調(diào)制的占空比并輸出相應的電壓。最后，由于改變電壓以后電機的轉(zhuǎn)速需要一定的響應時間，因此延時一小段時間后再回到主程序。

圖7 施肥子程序流程圖

5 試驗

5.1 試驗條件

為了測試該施肥機的實際工作性能，在西南大學的試驗田對該機的施肥精度進行了試驗。施肥機撒施的肥料為雞糞酒糟有機肥。試驗時，施肥機施肥量設置為4檔，分別為150、650、1 150、1 650kg/hm2；行走速度分別為V1、V2和V33檔，V1為勻速0.70m/s，V2為勻速1.2m/s，V3為變速(0～1.5m/s)。由于該施肥機由人工推動行走。因此，為了保證V1、V2為勻速運動，操作人員跟隨一個參考小車行走，該參考小車的速度可由人工進行設置；V3則為操作人員隨意推動行走。

5.2 施肥精度測試

在進行施肥精度試驗時，在不同施肥量的檔位下分別用V1、V2、V3進行施肥，并對施肥機施100m的實際施肥量進行記錄，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出：在不同設置施肥量下，施肥機實際施肥量稍低于理論施肥量，但其誤差皆在4%以內(nèi)，施肥精度高；并且在不同行走速度下，施肥機實際施肥量的差異甚小，從而驗證了理論上的施肥量與行走速度無關(guān)。

表1 施肥量精度試驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

1)本固態(tài)有機肥施肥機能夠在不同的行走速度下，根據(jù)所設定的施肥量進行施肥作業(yè)，施肥量只與設定值有關(guān)，與行走速度無關(guān)。

2) 本施肥機實際施肥量與理論施肥量的誤差控制在4%以內(nèi)，精度較高，滿足實際使用需求。