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1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總體方案

拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸連接藥液泵，開(kāi)始噴霧前打開(kāi)與藥箱連接的吸水閥門，關(guān)閉快速管接頭閥門;控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上電初始化設(shè)定好電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的初始開(kāi)度，通過(guò)觸摸屏設(shè)定工作模式和畝噴量，并打開(kāi)與噴頭連接的電動(dòng)閥;拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)后，藥液從藥箱通過(guò)吸水閥門、過(guò)濾器進(jìn)入藥液泵，控制系統(tǒng)通過(guò)速度傳感器實(shí)時(shí)采集作業(yè)速度，結(jié)合設(shè)定的畝噴量和采集的噴藥壓力，計(jì)算出理論的流量值，與采集到的實(shí)際流量值進(jìn)行比較;經(jīng)過(guò)PID算法調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使得實(shí)際流量值盡可能與理論流量值一致，從而實(shí)現(xiàn)變量噴霧。藥箱上安裝的超聲波液位傳感器檢測(cè)藥箱液位高度，通過(guò)觸摸屏顯示實(shí)際液位，當(dāng)液位低于設(shè)定的安全值時(shí)，觸摸屏顯示“液位過(guò)低”，進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)行駛到地頭轉(zhuǎn)彎作業(yè)時(shí)，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向控制傳感器的信號(hào)，關(guān)閉轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)側(cè)的閥門，防止重復(fù)噴藥。作業(yè)過(guò)程中，可以點(diǎn)擊觸摸屏的攝像頭按鈕切換到攝像頭界面來(lái)觀察噴霧效果。

2硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，包括DSP核心算法單元、電源電路、RS485、RS232、A/D轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、繼電器輸出電路，以及傳感器、電動(dòng)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥外圍電路、觸摸屏顯示電路。

2．1核心芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用TI公司的TMS320F28335DSP作為核心控制芯片。該芯片內(nèi)置了浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，能夠執(zhí)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，可以節(jié)省代碼執(zhí)行時(shí)間和存儲(chǔ)空間，具有精度高、成本低、功耗小、外設(shè)集成度高和數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)。

2．2電源電路TMS320F28335工作時(shí)所要求的電壓分為兩部分:3．3V的Flash電壓和1．8V的內(nèi)核電壓。TMS320F28335對(duì)電源很敏感，所以選擇TI公司的雙路低壓差電源調(diào)整器TPS767D301。TPS767D301帶有可單獨(dú)供電的雙路輸出:一路固定為3．3V，另一路輸出可調(diào)。設(shè)計(jì)中選取R49為20k，R50為12k，而且TPS767D301芯片自身能夠產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，不需要為DSP設(shè)置專門的復(fù)位芯片。要保證系統(tǒng)可靠的工作還需要有電源管理芯片，選用TI公司的TPS3305－33D來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)的3．3V和5V電壓。當(dāng)系統(tǒng)電壓降到允許范圍以下時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位，保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓影響。TPS3305－33D同時(shí)還具有看門狗功能，看門狗輸入信號(hào)WDI接DSP的XCLKOUT引腳。

2．3A/D轉(zhuǎn)換電路控制系統(tǒng)需要采集作業(yè)過(guò)程中的藥液溫度、壓力、流量、液位高度等模擬量，其中的流量、壓力轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后要進(jìn)行PID運(yùn)算。為了保證采集到的模擬量的準(zhǔn)確性，選用AD公司的AD7606－4芯片完成A/D轉(zhuǎn)換。它是16位、4通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)，采用單電源工作方式，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，無(wú)需驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和外部雙極性電源，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、方便。

2．4開(kāi)關(guān)量輸入電路開(kāi)關(guān)量輸入電路。速度傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一階RC濾波后，進(jìn)入光電耦合器，經(jīng)過(guò)74HC14取反后輸出幅值為5V的脈沖信號(hào)。由于TMS320F28335的I/O電壓為3．3V，所以輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)74LVC4245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為3．3V脈沖信號(hào)送入DSP的CAP引腳。轉(zhuǎn)向控制傳感器輸出高低電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入電路轉(zhuǎn)換為3．3V信號(hào)后送入DSP的普通I/O口，通過(guò)判斷I/O口的高低狀態(tài)來(lái)判斷轉(zhuǎn)向。

2．5繼電器輸出電路本文選用8路NPN達(dá)林頓管ULN2803來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。ULN2803內(nèi)部具有集電極開(kāi)路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管，輸入電壓值為TTL或5V的CMOS值，每路輸出電流可達(dá)500mA，輸出擊穿電壓高達(dá)50V，繼電器輸出電路。DSP輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)74LVC4245轉(zhuǎn)換后進(jìn)入U(xiǎn)LN2803，驅(qū)動(dòng)3路繼電器來(lái)控制3路電動(dòng)閥。繼電器選用OM-RON公司的G6B－1114P，控制電壓為5V，輸出電流為5A。

