基于STM單片機(jī)的電動(dòng)點(diǎn)芽器控制器設(shè)計(jì)

姜 鋮，張德銀，湯穎力，朱冉志，張丹丹，馮 濤

（1.宜賓市農(nóng)業(yè)科學(xué)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(zhǎng)中存在頂端優(yōu)勢(shì)，使煙草的營(yíng)養(yǎng)優(yōu)先供應(yīng)生殖器官，使煙草的營(yíng)養(yǎng)器官得不到充分的營(yíng)養(yǎng)。而煙草主要是以得到葉片為目的的經(jīng)濟(jì)作物，打頂能破除煙草的頂端優(yōu)勢(shì)，使植株?duì)I養(yǎng)較為均衡的分配，在促進(jìn)上部葉生長(zhǎng)的同時(shí)，也使下部葉與打頂前相比，得到更多的營(yíng)養(yǎng)。抑制煙芽的傳統(tǒng)方式現(xiàn)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(xué)抑芽劑通過(guò)稀釋，裝入瓶中，施用時(shí)擠出瓶中藥液，使其下流至各煙株腋芽上，達(dá)到抑制效果；三是手動(dòng)煙株點(diǎn)芽器，通過(guò)點(diǎn)芽器的手動(dòng)噴嘴施藥，達(dá)到抑制效果。上述三種抹芽方式都存在費(fèi)工費(fèi)時(shí)的問(wèn)題，杯淋法和手動(dòng)點(diǎn)芽器施藥還存在農(nóng)藥浪費(fèi)的問(wèn)題。

2017年，福建林江匯發(fā)明一種電動(dòng)煙草專用點(diǎn)芽器，由罐體、儲(chǔ)能裝置、水泵、手柄、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等組成，通過(guò)連接開(kāi)關(guān)將儲(chǔ)能裝置與水泵電性接通，這里的連接開(kāi)關(guān)是總開(kāi)關(guān)，此時(shí)將滴頭移動(dòng)至煙草芽上，通過(guò)擠壓微動(dòng)開(kāi)關(guān)控制水泵將藥液排出，由于微動(dòng)開(kāi)關(guān)能夠自動(dòng)復(fù)位并根據(jù)按壓下去的時(shí)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(fā)明一種電動(dòng)點(diǎn)芽器，通過(guò)控制電機(jī)開(kāi)關(guān)從而控制液體泵的啟停，同時(shí)，通過(guò)流量調(diào)節(jié)按鈕控制變頻器的頻率進(jìn)而對(duì)液體泵的出液流量大小進(jìn)行控制。2020年，四川省煙草公司宜賓市公司屏山分公司發(fā)明一種煙草電動(dòng)點(diǎn)芽器，通過(guò)料桶外部且與自動(dòng)出料設(shè)備連接的噴淋組件，由噴淋組件指向煙草頂部的葉芽進(jìn)行滴灌，通過(guò)松開(kāi)手柄開(kāi)關(guān)，隔膜水泵自動(dòng)斷電，電機(jī)停止作業(yè)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

目前市場(chǎng)上的電動(dòng)點(diǎn)芽器能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出液，能對(duì)煙草葉芽進(jìn)行滴灌，但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)出液，定量施藥，手柄的機(jī)械按鈕容易損壞，搭配的隔膜泵出液時(shí)抖動(dòng)大，噪音大等問(wèn)題。本文對(duì)電動(dòng)點(diǎn)芽器進(jìn)行總的方案設(shè)計(jì)，著重研究了控制器，并確定了控制方案。

1 總體方案設(shè)計(jì)

