基于PWM的電控精量噴霧控制系統設計與試驗*

王亞林，印祥，楊爽，姚海斌，馬文鵬，金誠謙，2

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院,山東淄博,255000;2. 農業農村部南京農業機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

作物病蟲草害防治是農業生產中的重要環節,決定著農作物的質量和產量,目前,施用農藥仍然是最有效和使用最廣泛的防治方式[1-3]。我國是農藥生產和使用大國,農藥生產技術處于國際先進水平,但植保機械和農藥使用技術卻比較落后,存在農藥有效利用率低、環境污染嚴重、殘留超標等問題[4-6]。傳統高地隙噴桿噴霧機作業時各噴頭噴藥量相同,而農田病蟲草害的區域性分布則要求噴藥機根據田間實際情況按需施藥[7-9]。因此,實現每個噴頭獨立控制噴藥量,使得控制系統能根據植保機械的行進速度和田間病蟲草害及作物生長的差異性實時自動調整農藥的施用量,對保護環境以及提高變量噴霧精準度有重要意義[10-11]。

國內外專家從不同方面對變量噴霧技術進行了深入研究。Grella等[12-13]研究了PWM占空比和前進速度對葡萄樹噴霧覆蓋率的影響,試驗結果表明在實際工作中占空比和前進速度對噴霧均勻性的影響不大。楊文超等[14]基于北斗定位系統和機器視覺,設計了一種變量噴霧系統,研究了植株稀疏度和車體速度對噴霧覆蓋率的影響,實現了依據植株稀疏度和車速進行變量施藥。王潤濤等[15]基于模糊控制,設計了一種車速跟隨自適應變量噴霧系統,研究了不同車速下單位面積噴藥量的誤差。王定康等[16]針對變量噴霧系統響應時間較長等問題,設計了一種基于單神經元PID控制的變量噴霧系統,實時調節PID參數,精準調節噴霧流量。陳曉明[17]設計了實時精確變量噴霧系統,在噴藥時對藥液濃度進行實時監測和調整。Lebeau等[18-19]設計了基于噴桿速度變化的PWM變量施藥控制系統,研究了噴桿速度變化對噴霧沉積分布均勻性的影響,經過試驗采用頻率為16 Hz 的控制器進行補償。Mangus等[20]設計了PWM噴霧控制系統,研究了行駛速度和噴霧帶寬度變化對噴霧覆蓋度的影響。上述研究對PWM變量噴霧的噴霧特性和控制策略提供了重要理論依據,但是在田間噴霧作業中,還需要提高噴霧控制器的響應速度及控制精度。

針對現有變量噴霧系統精準化程度低、農藥有效利用率低等問題,設計了基于PWM的電控精量噴霧控制系統。該控制系統主要由上位機、噴霧控制器、電子開關、電控噴嘴體組成,輸出多路PWM信號獨立控制每個噴頭,實現每個噴頭流量的實時調節。通過不同壓力下實際占空比和設置占空比的對比試驗來驗證系統的實際控制效果,以期實現噴頭獨立控制,提高變量噴霧精度。

1 精量噴霧控制系統設計

1.1 精量噴霧控制系統的設計需求

針對現有變量噴霧系統精準化程度低、農藥有效利用率低等問題,本文設計了基于PWM的電控精量噴霧控制系統,所研制的電控精量噴霧控制系統安裝在自走式高地隙噴藥機噴桿上,如圖1所示,由于自走式高地隙噴藥機的噴幅較寬,在噴霧覆蓋范圍內施藥量是不同的,需根據車速、作物、病蟲害等情況調整,所以需要獨立控制每個噴頭,實現施藥量的實時精準調節。為了滿足噴藥機基本噴霧參數和噴頭獨立控制的需求,控制系統需要輸出多路PWM信號,獨立控制每個PWM變量噴頭,根據500 L、1 000 L、1 500 L容量的自走式高地隙噴藥機的噴頭數量,分別需要18、30、36路PWM信號。要求精量噴霧控制系統能夠輸出多路PWM信號獨立控制每個噴頭,為了便于擴展和提高系統穩定性,采用分組控制,每個控制器輸出6路PWM信號。為了保證噴頭獨立控制時的控制精度和工作性能,對電控噴嘴體提出如表1所示的技術指標。

