變量噴霧機實時混藥系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳志剛，夏鄭偉，王鵬程，杜彥生

（1.江蘇大學 京江學院；2.江蘇大學電氣信息工程學院；3.江蘇大學 環(huán)境與安全工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，噴霧施藥是控制苗圃、果園病蟲草害行之有效的方法［1］?；焖幙刂葡到y(tǒng)作為施藥控制系統(tǒng)的核心之一，在施藥過程中起著十分重要的作用［2-3］。傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑過程中，農(nóng)藥混合和攪拌都是在噴灑之前進行［4-6］?；焖庍^程中人需要與農(nóng)藥接觸，對操作者有一定毒害危險，且混藥量很難掌握，混藥比精度低，多余的農(nóng)藥會造成環(huán)境污染和浪費［7-9］。為解決以上問題，在線自動混藥技術(shù)研究提上日程［10-12］。在線混藥系統(tǒng)將藥、水獨立放置，在施藥作業(yè)時自動混藥且對混藥比進行控制，能夠因地制宜，提高農(nóng)藥的使用效率、減少環(huán)境污染和作物農(nóng)藥殘留問題，是構(gòu)建綠色、環(huán)保生態(tài)環(huán)境的有效手段［13-15］。孫竹等［16］設(shè)計一種微小型注入式直流混藥器并進行實驗。該裝置采用直流變頻技術(shù)控制混藥泵流量，適用于柱塞泵噴霧機，但未考慮變量噴霧機使用情況，且未說明混藥比調(diào)節(jié)范圍；袁琦堡等［17］對實時混藥噴霧系統(tǒng)進行研究，通過改變控制信號的脈沖頻率調(diào)整精量柱塞泵轉(zhuǎn)速，達到控制供藥量目的，但其控制精度主要取決于柱塞泵精度，存在一定局限性。

本文設(shè)計一種可用于變量噴霧機的實時混藥系統(tǒng)，通過液位傳感器獲取緩沖罐液位信息，并據(jù)此控制混藥量，在滿足變量噴霧機農(nóng)藥使用的同時節(jié)約農(nóng)藥；通過試驗得出混藥系統(tǒng)實際工作時PWM 信號占空比與藥液流量的數(shù)學模型；根據(jù)該模型設(shè)計控制算法，采用PI 控制器對PWM信號的占空比進行反饋控制，使PWM 信號對藥液流量的調(diào)節(jié)更加快速準確，彌補了相關(guān)研究的不足；通過流量傳感器對水流量進行檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)混藥比的精確控制，混藥比調(diào)節(jié)范圍廣。

1 實時混藥系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

實時混藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由供水、供藥、混藥和控制4 部分組成。其中，供水部分包括水箱和隔膜泵，供藥部分包括藥劑罐和蠕動泵，混藥部分包括混藥器、空心錐形噴嘴和緩沖罐，控制部分包括基于STM32F407ZET6的嵌入式控制器、流量計、第一液位傳感器、第二液位傳感器等檢測元件，以及PWM 驅(qū)動模塊等執(zhí)行元件。系統(tǒng)工作時，水箱中的清水由隔膜泵泵出，經(jīng)流量傳感器進入混藥器，混藥器采用文丘里效應原理，將蠕動泵泵出的藥液吸入混藥管，清水和藥液在混藥管充分混合后射出，通過空心錐形噴嘴噴灑于緩沖罐中。緩沖罐下方裝有液位傳感器，對混藥量進行實時監(jiān)測。緩沖罐經(jīng)水泵與壓力表和變量噴霧機相連，進行農(nóng)藥噴灑。實時混藥系統(tǒng)實物如圖2 所示。

Fig.1 Real-time drug mixing system圖1 實時混藥系統(tǒng)

1.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

變量噴霧機實時混藥控制系統(tǒng)以STM32F407ZET6 單片機為核心，外部由電源模塊、供水控制模塊、供藥控制模塊、人機交互模塊、第一液位傳感器和第二液位傳感器組成，其中供水控制模塊包括驅(qū)動電路、隔膜泵和流量傳感器；供藥控制模塊包括PWM 驅(qū)動電路、蠕動泵和電壓反饋電路，系統(tǒng)功能如圖3 所示。

