PWM变浓喷射控制系统的设计与试验

摘要:变浓度喷施技术与变流量喷施技术相比，具有雾滴喷洒效果好、避免人药接触、作业后剩余药和水可回收重复使用(降低环境污染)等优势。为此，基于脉冲宽度调制(又称PWM)技术研发了变浓度喷施控制系统，以STM32F103单片机为控制核心，基于PWM技术精准调制整个系统，根据作物病虫草害的严重程度，在线配置不同浓度的农药进行作业。试验结果表明:基于PWM的变浓度喷施控制系统可行，控制系统响应时间少;喷洒效果良好，系统流量和蠕动泵单体流量误差在1%左右，最大不超过1.50%;实际喷洒浓度与预计喷洒浓度误差不超过2.71%。

关键词:植保;变量喷施;变浓度;PWM技术

引言

据统计，我国的农药利用率大约在38%，而美国、日本、以色列等国家的农药利用率均已达到70%以上[1-2]。由于农药有效利用率低、农产品农药残留超标、操作者中毒等问题突出，不仅造成资源浪费，还会对环境造成污染甚至影响作物生长。目前，植保机械和农药使用技术的落后现状与我国高速发展的农药水平不相称，已妨碍了农作物病虫害的防治[3-4]。为此，针对我国目前农药利用率低的现象及我国现阶段“低投入可持续农业”的发展方向，变量喷施技术已经越来越受到重视，目前我国大力推崇农机农艺融合基础上的精准、省药、绿色作业，变量喷施技术正与之契合[5-6]。

变量喷施技术是一种有效提高农药利用率的技术手段，可根据目标作业区域的病虫草害严重程度改变喷施农药的多少[7-9]，主要包括喷施决策的生成和喷施决策的执行两部分，目前已形成基于地理信息和实时传感技术两种喷施决策生成技术[10-11]。喷施决策的执行主要有流量调节、浓度调节、压力调节3种执行方式，目前研究较多的是流量调节技术。现有的变量喷施植保机械大多是一种“变流量”施药装备，若作业地块不同区域发病指数相差很大，则该施药装备会存在“小病情防治过量、大病情防治不足”的问题，需要遵循“轻症用轻药、重症用重药”原则进行作业。变浓度喷施技术与变流量喷施技术相比，具有雾滴喷洒效果好、避免人药接触、作业后剩余药和水可回收重复使用(降低环境污染)等优势，目前市场上还没有比较完善的变浓度喷施控制系统的装置[12-14]。

我国的农药生产技术处于国际先进水平，但施药器械与施药技术落后造成农药有效利用率低、环境污染、作物药害及操作者中毒等问题。目前，现有的变浓度喷施控制系统装置大多体积大、响应时间长、结构复杂。为改变此问题，基于PWM技术，采用水和药分开放置的结构，通过精准控制水和药的流通量，设计了一种可以根据作业区域病虫草害严重程度改变用药浓度自主混药系统[15-16]，以提高我国农药利用率、减小环境污染。

系统原理及组成

1.1系统原理

本研究是基于课题组自主设计研发的一种水箱药箱分开放置且能根据目标作业区域病虫草害的不同来改变所要喷施的药液浓度大小的智能变量喷施系统。基于PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)调制的变浓度喷施控制系统，预先采集好作业区域病虫草害处方图，将作业区域划分为若干个大小形状相同的小区域，根据各个小区域病虫草害的严重程度不同对其进行等级划分;利用PWM技术，在保证水加药总流量一定的情况下将等级信息导入单片机，对不同的等级制定不同浓度的农药使用量;单片机接受数据后，通过改变PWM占空比来控制蠕动泵的转速进而控制单位时间内流出的水和药的总量，以达到配出不同浓度农药的目的，持续作业以实现变量喷施浓度调节[17-19]。系统采用PWM控制电机转速的方法，精确控制单位时间内流过的水量和药量，其控制原理如图1所示。

