果园对靶施药控制系统设计

发布时间：2020-04-03 11:14

【摘要】：随着科学技术的不断发展，人们对食品安全更加关注，农药的使用与农产品安全问题更加突出。施药是农业生产中的重要环节，实行对靶变量施药是最大限度减少施药量和降低化学污染的重要技术措施。本文针对国外先进施药机械价格昂贵、多为大中型自走或牵引式施药机械，国内施药机械普遍存在农药有效利用率低、多采用大容量喷雾技术、自动化程度低等问题，借助传感器技术、风送喷雾技术，以嵌入式Linux为开发平台，设计了一套果园对靶施药控制系统。该系统通过传感器实时监测喷雾压力、流量、车速及靶标等信息，实现对靶精准施药。（1）确定系统总体设计方案根据项目设计总体要求，该控制系统应能根据车速变化实现喷药量的变量控制，借助靶标探测实现在线控制。通过多方案比较分析，确定了依据施药机行走速度变化和可触控LCD设定单位面积施药量，通过超声波传感器探测靶标信息实时调整喷药量,并能实现喷头的独立开闭的施药控制。（2）构建喷药量控制模型调节阀开度和时间成正比例关系，，据此建立了基于流量调节的PID控制算法模型，对施药量PID控制算法进行了试验验证，结果表明在单位阶跃信号输入下，施药量PID控制系统的响应时间为0.25s。（3）控制系统硬件设计根据系统方案，对系统执行、检测部件和其它硬件设备进行了选择；以Micro2440开发板为核心，设计了电源模块电路，信号采集模块电路和电磁阀、电动调节阀执行模块电路，并制作了控制器。（4）控制系统软件设计设计并实现了基于Linux的嵌入式控制系统。采用C++语言编写了由超声波传感器驱动程序、流量采集驱动程序、速度采集驱动程序组成的数据采集模块驱动和由电动调节阀驱动程序和电磁阀控制驱动程序组成的执行模块的驱动程序；以及由施药量控制程序、喷头状态显示程序、系统主界面程序、参数设定界面程序和数字软键盘界面程序等控制程序组成的人机交互界面程序。（5）系统调试及验证试验针对本研究设计的各个功能模块进行软硬件调试，结果表明：系统能正常工作并满足设计的功能要求；系统能够正常接收存传感器传送的施药参量数据，并可以进行实时显示；系统对速度、压力和流量的测量精度分别达到98.80%、97.39%和96.23%；在有效范围内系统可以通过对靶标的探测实现喷头的在线控制；采用PID控制算法对施药量进行了监测控制，精度为94.60%，表明系统施药量控制精度达到设计要求，该系统已达到应用水平，可用于果园施药机控制。
【图文】：

系统功能图,施药

2.1.1 系统功能要求本文设计的果园对靶施药控制系统将安装于西北农林科技大学机械与电子工程学院“丘陵山区果园喷药机械研发”项目组开发的 3WL-2 型果园风送施药机上。该施药机目前配备有 12 个施药喷头、1 个喷雾泵、1 个速度传感器、2 个超声波传感器、1 个流量传感器、1 个压力传感器、1 个电动调节阀和 2 个风箱，可执行对靶变量喷药。根据第一章的分析及目前的研究阶段，本文设计的对靶施药控制系统如图 2-1 所示，主要满足以下功能要求：（1）能够根据施药机行驶速度的变化情况，自动对施药机管道中药液压力和喷药流量进行检测和控制，保证单位面积施药量不变的施药作业。（2）可以实施施药在线监测；支持多种传感器以采集压力、流量和速度等施药参量，并采用触摸屏 LCD 显示器实时显示；同时，将采集的数据送数据处理中心进行处理。（3）可以通过系统控制器上的开关，实施喷雾作业的手动控制；通过超声波传感器探测的靶标信息对各个喷头的开闭进行控制，便于地头转弯停喷和改变作业施药幅宽。

示意图,系统总体结构,示意图,系统总体方案

系统总体方案.1 系统构成综合上述的方案比较，本文设计的超声波对靶施药控制系统总体构成主要由、泵、电动调节阀、电磁阀、速度传感器、压力传感器、超声波传感器和流嵌入式控制器(含 ARM 处理单元、LCD 触摸显示模块等)、PC 机(调试中用到喷头等部件组成。系统总体结构示意图如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP273;S49

【参考文献】