Fig.2 Real-time medicine mixing system圖2 實時混藥裝置

Fig.3 Composition principle of control system圖3 控制系統(tǒng)組成原理

電源模塊可將直流電源24V 轉(zhuǎn)換為多種低電壓形式輸出，滿足不同元器件供電需求。供水控制模塊通過驅(qū)動電路對單片機輸出的控制信號加以整形放大，隔膜泵根據(jù)控制指令調(diào)整工作狀態(tài)，并通過流量傳感器對流量進行檢測。供藥模塊通過PWM 驅(qū)動電路調(diào)節(jié)蠕動泵內(nèi)直流電機轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)蠕動泵輸出流量，通過電壓反饋電路對PWM 信號占空比進行反饋。人機交互模塊由觸控顯示屏通過串口與單片機通信，可通過觸控屏輸入混藥比目標值并顯示主要參數(shù)。

1.3 軟件與控制算法設(shè)計

實時混藥系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)藥液流量達到控制混藥比目的，藥液流量通過蠕動泵吸藥精準控制，蠕動泵由直流電機驅(qū)動，吸藥量與直流電機的轉(zhuǎn)速具有良好的線性關(guān)系［18］，直流電機轉(zhuǎn)速可通過改變電機兩端的驅(qū)動電壓進行調(diào)節(jié)［19］。工作電壓通過脈沖寬度調(diào)制信號的占空比進行改變，理想狀態(tài)下，工作電壓值等于信號源電壓與占空比乘積［20］。但在實際應用中，驅(qū)動電路的變頻電路和整流電路會存在一定程度損耗，導致實際輸出的工作電壓與理想值之間存在一定差距。本文通過試驗得出混藥系統(tǒng)實際工作時PWM 信號占空比與藥液流量的數(shù)學模型，根據(jù)該模型設(shè)計控制算法，并采用PI 控制器對PWM 信號的占空比進行反饋控制，使PWM 信號對藥液流量的調(diào)節(jié)更加快速準確。

1.3.1 PWM 產(chǎn)生方式

本系統(tǒng)對輸出頻率要求不高，可通過軟件編程方式實現(xiàn)PWM 信號輸出，PWM 信號中斷程序原理如圖4 所示。

Fig.4 PWM flow of timer interrupt generation圖4 定時器中斷產(chǎn)生PWM 流程

軟件方式產(chǎn)生的PWM 信號可通過單片機內(nèi)部定時器實現(xiàn)。產(chǎn)生PWM 信號需同時使用兩個定時器，其中一個控制頻率，另一個控制占空比。根據(jù)占空比計算公式（1）和（2）可知，定時器產(chǎn)生的中斷基準時間為單個周期的1%，即每溢出100 次，代表PWM 信號輸出一個完整運行周期。故中斷子程序定時器設(shè)置如下：

定時器溢出的前Nt次為高電平輸出，定時器溢出的后100-Nt次為低電平輸出，直至溢出次數(shù)達100 次。

式中：t0為中斷基準時間，單位s；T為周期，單位s；f為頻率，單位Hz；r為占空比；Nt為PWM 高電平對應溢出次數(shù)；Nd為PWM 低電平對應溢出次數(shù)。

為使PWM 信號對電壓的調(diào)節(jié)更加快速準確，本文采用PI 控制器對PWM 的占空比進行反饋控制。PI 控制器表達式如下：

式中：KP為比例系數(shù)；Ek為模塊本次實際輸出與控制輸出之間的誤差；Ek-1為模塊上次實際輸出與控制輸出之間的誤差；Ti為積分時間常數(shù)；T 為系統(tǒng)采樣周期，取100 ms。

由表達式可以看出，PI 控制算法只需進行兩次誤差計算即可得到合適的PWM 信號占空比輸出值。與相對復雜的PID 控制算法相比，PI 控制算法使用更加簡單，響應速度更快，更加適用于實時混藥控制系統(tǒng)。

1.3.2 混藥比控制程序設(shè)計

混藥控制系統(tǒng)啟動后，操作人員可根據(jù)不同的施藥情況通過觸控顯示屏輸入混藥比目標值。主控芯片采集流量傳感器發(fā)出的脈沖信號，對提供清水的隔膜泵流量進行計算，根據(jù)混藥比計算所需蠕動泵流量。通過蠕動泵流量與PWM 信號占空比之間的數(shù)學模型計算需要產(chǎn)生的PWM 信號占空比，進而生成PWM 調(diào)制信號。通過PI 控制器對PWM 信號進行反饋，使PWM 信號的調(diào)節(jié)更加快速準確。程序流程如圖5 所示。

