基于C8051F的果樹施藥控制系統設計

摘要：為了提高果園施藥的作業效率和農藥使用率，介紹了一種參數可調的施藥機構及其控制系統。本系統基于SILICON公司C8051F020和C8051F340單片機作為微處理器，采用主從通訊方式，通過實驗室模擬調試和現場調試，實現了對執行機構和噴霧參數的有效控制。
關鍵詞：控制系統；C8051F；執行機構；噴霧參數

水果種植業是我國農業發展的重要組成部分，果樹病蟲害防治作業也越來越被重視。當下我國施藥水平總體偏低，主要表現在自動化技術落后、作業強度大、農藥浪費嚴重等問題。為了解決這一現象，提高果樹施藥噴霧效率和農藥附著率，文中設計了新型噴霧機構及其控制系統，該機構能夠針對不同果樹尺寸來調節噴霧距離。作業人員可以遠距離操作手持式控制器即可調節噴霧參數(包括每側噴霧頭的開閉、噴霧機構伸縮長度、軸流風機送風轉速等)，這在很大程度上降低了勞動強度，提高了施藥效果。

1 系統工作原理
本系統結合了機械和電子技術，由機械部分和控制部分構成。施藥噴霧過程中噴霧頭與冠層的距離要求適中，而果園內的果樹形狀尺寸各異，因此應用了電動推桿作為執行元件安裝于機械系統中；為了增加噴霧頭的射程、提高霧化效果，采用風送式噴霧，將多個噴霧頭置于由軸流風機驅動的轉葉風扇表面；為了調節風機轉速，選用了變頻調速器來適應不同冠層密度的果樹；為了增加作業效率，機械部分采用
兩側對稱的形式，可以同時對兩行果樹實施作業；為了操作可靠方便，系統中所有的參數值(噴霧頭的開閉、機構伸縮長度、軸流風機送風轉速、噴霧時間等)都由手持遙控器通過上位機與下位機之間的無線通訊來設定。
針對上述作業工況和技術要求，設計了施藥機構運動簡圖如圖1所示。整個機構固定于拖車尾部底盤上，由機動車牽引該噴霧機構在田間作業，而果樹位于每側噴霧架之中。

在圖1中，機構左右兩側空間上完全對稱，每側各有3個移動副和1個轉動副。單側安裝有4個軸流風機和霧化盤，安裝位置分別位于5、6、7、8處，每個霧化盤上設置有若干個噴霧頭，機車行進時打開噴霧頭和軸流風機即可實現立體噴霧。針對不同樹高，可以通過調節移動副1配合移動副3來保持噴霧頭與樹冠的距離；而調節移動副2則可以在寬度方向調節噴霧架跨度。轉動副4能夠實現每側機構繞其內側豎直軸轉動，當系統停止工作時通過轉動副4收起噴霧架，來減小機器的空間尺寸。移動副通過仿形電動執行器來實現。執行器實為一步進電機驅動的絲桿螺母機構，電機旋轉運動轉變為推桿的軸向運動。控制步進電機的正反轉和運行步數即可調節執行器的伸縮量。

2 控制系統硬件設計
根據噴霧作業要求，電控系統需要具備以下功能：驅動電動執行器內步進電機的正反轉，并且推桿能夠按照設定值執行伸縮；驅動液流電磁閥的通斷；通過操作變頻器調節軸流風機的送風速度；可以設定噴霧時間；能夠采用無線通訊方式通過手柄按鍵遠程作業，包括與變頻器的通訊。分析上述控制對象，擬定控制方法，并設計實用的人機界面，得出如圖2所示的控制系統硬件結構圖。