精準(zhǔn)施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、精準(zhǔn)施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引言 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥技術(shù)要求對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)分平衡研究,從而可以實(shí)現(xiàn)在每一操作單元上按照土壤、作物預(yù)計(jì)產(chǎn)量的不同而按需施肥,有效控制物質(zhì)循環(huán)中養(yǎng)分的輸入和輸出,防止農(nóng)作物品質(zhì)變差及化肥對(duì)環(huán)境的污染和破壞, 大大提高了肥料的利用率,降低生產(chǎn)成本,減少了多余肥料對(duì)環(huán)境的不良影響,增加了農(nóng)民收入 。 目前,我國(guó)化肥的生產(chǎn)量和施用量均居世界首位。合理地利用控制施肥方法及研究施肥技術(shù),對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著非常積極的影響。近年來(lái),我國(guó)氮肥的消費(fèi)量和作物的產(chǎn)量都在逐年增加,但是投入和產(chǎn)出極不相稱。據(jù)中國(guó)人口資源環(huán)境統(tǒng)計(jì)資料顯示,我國(guó)兩個(gè)時(shí)期正常農(nóng)業(yè)年份的化肥投

2、入和產(chǎn)出間出現(xiàn)了異?！氨侗汝P(guān)系”,效應(yīng)呈下降趨勢(shì)。1990 年的化肥投入量為2 590 萬(wàn)t, 是1965年投入量191萬(wàn)t的13. 56倍;而谷物總產(chǎn)1990年(4. 462億t)僅為1965年( 1. 945億t)的2. 29倍,谷物單產(chǎn)1990年(3 930kg/ hm2 )僅為1965年(1 635kg/hm2 )的2. 40 倍。我國(guó)氮素當(dāng)季利用率為30% 35% ,大大低于美國(guó)和日本的氮素利用率(可達(dá)60%70% ) ,而地域和養(yǎng)分不平衡又進(jìn)一步減少了肥效。同時(shí),我國(guó)的化肥還需大量進(jìn)口, 19%的年進(jìn)口尿素約占世界出口量的49. 5%。 肥料施用量的增加和利用效率的下降,不僅造成了

3、經(jīng)濟(jì)上的巨大損失,而且引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染。過(guò)多施用的肥料不僅造成了對(duì)地表水和地下水的持續(xù)污染,還增加了農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中有毒物質(zhì)的殘留,出現(xiàn)了地表水富營(yíng)養(yǎng)化、地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標(biāo)等問(wèn)題,化肥尤其是氮肥已成為主要的環(huán)境污染源之一 。這同時(shí)也給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)很大危害。 隨著環(huán)境問(wèn)題日益受到重視,如何在保證作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的同時(shí)提高氮肥的利用率(USE) ,防止或盡量減少作物生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境污染是我國(guó)政府、農(nóng)學(xué)家及生產(chǎn)者所必須解決的問(wèn)題。1變量施肥總體方案 本設(shè)計(jì)采用以實(shí)時(shí)控制的變量施肥形式,根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作物光譜信息分析氮的含量,由GPS獲取的田間位置信息,結(jié)合GIS查找該位置該物種在該生長(zhǎng)期氮的

4、最佳含量, 由差值數(shù)據(jù)的大小來(lái)實(shí)施控制決策。該控制系統(tǒng)以lm2 的尺度進(jìn)行變量控制施肥,系統(tǒng)方案如圖1所示。2硬件設(shè)計(jì)方案 2. 1主控芯片 主控芯片選用的是華邦公司的W77E58 型單片機(jī),可以在寬范圍的性能要求下實(shí)現(xiàn)高集成度和低成本的解決方案。它具有如下特點(diǎn):1) 高速性。W77E58 的外部工作時(shí)鐘頻率可達(dá)40MHz,而且由于W77E58 采用了重新設(shè)計(jì)的微處理器內(nèi)核,去除了多余的時(shí)鐘和存儲(chǔ)周期,運(yùn)行速度大大提高。2) 兩個(gè)增強(qiáng)全雙工串口W77E58。除了具有同80C32一樣的全雙工串口外,又增加了一個(gè)全雙工串口,其外部引腳RXD1, TXD1和P1. 2, P1. 3復(fù)用。3) 在W7

5、7E58 中, 有32kB 的可多次編程flashROM, 256字節(jié)的片內(nèi)RAM, 1kB 的片內(nèi)用MOVX指令訪問(wèn)的SRAM。2. 2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 2. 2. 1步進(jìn)電機(jī)選擇 步進(jìn)電機(jī)可以分成3 大類, 即反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR型) 、永磁式步進(jìn)電機(jī)( PM 型)和混合式步進(jìn)電機(jī)(HB 型) 。3 種類型中,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)存在噪音和震動(dòng)較大的缺點(diǎn),目前基本被淘汰; 永磁步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定,噪音和震動(dòng)較小,但輸出轉(zhuǎn)矩小;混合式步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榫哂蟹磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大和永磁式步進(jìn)電機(jī)噪聲小、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn),得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。 2. 2. 2D /A轉(zhuǎn)換專用芯片 TLC7226是TT公司