Fig.5 Flow chart of mixing ratio control program圖5 混藥比控制程序流程

1.3.3 主程序設(shè)計

系統(tǒng)啟動后，用戶通過人機交互模塊輸入混藥比目標值。實時混藥控制系統(tǒng)分別通過第一液位傳感器和第二液位傳感器獲得水箱和緩沖罐的實時液位。當?shù)诙何粋鞲衅鳈z測到緩沖罐內(nèi)的液位低于設(shè)置的最低液位時，通過驅(qū)動電路使隔膜泵開始工作，同時由生成的PWM 調(diào)制信號控制蠕動泵精準吸藥，向混藥器持續(xù)注入清水和藥液，使緩沖罐內(nèi)液位上升。控制系統(tǒng)通過流量傳感器獲得隔膜泵吸水時的實時流量，對PWM 信號進行動態(tài)調(diào)整。當?shù)诙何粋鞲衅鳈z測到緩沖罐內(nèi)的液位高于設(shè)置的最高液位時停止混藥。在此過程中，車載變量噴霧機會根據(jù)實際需求從緩沖罐內(nèi)抽取一定量的藥水混合液，當緩沖罐內(nèi)液位低于設(shè)置的最低液位時，隔膜泵和蠕動泵重新啟動，繼續(xù)進行混藥，如此循環(huán)。當?shù)谝灰何粋鞲衅鳈z測到水箱水位低于警戒水位時，發(fā)出警報并停止混藥。程序流程如圖6 所示。

Fig.6 System control flow圖6 系統(tǒng)控制流程

2 試驗與分析

2.1 試驗材料

實時混藥系統(tǒng)所用水泵為上海新西山公司的DP-70隔膜泵，最大功率150W，額定電壓DC12V，最大流量19L/min，軟管管徑12mm。流量傳感器選用LWGY-MK-DN6型液體渦輪流量計（杭州米科傳感技術(shù)有限公司），量程為0.1～0.6 m3/h，檢測精度為±2%F.S，電流輸出為4～20mA，工作電壓為直流24V?；焖幈眠x用潤澤流體RZ1030-4 蠕動泵，采用直流電機驅(qū)動，額定功率5W，電壓為DC12V，流量140mL/min，軟管管徑3mm。直流穩(wěn)壓電源PS-305DM，可提供0～24V 直流電壓。藥液由水和染色劑按一定比例混合進行模擬。清水和藥液質(zhì)量稱量使用精量電子秤，精度為1%。計時采用秒表，精度為1ms。

2.2 藥液流量試驗

在蠕動泵工作電壓0～12V 內(nèi)選取8 個試驗電壓，分別為5、6、7、8、9、10、11、12V，通過直流穩(wěn)壓電源給蠕動泵供電。在各工作電壓下分別測量蠕動泵吸藥量，計時10s，計算得到蠕動泵工作電壓與吸藥量之間的變化關(guān)系如圖7所示。試驗表明，蠕動泵吸藥量也與工作電壓存在著式（4）所示的良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 99。

其中，L為蠕動泵流量，單位mL/min；C為蠕動泵工作電壓，單位V。

為通過調(diào)節(jié)占空比對藥液流量進行控制，本文將在不同占空比條件下對蠕動泵進行吸藥量試驗。選定信號源電壓為12V，PWM 頻率為1 000Hz，逐步改變占空比值，測量蠕動泵吸藥量。試驗采用多次測量取平均值方式，提高數(shù)據(jù)準確性。通過試驗測得蠕動泵流量—占空比特性曲線如圖8 所示。

Fig.7 Flow-voltage characteristic curve of peristaltic pump圖7 蠕動泵流量-電壓特性曲線

Fig.8 Characteristic curve of peristaltic pump flow-duty ratio test圖8 蠕動泵流量-占空比試驗特性曲線