图1中，纵坐标为计数器;横坐标为时间。当计数器的值小于比较寄存器CCR的值时，输出低电平;当计数器的值大于比较寄存CCR的值时，输出高电平。通过改变比较寄存器CCR的值，可以改变单个周期内高低电平的占空比，通过控制高低电平的占空比可以控制加持在蠕动泵两端的电压大小，达到控制转速的目的。

1.2病虫草害等级划分方法

首先，利用航拍或者遥感技术获取目标作业区域图像，将此区域划分成多个大小形状相同的小区域，小区域的大小可根据植保器械的喷幅和作业速度进行设定;然后，利用图像处理技术对航拍或遥感获取的作业区域图像进行处理分析，根据像素值的不同区分发病作物和不发病作物，统计每个小区域内发病区点的总像素个数，根据总像素个数的大小对其进行等级划分并生成处方图。笔者根据其病虫草害严重程度不同划分为5个等级，用数字代替，如图2所示。

3系统组成

基于PWM调制的变浓度喷施控制系统试系统由电源模块、控制模块、配药模块和施药模块4个模块组成。其中，电源模块为整个系统中各用电器件供电;控制模块用于调节蠕动泵的转速进而调节流出的水和药的总量;配药模块和施药模块用于将流出的水和药搅拌混合后经喷杆到达喷头处喷出。控制模块主要包括单片机、电子调速器、蠕动泵及流量计;配药模块包括水箱、纯药箱及混药器;施药模块主要包括喷杆和离心喷头。变浓度喷施控制系统总体布局如图3所示。为避免药液腐蚀造成控制器、电池等设备及电路损坏，将电子调速器、流量计、单片机及供电电池放置在密封盒中，在盒体上设置控制系统开关，并将单片机下载线引出，便于随时修改程序。

系统采用STM32F103单片机作为系统控制中心，系统内设有4个电子调速器，分别用于调节两个蠕动泵的转速以及两个离心喷头内电机的转速。通过改变蠕动泵的转速，可以调节用水量和用药量，进而达到配置不同农药浓度的目的;通过改变离心喷头内电机转速，可以改变雾滴粒径以及喷幅的大小。系统内设有5个病虫草害等级，可通过程序导入到单片机;另外，系统设置了遥控设备，采用USARTHMI液晶屏，设有启动作业和停止作业按钮。同时，在设置中设有5个等级，若等级不多可通过遥控器手动输入，输入后点击启动作业，系统会根据设置好的等级顺序依次进行作业。

控制模块及配药模块设计与分析

整个控制模块主要包括单片机、电子调速器、蠕动泵和流量计。流量计用于检测单位时间流过的流量大小，单片机是整个控制系统的核心，单片机上连接四个电子调速器，分别用于控制蠕动泵和喷头的转速。系统示意图如图4所示。其中，电子调速器2和8用来控制蠕动泵的转速，水流量计和药流量计分别用于检测流出水和药的总量反馈至单片机，单片机接收到数据后与预先设定好的数据进行对比并进行调整，电子调速器9和12用于调整离心喷头电机的转速，通过改变其转速大小可改变雾滴粒径大小和喷幅大小。

泵实际流量进行测量，得到如图5所示的曲线[20-22]。

配药模块包含水箱、纯药箱及混药器，水和药独立放置，蠕动泵在不同病虫草害等级下泵出的不同流量的水和药流入混药器。混药器中设置多个混药单元，流入的水和药在撞击到混药单元后增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流层，实现水和药的不断分割、剪切、重新混合，同时形成涡流形成剪切力作用于流体上使流体进一步混合，达到加速水药混合的效果。

蠕动泵采用KDS-FE-2-B17B无刷水泵，由驱动器、泵头和软管3部分组成。泵头包括泵壳和转辊子，工作原理是:驱动器在控制器的控制下，带动泵头内的转辊子对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体，两个转辊子之间会不断有流体进行运输。其流量计算公式为Q=2πRr2n(1)式中Q—蠕动泵流量(mL);R—转辊子外切圆半径(mm);r—泵管内径(mm);n—蠕动泵转速(rad/s)。

