变量喷雾控制系统论文
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1系统结构设计及总体方案
拖拉机动力输出轴连接药液泵，开始喷雾前打开与药箱连接的吸水阀门，关闭快速管接头阀门;控制系统经过上电初始化设定好电动调节阀的初始开度，通过触摸屏设定工作模式和亩喷量，并打开与喷头连接的电动阀;拖拉机动力输出轴运转后，药液从药箱通过吸水阀门、过滤器进入药液泵，控制系统通过速度传感器实时采集作业速度，结合设定的亩喷量和采集的喷药压力，计算出理论的流量值，与采集到的实际流量值进行比较;经过PID算法调节电动调节阀的开度，使得实际流量值尽可能与理论流量值一致，从而实现变量喷雾。药箱上安装的超声波液位传感器检测药箱液位高度，通过触摸屏显示实际液位，当液位低于设定的安全值时，触摸屏显示“液位过低”，进行报警。当行驶到地头转弯作业时，控制器根据转向控制传感器的信号，关闭转弯半径内侧的阀门，防止重复喷药。作业过程中，可以点击触摸屏的摄像头按钮切换到摄像头界面来观察喷雾效果。
2硬件电路设计
控制系统硬件结构，包括DSP核心算法单元、电源电路、RS485、RS232、A/D转换电路、开关量输入电路、继电器输出电路，以及传感器、电动阀、电动调节阀外围电路、触摸屏显示电路。
2．1核心芯片系统设计采用TI公司的TMS320F28335DSP作为核心控制芯片。该芯片内置了浮点运算内核，能够执行复杂的浮点运算，可以节省代码执行时间和存储空间，具有精度高、成本低、功耗小、外设集成度高和数据及程序存储量大等优点。
2．2电源电路TMS320F28335工作时所要求的电压分为两部分:3．3V的Flash电压和1．8V的内核电压。TMS320F28335对电源很敏感，所以选择TI公司的双路低压差电源调整器TPS767D301。TPS767D301带有可单独供电的双路输出:一路固定为3．3V，另一路输出可调。设计中选取R49为20k，R50为12k，而且TPS767D301芯片自身能够产生复位信号，不需要为DSP设置专门的复位芯片。要保证系统可靠的工作还需要有电源管理芯片，选用TI公司的TPS3305－33D来监控系统的3．3V和5V电压。当系统电压降到允许范围以下时，产生复位信号使系统复位，保护系统免受低电压影响。TPS3305－33D同时还具有看门狗功能，看门狗输入信号WDI接DSP的XCLKOUT引脚。
2．3A/D转换电路控制系统需要采集作业过程中的药液温度、压力、流量、液位高度等模拟量，其中的流量、压力转换为数字量后要进行PID运算。为了保证采集到的模拟量的准确性，选用AD公司的AD7606－4芯片完成A/D转换。它是16位、4通道同步采样模数数据采集系统，内置模拟输入箝位保护，采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，无需驱动运算放大器和外部双极性电源，电路设计比较简单、方便。
2．4开关量输入电路开关量输入电路。速度传感器输出的脉冲信号经过一阶RC滤波后，进入光电耦合器，经过74HC14取反后输出幅值为5V的脉冲信号。由于TMS320F28335的I/O电压为3．3V，所以输出的脉冲信号经过74LVC4245进行电平转换，转换为3．3V脉冲信号送入DSP的CAP引脚。转向控制传感器输出高低电平信号，经过开关量输入电路转换为3．3V信号后送入DSP的普通I/O口，通过判断I/O口的高低状态来判断转向。
2．5继电器输出电路本文选用8路NPN达林顿管ULN2803来驱动继电器。ULN2803内部具有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管，输入电压值为TTL或5V的CMOS值，每路输出电流可达500mA，输出击穿电压高达50V，继电器输出电路。DSP输出的控制信号经过74LVC4245转换后进入ULN2803，驱动3路继电器来控制3路电动阀。继电器选用OM-RON公司的G6B－1114P，控制电压为5V，输出电流为5A。
2．6RS485电路电动调节阀是实现变量喷雾的主要执行机构，本系统选用IEV2B智能电动阀门。该阀门采用伺服控制、绝对值定位、增量式调节等技术，能有效消除电动及机械部分由于惯性、机械间隙、材料应力弹性等原因造成的误差;采用RS485总线控制，设计中选用美国MAXIM公司生产的MAX1480B作为RS485数据通讯接口芯片。该芯片将光电耦合器、变压器、DC－DC转换器和二极管等器件组装于单一28引脚封装内，构成一个完整的RS485收发器，可通过摆率限制来降低电磁干扰和反射，允许数据传输速率最大可达250kbps
2．7RS232电路本系统选用MAX3232CSE作为RS232数据通讯接口芯片。该芯片配备专有的低漏失电压发射器输出状态，通过双电荷泵，在3．0～5．5V供压下，表现出真正的RS232协议器件性能。
3触摸屏设计
本文设计的变量喷雾控制系统所有的工作参数都通过触摸屏进行设置和显示。触摸屏(主界面如图8所示)显示作业过程中的流量、行驶速度、药液液位、喷药压力、药液温度、作业面积等参数。点击齿轮状的设置按钮进入设置页面来选定工作模式和设置作业参数，点击阀右侧对应的开关可打开各个电动阀，点击1号和2号摄像头可以切换到摄像头界面来观察实际的喷雾效果。触摸屏与控制器之间通过RS232串口进行通讯。控制器经过串口初始化后，首先判断接收是否超时，未超时则读取接收缓冲区中第1个数据，并判断该数据的低8位是否是通讯协议首字节0x5A，是则继续读取剩下的有效数据;当所有数据读取完后，计算有效数据的CRC校验和，判断校验和是否相符，相符则说明接收到的数据准确无误;然后解析出数据帧中的心跳位并进行处理，通过心跳位来判断系统是否存在通讯故障，心跳位处理完后，数据写入各自对应的寄存器。
4控制系统软件设计
控制系统采用闭环控制，采集的流量作为反馈，与根据亩喷量和作业速度计算出的理论流量进行比较，经过PID运算后调整电动调节阀的开度，保证实际流量与理论流量尽可能一致。
5试验结果
本文设计的控制系统在山东卫士植保机械有限公司研制的3WP－650喷杆喷雾机上进行了应用，并在山东省德州市齐河县延刚家庭农场做了大量田间试验，控制系统全程工作正常。3WP－650喷杆喷雾机的作业幅宽为12m，以实际流量与理论流量的误差率为例，喷雾机行驶在不同作业速度下，取作业幅宽L=12m，喷量设定N=20L/亩，记录触摸屏显示的作业数据进行统计，所测数值和理论值之间的对照及计算出来的相对误差本文设计的变量喷雾控制系统实际流量与理论流量的误差在3%以内，并且在不同的作业速度下流量值能随着速度的变化而变化，实现了变量喷雾的目的。
6结语
本文设计的基于TMS320F28335的变量喷雾系统具有测量精度高、操作简单、工作稳定可靠等特点，可根据喷药作物需要的药量设定亩喷量，实现在不同作业速度下变量喷雾施药的目的。该系统避免了喷药过程中药物的浪费，提高了农药利用率。田间试验结果表明:该系统性能稳定可靠，误差率低，对农业生产和提高经济效益具有重大的意义。
作者：孙永佳孙宜田窦青青沈景新李青龙陈刚单位：山东省农业机械科学研究院