2.3 藥液流量分析

如圖8 所示，蠕動泵流量與脈寬調(diào)制信號占空比之間的關(guān)系并非標準的線性關(guān)系，當占空比在76% 以上時，蠕動泵流量增長速率發(fā)生了變化。雖然蠕動泵的流量與調(diào)制信號占空比之間不再維持線性關(guān)系，但依然保持單調(diào)遞增的趨勢，兩者之間的函數(shù)關(guān)系可表述為連續(xù)函數(shù)。為實現(xiàn)對蠕動泵流量的精準控制，需要建立蠕動泵工作時的數(shù)學模型，求解流量與調(diào)制信號占空比之間的關(guān)系函數(shù)。當調(diào)制信號占空比小于76% 時，蠕動泵流量與占空比之間具有良好的線性關(guān)系，而當占空比大于76% 時則變?yōu)榉蔷€性關(guān)系，為使數(shù)學模型更加準確，這里采用分段函數(shù)進行處理。

當調(diào)制信號占空比處于48%～76% 之間時，對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，可得式（5）所示的數(shù)學模型方程，相關(guān)系數(shù)R2=0.99973。

其中：L為蠕動泵流量，單位mL/min；r為PWM 信號占空比。

當調(diào)制信號占空比處于76%～100% 之間時，利用Ori?gin 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，可得式（6）所示的數(shù)學模型方程，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 33。

其中：L為蠕動泵流量，單位mL/min；r為PWM 信號占空比；A1=-1 187.027 3，t1=2.434 01，A2=-1 435.096 5，t2=21.434 12，y0=165.282 01。擬合曲線如圖9 所示，可以看出均能較好地描述蠕動泵流量與調(diào)制信號占空比之間的關(guān)系。

Fig.9 Fitting curve of peristaltic pump flow-duty ratio圖9 蠕動泵流量—占空比擬合曲線

2.4 混藥比控制試驗與分析

根據(jù)蠕動泵流量與PWM 信號占空比關(guān)系的數(shù)學模型編寫控制算法，使得藥液流量能夠精確控制，進而對混藥比進行控制。將完成好的實時混藥系統(tǒng)搭載到南通廣益機電有限責任公司生產(chǎn)的3WG-8A 型風送式變量噴霧機上，對實時混藥系統(tǒng)進行混藥比控制試驗。由于不同情況下的施藥要求可能會發(fā)生變化，實時混藥系統(tǒng)需要對混藥比進行在線調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)選用的隔膜泵最大流量為19L/min，可實現(xiàn)混藥比140∶1 到400∶1 之間的實時調(diào)節(jié)。為了對混藥控制效果進行檢驗，本文選取混藥比分別為150∶1、200∶1、250∶1、300∶1、350∶1、400∶1 進行試驗。每次試驗時混藥系統(tǒng)持續(xù)運行20s，測量系統(tǒng)運行過程中累計的清水流量和藥液流量，計算得出混藥系統(tǒng)在該混藥比（累計清水流量與累計藥液流量的比值）下的實際比值。對每個混藥比分別進行3 次試驗，得到該混藥比的平均誤差，如圖10 所示。

Fig.10 Error of mixing ratio圖10 混藥比誤差

由圖10 可以看出，實時混藥系統(tǒng)在運行時會產(chǎn)生一定誤差，誤差范圍整體小于5%，且隨著混藥比增大誤差也有增大趨勢。這是因為混藥比越大，蠕動泵流量越小，對蠕動泵的精度要求越高。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了以STM32F407ZET6 單片機為核心的實時混藥系統(tǒng)，可根據(jù)不同的施藥環(huán)境設(shè)置混藥比，實現(xiàn)自動混藥。通過流量傳感器對水流量進行檢測，PWM 信號對藥液流量進行調(diào)節(jié)，采用PI 控制器對PWM 信號的占空比進行反饋控制，可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)混藥比準確控制?；焖幈瓤刂圃囼灡砻鳎涸O(shè)計的實時混藥系統(tǒng)混藥比在140：1 至400：1 之間在線可調(diào)，且控制誤差在5% 以下，能夠滿足大部分施藥需求。

系統(tǒng)能夠根據(jù)緩沖罐內(nèi)的液位情況控制混藥進程，液位過低時持續(xù)混藥，液位高于指定位置時停止混藥，使緩沖罐內(nèi)的藥水混合液保持在合理液位，便于配合變量噴霧使用，提高了農(nóng)藥利用率。

將脈寬調(diào)制技術(shù)與PI 控制方法應用于在線混藥系統(tǒng)可準確控制混藥比。但本文只研究了其對混藥比的影響，未研究其對混藥均勻性的影響，后續(xù)將進一步研究。