影响蠕动泵流量的因素主要包括转辊子外切圆半径、泵管内径和蠕动泵转速。其中，泵头的转速相比另外两个较为容易控制，通过修改脉冲的占空比(即修改比较寄存器的值)可以达到控制流体流量的目的。在修改蠕动泵比较寄存器大小的同时，对蠕动系统测试

3.1系统时间响应性能测试

近年来，我国对变量喷施浓度调节的研究越来越多，但大多系统延时过长，导致漏喷、勿喷现象的发生。在进行系统设计时，充分考虑到延迟问题，采用目前市场性能较好的STM32系列单片机控制整个系统。同时，对系统的整体结构设计进行了优化，使整个系统小型化，在保证混药充分、保证喷幅和喷洒效果的情况下缩短了管路。测试结果表明:单片机在控制整个系统改变电机转速时的延迟在几微秒;系统刚开始工作时，水和药经水箱、药箱流出后混合到达喷头的时间为2s;然后，不间断地按照预计用药浓度进行作业。在作业开始时，系统感应到液体流过喷头时发出指令，植保无人机或地面植保机械接收到指令，然后按照规划路线进行作业。系统测试现场如图6所示。

3.2系统流量控制性能测试

为避免在系统集成后系统流量和蠕动泵单体流量有误差，对5个不同混药浓度下系统每分钟实际流量和预期流量进行了测试，结果如表1所示。由表1可知:系统流量和蠕动泵单体流量误差在1%左右，最大不超过1.50%，在可接受范围内。

3.3雾滴喷洒效果测试

为了确保每个浓度下雾滴喷洒效果，分别用水敏纸收集了每个浓度下的喷洒效果，如图7所示。为避免误差，实验共采集5次数据，将收集的水敏纸逐一用HPDS1610扫描仪扫描，将扫描后的图像导入到图像处理软件DepositScan中依次进行分析;当软件进行雾滴分析后，求取平均值，得出不同混药等级下的雾滴沉积密度、雾滴覆盖率和平均雾滴沉积量，结果如表2所示。

由表2可以看出:5个混药等级下的雾滴沉积密度均在50个/cm2以上，雾滴的中值粒径能够反映所有雾滴的平均粒度;5个混药等级的中值粒径范围在120μm左右，通过调节喷头电机的转速可以改变离心力大小进而改变雾滴粒径大小;平均雾滴沉积量在1.179～1.210L/cm2之间，混药效果良好，且5个混药等级的中值粒径和平均雾滴沉积量相差在5%以内。

3.4系统浓度控制性能测试

为测试不同等级下的实际药液浓度和预计药液浓度的差别，使用紫外分光光度计进行浓度测试，结果如表3所示。

由表3可知:预计浓度和实际浓度误差最小为1.00%，最大为2.71%，整体误差不超过3%，处于误差范围内。分析此误差相比于流量误差较大的原因，可能有两点:一是在使用紫外分光光度计测试时有误差;二是管路构建有问题，混药室有待完善。

结论

提出了一种基于PWM技术可用于地面机械和无人机上的变浓度喷施控制系统，可根据作业区域的病虫草害程度改变喷施药液的浓度，并研制了样机，利用单片机控制蠕动泵的转速，以精确控制喷洒效果。

基于PWM的变浓度喷施控制系统喷洒效果良好，雾滴沉积密度在50个/cm2左右，不同混药等级的中值粒径和平均雾滴沉积量误差在5%以内。

单片机在控制整个系统改变电机转速的延迟在几微秒，系统初始工作，水和药经水箱、药箱流出混合后充满管路到达喷头的时间为2s;此后不间断工作，系统流量和蠕动泵单体流量误差在1%左右，浓度误差在3%以内。

系统喷洒的雾滴粒径在120μm左右，通过调节喷头电机转速可以调节雾滴粒径大小，以提升不同类型药剂的喷施效果。

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