2．6RS485電路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是實(shí)現(xiàn)變量噴霧的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本系統(tǒng)選用IEV2B智能電動(dòng)閥門。該閥門采用伺服控制、絕對(duì)值定位、增量式調(diào)節(jié)等技術(shù)，能有效消除電動(dòng)及機(jī)械部分由于慣性、機(jī)械間隙、材料應(yīng)力彈性等原因造成的誤差;采用RS485總線控制，設(shè)計(jì)中選用美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1480B作為RS485數(shù)據(jù)通訊接口芯片。該芯片將光電耦合器、變壓器、DC－DC轉(zhuǎn)換器和二極管等器件組裝于單一28引腳封裝內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)完整的RS485收發(fā)器，可通過(guò)擺率限制來(lái)降低電磁干擾和反射，允許數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)250kbps

2．7RS232電路本系統(tǒng)選用MAX3232CSE作為RS232數(shù)據(jù)通訊接口芯片。該芯片配備專有的低漏失電壓發(fā)射器輸出狀態(tài)，通過(guò)雙電荷泵，在3．0～5．5V供壓下，表現(xiàn)出真正的RS232協(xié)議器件性能。

3觸摸屏設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的變量噴霧控制系統(tǒng)所有的工作參數(shù)都通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)置和顯示。觸摸屏(主界面如圖8所示)顯示作業(yè)過(guò)程中的流量、行駛速度、藥液液位、噴藥壓力、藥液溫度、作業(yè)面積等參數(shù)。點(diǎn)擊齒輪狀的設(shè)置按鈕進(jìn)入設(shè)置頁(yè)面來(lái)選定工作模式和設(shè)置作業(yè)參數(shù)，點(diǎn)擊閥右側(cè)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)可打開(kāi)各個(gè)電動(dòng)閥，點(diǎn)擊1號(hào)和2號(hào)攝像頭可以切換到攝像頭界面來(lái)觀察實(shí)際的噴霧效果。觸摸屏與控制器之間通過(guò)RS232串口進(jìn)行通訊?？刂破鹘?jīng)過(guò)串口初始化后，首先判斷接收是否超時(shí)，未超時(shí)則讀取接收緩沖區(qū)中第1個(gè)數(shù)據(jù)，并判斷該數(shù)據(jù)的低8位是否是通訊協(xié)議首字節(jié)0x5A，是則繼續(xù)讀取剩下的有效數(shù)據(jù);當(dāng)所有數(shù)據(jù)讀取完后，計(jì)算有效數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)和，判斷校驗(yàn)和是否相符，相符則說(shuō)明接收到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤;然后解析出數(shù)據(jù)幀中的心跳位并進(jìn)行處理，通過(guò)心跳位來(lái)判斷系統(tǒng)是否存在通訊故障，心跳位處理完后，數(shù)據(jù)寫入各自對(duì)應(yīng)的寄存器。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，采集的流量作為反饋，與根據(jù)畝噴量和作業(yè)速度計(jì)算出的理論流量進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后調(diào)整電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，保證實(shí)際流量與理論流量盡可能一致。

5試驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司研制的3WP－650噴桿噴霧機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，并在山東省德州市齊河縣延剛家庭農(nóng)場(chǎng)做了大量田間試驗(yàn)，控制系統(tǒng)全程工作正常。3WP－650噴桿噴霧機(jī)的作業(yè)幅寬為12m，以實(shí)際流量與理論流量的誤差率為例，噴霧機(jī)行駛在不同作業(yè)速度下，取作業(yè)幅寬L=12m，噴量設(shè)定N=20L/畝，記錄觸摸屏顯示的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所測(cè)數(shù)值和理論值之間的對(duì)照及計(jì)算出來(lái)的相對(duì)誤差本文設(shè)計(jì)的變量噴霧控制系統(tǒng)實(shí)際流量與理論流量的誤差在3%以內(nèi)，并且在不同的作業(yè)速度下流量值能隨著速度的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了變量噴霧的目的。

6結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于TMS320F28335的變量噴霧系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，可根據(jù)噴藥作物需要的藥量設(shè)定畝噴量，實(shí)現(xiàn)在不同作業(yè)速度下變量噴霧施藥的目的。該系統(tǒng)避免了噴藥過(guò)程中藥物的浪費(fèi)，提高了農(nóng)藥利用率。田間試驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，誤差率低，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。

作者：孫永佳孫宜田竇青青沈景新李青龍陳剛單位：山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院