6、生產(chǎn)的包含4路8位電壓輸出的高性能D /A轉(zhuǎn)換器。在單個(gè)芯片上,帶有輸出緩沖攻大器和接口邏輯電路4路DAC的每一路都配備各自的片內(nèi)鎖存。數(shù)據(jù)通過(guò)公共的8 位TTL /CMOS兼容輸入口送入這些數(shù)據(jù)寄存器之一?？刂戚斎攵薉A0和DA1 決定W77E58 變低時(shí)哪個(gè)DAC被加載。由于所有4路DAC在同一芯片上同時(shí)制造,因此在4路之間能精確一致,每一路DAC包括一個(gè)輸出緩沖放大器,能提供高達(dá)5mA的輸出電流。 TLC7226變?yōu)槟M量。在方向邏輯控制信號(hào)作用下,可逆計(jì)數(shù)器自動(dòng)做加法或減法計(jì)數(shù)。這樣,每輸入8個(gè)步進(jìn)脈沖,就可得到1 / 2 個(gè)周期幅值為正的SIN - COS波形。經(jīng)過(guò)細(xì)分后, P1 和

7、P2 的波形為完整的近似正弦波,如圖2所示。 2. 2. 3功率驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) L298N是雙H橋高電壓大電流功率集成電路,直接采用TTL邏輯電平控制,可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。它的驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)46V,直流電流總和可達(dá)4A。其內(nèi)部具有2個(gè)完全相同的PWM功率放大回路。由L298N構(gòu)成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式。本文設(shè)計(jì)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。產(chǎn)生的PWM信號(hào)分別輸入到L298N使能端ENA ( ENB ) ,用以控制電動(dòng)機(jī)繞組輸入電壓的通斷。信號(hào)經(jīng)過(guò)處理輸入到L298N的INl ,IN2, IN3, IN4端

8、,用來(lái)確定電動(dòng)機(jī)繞組的電壓方向。采用兩只0. 5 的精密電阻測(cè)量電動(dòng)機(jī)兩相繞組電流,達(dá)到電流反饋的目的,實(shí)現(xiàn)細(xì)分。4個(gè)大功率二極管起續(xù)流作用。3軟件設(shè)計(jì)3. 1步進(jìn)電機(jī)主程序部分設(shè)計(jì) 主程序是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要程序,控制整個(gè)程序的流程,主要完成程序的初始化、中斷方式的設(shè)置、計(jì)數(shù)器工作方式的設(shè)置以及相關(guān)子程序的調(diào)用等,是一個(gè)順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)的程序,如圖4所示。 主程序負(fù)責(zé)生成控制步進(jìn)電機(jī)控制的脈沖頻率任務(wù),即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件資源的整體管理。為了使系能夠正常工作,主程序必須具有系統(tǒng)自檢和初始化功能。系統(tǒng)自檢包括CPU診斷、RAM和ROM診斷、I/O端口的診斷。3. 2步進(jìn)電機(jī)細(xì)分軟件設(shè)計(jì)

9、在細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序中,細(xì)分電流控制信號(hào)的輸出采用單片機(jī)片內(nèi)EPROM軟件查表法,用地址選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)不同通電方式下步距細(xì)分,實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置。波形函數(shù)細(xì)分值存在數(shù)組ucStepCurrent中。ucStepCurrent 32 = 0. 20. 38. 56. 71. 83.92. 98. 100. 98. 92. 83. 71. 56. 38. 20. 0. 20. 38.56. 71. 83. 92. 98. 100. 98. 92. 83. 71. 56. 38.20. 。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),采用中斷的方式從EPROM中獲得方向控制參數(shù)后,再根據(jù)方向控制參數(shù)確定ucStep- Stat加或減。確定ucStepStat后,以它為參數(shù),在數(shù)組ucStepCurrent中找到對(duì)應(yīng)波形函數(shù)細(xì)分值,程序流程圖如圖5所示。4結(jié)論 1) 首次將葉綠素測(cè)定儀應(yīng)用于施肥自動(dòng)控制系統(tǒng),在很大程度上解決了過(guò)去土壤測(cè)量的滯后性問(wèn)題,并且方案中給出了利用步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分來(lái)解決施肥的勻度問(wèn)題。 2) 當(dāng)前的精準(zhǔn)施肥技術(shù)體系不可避免地存在一些問(wèn)題,如氮測(cè)定儀器價(jià)格昂貴,測(cè)量數(shù)值為氮元素的相