变量撒肥机设计参数研究及控制系统设计

3） 较高的 运 行 速 度。系 统 中 需 要 控 制 器 对 物 料 质量、行驶路 程 做 出 准 确 而 快 速 的 判 断，及 时 调 整 行 驶速度和物料投放速度。
根 据 以 上 实 际 需 求，本 系 统 选 用 工 业 级 STM32F103Ｒ8T6 作为本系统的核心微控制器。该微 控制器包含一个主频为 72MHz 的 AＲM 32 － bit CortexTM － M3 核 心，存 储 空 间 包 含 128 kb Flash 和 20kb SＲAM，43 个中断源，最多 47 个可用 I / O，包含有多个 PWM 输出单元；此外还包含 有 丰 富 的 接 口 模 块，如 I2 C 接口、UAＲT 和 CAN 等，宽工作电压，2． 0 ～ 3． 6V 皆可正常工作。 2． 2 控制系统设计
生产实践表明，在作物不同生长阶段，因地制宜施用 度对施肥量的影响。
肥料已经成为农事活动特别是作物增产措施的重要 内容［2］。合理利 用 化 肥 及 研 究 施 肥 技 术 对 我 国 农 业 发展有着非 常 积 极 的 意 义［3］。 变 量 施 肥 技 术 是 精 确
将固体颗粒肥料在排肥口开口大小一定的情况 下，在肥箱内 肥 料 平 面 以 下 的 不 同 高 度 测 其 流 量，每 次取 10 个不同高度，测得 10 个流量值，通过 8 次实验
践表明，变量施肥可大大地提高肥料利用率、减少肥 流量影响不大，在实际应用中可以不考虑高度对施肥
料的浪费以及多余肥料对环境的不良影响，具有显著 量的影响。
的经济、社会和生态效益。但传统的人工撒施肥料不
仅施肥劳动强度大、生产效率低，而且施肥均匀性差；
现有的撒肥机械当车速变化时，由于不能及时地改变
排肥量，使得 施 肥 量 随 车 速 增 大 而 减 少，不 能 满 足 农
在不同的撒肥机设计时应根据实际排肥口尺寸再做实
验，确定其函数关系。
2 撒肥机的硬件选择与设计
2． 1 撒肥机的整体结构 变量撒肥机由 车 速 信 息 采 集 系 统 、单 片 机 控 制 电
路、步进电机驱动系统、排肥设备等 4 部分组成。车 速信息采集系统由电磁传感器来完成，通过采集机具 的运行速度和设定的肥料施撒信息一起输入单片机 控制电路，经 过 运 算 得 出 所 需 的 脉 冲 数； 将 这 个 脉 冲 数输入步进 电 机 的 驱 动 器，控 制 步 进 电 机 变 速 转 动， 进而改变排肥口的大小，按需输出肥料。其变量施肥 机控制结构如图 3 所示。
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5 /10、6 /10、7 /10、8 /10、9 /10、10 /10 时测量肥料流完 需要的时间，重复进行 5 次，求其平均值；然后将不同 排肥口开度排完定量体积肥料的时间换算成单位时 间的排肥量（ 流量） ，得到排肥量与排肥口开度之间的 关系，如图 2 所示。从图 2 可以看出：所选用颗粒状 肥料在长方形排肥口条件下，排肥口开度与排肥流量 之间并不是线性关系 （ 阀门移动距离越大，排肥口开 度越大） ，而是呈抛物线函数关系。这表明，随着所需 流量的变化，排肥口开度也要符合抛物线函数关系变 化，才能提高施肥质量。
高 施 肥 质 量 。实 验 为 变 量 撒 肥 机 具 的 控 制 系 统 设 计 提 供 了 依 据 ，所 设 计 的 变 量 撒 肥 机 具 有 更 好 的 施 肥 性 能 。
关键词： 变量撒肥机； 施肥特性； 控制系统
中图分类号： S224． 22
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（2015）04 － 0114 － 03
本设计以 C 语言为开发平台，开发变量施肥机控 制系统［6］。该系 统 可 根 据 车 速 的 变 化 而 改 变 施 肥 口
度对施肥量对施肥影响不大，在撒肥机设计中可以忽 略不计；但排 肥 口 开 度 对 施 肥 量 有 较 大 影 响，在 产 品
开度大小，并对不同施肥口开度施肥流量用所得修正 设计中应加以控制。
图 2 排肥口开口大小与流量之间的拟合曲线
Fig． 2 Fitting curve between the size of the fertilizer ejector and flow
本机构中施肥机每公顷的排肥量 Q （ kg） 为
Q = 10 005 × q
（1）
vB
根据拟合曲线得到关系式如式（2） ，Ｒ 的检验值为
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2015 年 4 月 器和比较器组成，应用电路如图 4 所示。
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图 4 行程和车速检测电路
Fig． 4 Distance and speed detection circuit
2． 2． 2 控制脉冲输出 由于步进电机的驱动电源具有功率放大电路和
4 结语