第一，水泵的選型?，F(xiàn)有隔膜泵出液時(shí)抖動(dòng)大和噪音大的問(wèn)題，可采用蠕動(dòng)泵，其驅(qū)動(dòng)電流小，電機(jī)抖動(dòng)小。其自帶泄壓控制閥，可使泵體的液體自動(dòng)減壓回流，防止壓力過(guò)大爆管。第二，施藥手柄開(kāi)關(guān)的選型。按鈕式開(kāi)關(guān)容易損壞，其內(nèi)部有彈簧件易破壞。采用觸摸開(kāi)關(guān)，其放置在手柄里不易損壞，可根據(jù)觸摸時(shí)間控制出液量。第三，控制方案的確定。根據(jù)電動(dòng)點(diǎn)芽器的要求，控制模式分為點(diǎn)噴和直噴模式。在點(diǎn)噴模式中，長(zhǎng)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(kāi)就停液。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主控單元，在滿足設(shè)計(jì)要求前提下，盡可能降低設(shè)計(jì)成本，選用的是STC89C51RC單片機(jī)，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(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)電源采用12 V鋰電池供電，而水泵電機(jī)電壓直接影響其流量，為達(dá)到系統(tǒng)1 ml 控制精度要求，需將12 V電池電壓通過(guò)DC-DC線性降壓至9 V給電機(jī)供電，開(kāi)環(huán)控制觸摸按鍵觸發(fā)后電機(jī)工作時(shí)間即能控制出液體積，如圖2所示。單片機(jī)及觸摸按鍵供電為5 V，還需要進(jìn)一步將電壓線性降壓至5 V，如圖3所示。

圖2 電機(jī)電源電路設(shè)計(jì)圖

圖3 供電電路設(shè)計(jì)

2.3 觸摸輸入電路設(shè)計(jì)

觸摸按鍵電路已集成在控制板載上，因此觸摸電路需要進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，進(jìn)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(shè)計(jì)圖

2.4 水泵控制電路設(shè)計(jì)

蠕動(dòng)泵搭配的直流有刷電機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不涉及電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，只需控制電機(jī)的啟停。選用的MOS功率開(kāi)關(guān)管，控制驅(qū)動(dòng)電流，如圖5所示。

圖5 水泵控制電路設(shè)計(jì)圖

2.5 PCB設(shè)計(jì)

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(duì)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(shè)計(jì)與分析

3.1 觸摸識(shí)別

觸摸按鍵采用外部中斷掃描查詢，由于牽涉按鍵次數(shù)判定，必須使用消抖，本設(shè)計(jì)采用軟件延時(shí)消抖，延時(shí)根據(jù)不同靈敏度在10 ms左右調(diào)整。觸摸按鍵的多次觸發(fā)只記1次，通過(guò)狀態(tài)變量設(shè)計(jì)，一旦觸摸有效判定，則變量狀態(tài)改變，直至后續(xù)電機(jī)控制結(jié)束，自動(dòng)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(guò)單片機(jī)對(duì)MOS開(kāi)關(guān)管進(jìn)行啟?？刂啤１驹O(shè)計(jì)在確保電壓恒定情況下，其流量的控制主要與電機(jī)工作時(shí)間成正比，即一旦觸摸按鍵觸發(fā)，開(kāi)啟定時(shí)器同時(shí)電機(jī)工作，定時(shí)一段時(shí)間后改變電機(jī)狀態(tài)，達(dá)到流量控制目的。

4 測(cè)試標(biāo)定

經(jīng)測(cè)試標(biāo)定，在12 V鋰電池線性降壓至恒定9 V驅(qū)動(dòng)電壓下蠕動(dòng)泵流量基本保持恒定。根據(jù)控制要求每觸發(fā)按鍵1次1 ml的出液體積和水泵電機(jī)工作時(shí)間成正比。水泵電機(jī)不同工作時(shí)間流量不同，調(diào)節(jié)水泵出液1 ml和10 ml的關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)時(shí)間，最終標(biāo)定為1 s出液1 ml，5 s出液10 ml。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)電動(dòng)點(diǎn)芽器的要求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的電動(dòng)點(diǎn)芽器控制器。根據(jù)電動(dòng)點(diǎn)芽器的控制要求和對(duì)硬件資源的要求，利用Altium Designer軟件進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)，對(duì)電源電路、水泵控制電路、觸摸輸入電路等進(jìn)行設(shè)計(jì)。分析控制對(duì)象的工作原理，確定程序設(shè)計(jì)的一個(gè)整體思路，并對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。