脉冲分配器，因此单片机输出给步进电机的仅为 5V
图 1 瞬时流量与高度之间的关系 Fig． 1 Ｒelationship between instantaneous flow rate and height
1． 2 出肥口开度对施肥量的影响
排肥口形状有圆 形 、长 方 形 、正 方 形 多 种 形 式 ，本
收稿日期： 2014 － 04 － 09 基金项目： 陕西省农业机械科研开发项目（ SNJKY2012． 26） 作者简 介： 侯 蕊 （ 1987 － ） ，女，西 安 人，硕 士 研 究 生，（ E － mail ）
图 3 变量施肥机控制结构 Fig． 3 Variable manure spreader control structure
目前，微控制器的型号和种类有很多 （ 如 M3 系 列、MSP430 系列、STC51 系列等） ，每一款微控制器都 有自己的优势和适用的环境。本次设计对微控制器 的要求主要有：
［1］ 段洁利，李君，卢玉华． 变量施肥机械研究现状与发展对 策［J］． 农机化研究，2011，33（5） ：245 － 248．
［2］ 龚艳，丁素明，付锡敏． 我国施肥机械化发展现状及对策 分析［J］． 农业开发研究，2009，9（5） ：6 － 9．
［3］ 马旭，马成林，桑国旗，等． 变量施肥机具的设计［J］． 农业 机械学报，2005，36（1） ：50 － 53．
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农机化研究
第4 期
变量撒肥机设计参数研究及控制系统设计
侯 蕊，朱瑞祥
（ 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）
摘 要： 为 了 提 高 变 量 撒 肥 机 的 施 肥 精 度 ，尽 可 能 地 减 少 肥 料 浪 费 和 对 环 境 造 成 的 污 染 ，对 变 量 撒 肥 机 的 关 键
设计 参 数 进 行 了 研 究 。结 果 表 明 ，肥 箱 内 肥 料 高 度 对 排 肥 量 影 响 不 显 著 ，排 肥 口 开 度 和 施 肥 量 呈 比 例 函 数 关 系 ，
并 在 此 基 础 上 设 计 了 一 种 用 于 变 量 撒 肥 机 控 制 系 统 。该 系 统 可 以 根 据 撒 肥 机 的 车 速 变 化 控 制 排 肥 口 的 大 小 ，提
DOI:10.13427/ki.njyi.2015.04.027
0 引言
1． 1 肥料高度对施肥量的影响 变量撒肥机的肥箱有多种结构，如圆 筒 形、圆 锥
粮食生产在很大程度上依赖于作物品种的改进、 形、方锥形、方形等。在实际应用中，方锥形的肥箱应 生产技术的 完 善，以 及 施 肥 量、施 肥 效 率 的 提 高［1］。 用最广泛，因此选择一种方锥形的肥箱来研究肥料高
农业的重要组成部分，它根据作物生长的实际需要， 所得数据如图 1 所示。从图 1 看出，流量和高度之间
基于科学的施肥方法 （ 如养分平衡施肥法、目标产量 施肥法等） 对作物进行变量投入，即按需投入［4］。实
不成比例函数关系，流量始终在 0． 100kg / s 左右，上下 浮动不超过 10g，偏差范围不超过 1% 。因此，高度对
2） 农业自动导航中普遍使用 基 于 D － GPS 导 航 的方式，开 发 成 本 高［4 － 5］。 本 文 采 用 航 位 导 航 的 方
函数（ 公式 2） 进行修正，进一步提高施肥质量。其控
3） 基于单片机的撒肥机控制器，可以满足撒肥机
制系统流程图如图 5 所示。
变量控制需要，变量控制显著提高施肥精度［7］。
参考文献：
图 5 控制系统的运行流程图 Fig． 5 Operation flow chart of control system
1） 稳 定。系 统 工 作 环 境 比 较 复 杂，温 湿 度 变 化 大，而且灰尘 比 较 大，要 求 微 控 制 器 能 够 在 较 复 杂 环 境下正常工作。
2） 控制能力强。本系统中机电设备较多，包括两 个行走电机和一个物料投放控制电机，还包括行驶路 程检测等，这就要求选用的微控制器具有强大的控制 能力。
根据系统要求 ，整 个 单 片 机 控 制 电 路 包 括 机 具 作 业速度信号输入及控制脉冲输出等部分。 2． 2． 1 撒肥机行程和作业速度的采集
在本次设计中 ，机 具 的 作 业 速 度 是 一 个 不 可 忽 略 的因素。行程和车速检测一般都是采用光电传感器 或电磁传感器记录车轮或主轴转动圈数的方法。本 设计选用的 是 电 磁 传 感 器，在 主 动 轮 上 安 装 永 磁 体， 通过霍尔开关记录车轮转动圈数；用单片机对单位时 间内脉冲进行检测，测得到运行时的车速。选用的霍 尔传感器为 OH44E，该传感器体积小、功耗低、电路简 单、便于安装。行程和车速检测电路主要由霍尔传感
baobao19870221@ sina． com。 通讯作者： 朱瑞祥（1956 － ），男，陕西三原人，教授，（E － mail）zrxjdxy2006验所用肥料为普通颗 粒尿素。