表1 電控噴嘴體主要技術指標Tab. 1 Main technical indexes of electronic control nozzle body

圖1 自走式高地隙噴藥機

1.2 精量噴霧控制系統構成

基于PWM的電控精量噴霧控制系統主要由上位機、噴霧控制器、GNSS接收機、電子開關、電控噴嘴體等組成,如圖2所示。上位機用于輸入噴藥量,并將其發送給噴霧控制器,同時用于實時顯示系統工作狀態;GNSS接收機選用美國天寶BD982雙天線定位定向接收機,用于實時采集作業設備的位置和速度信息,并通過CAN總線發送給噴霧控制器;噴霧控制器以PIC18F258單片機作為核心,根據接收到的噴藥量和作業速度信息,輸出PWM控制信號,控制多個電子開關通斷;電控噴嘴體與電子開關相連,在電子開關閉合時,噴頭打開,藥液噴出,在電子開關斷開時,噴頭關閉,藥液停止噴出。通過改變PWM信號的占空比和頻率就可以改變噴霧流量的大小。

圖2 PWM電控精量噴霧控制系統組成

2 硬件系統設計

2.1 電控噴嘴體

如圖3所示,電控精量噴嘴體主要由電磁吸合機構、連接螺帽、雙向通水閥、噴體、噴嘴等部分組成。

圖3 電控噴嘴體

電磁吸合機構主要包括電磁線圈外殼、電磁線圈、繞線骨架、定鐵芯、閥芯、復位彈簧、套筒等。當電磁吸合機構的線圈通電時,其內部磁場磁化定鐵芯、閥芯,閥芯受磁場力作用被吸附遠離雙向通水閥出水口,藥液從噴嘴出水口噴出;當電磁線圈斷電時,磁場消失,閥芯在復位彈簧的作用下向遠離鐵芯的一端移動將雙向通水閥的中央通孔堵住,藥液被阻斷。通過調節PWM占空比,即噴頭單個周期內的通斷時間,就可以調節噴霧流量。

2.2 單片機選型

該控制系統控制器單片機選用Microchip公司的PIC18F258單片機,共有28個引腳,最大時鐘頻率為40 MHz,可以與CAN總線接口、I2C、SPI和USART進行通信,且包含AD轉換模塊和CCP模塊,可以輸出PWM信號,工作溫度為-40 ℃～85 ℃。該單片機具有工作穩定性和可靠性高、代碼效率高、外圍接口多和低功耗等優點,能夠適應農業場景下的惡劣環境,能夠滿足精量噴霧控制的需求。

2.3 噴霧控制器

噴霧控制器作為PWM電控精量噴霧控制系統的核心,用以接收上位機發送的噴藥量并將之轉換成PWM信號控制電子開關通斷的頻率和占空比,使藥液按照設置的噴藥流量噴出。噴霧控制器以PIC18F258單片機作為中央處理器、PCA82C250為CAN總線芯片、MAX232為電平轉換芯片、MOS管作為電子開關,此外還包括時鐘電路、復位電路等。噴霧控制器原理框圖如圖4所示。

電源通過電源穩壓模塊與單片機相連,保證工作時可以穩定的為單片機提供電源。上位機通過CAN總線與單片機相連,將預先設定好的噴藥量發送給單片機。噴霧作業過程中,根據實時接收的噴藥量,并換算成PWM信號,通過改變PWM信號的占空比,控制每個電子開關的通斷時間,獨立控制每個電控噴嘴體的噴霧流量。變量噴霧要求獨立控制每個噴頭的噴霧流量,自走式高地隙噴藥機的噴頭數量大部分大于18個,需要多個控制器進行控制,為實現多個噴霧控制器和上位機的實時傳遞,變量噴霧控制系統設計了CAN總線模塊,實現控制單元和各個子系統的信息傳遞,CAN總線模塊的電路原理圖如圖5所示。

圖5 CAN總線模塊

變量噴霧控制系統各個模塊的通信接口不一致, 需要進行RS232串口和TTL串口轉換, 為了實現各模塊間的正常通信, 設計了串口轉換模塊, 其電路原理圖如圖6所示?？刂破鲗嵨锶鐖D7所示,PIC單片機通過CAN總線與上位機通信,接收上位機設置的噴藥量,并將作業參數返回到上位機。

圖6 串口轉換模塊

圖7 噴霧控制器實物圖

PIC單片機通過CAN總線模塊與其他控制器進行通信,將上位機接收到信息發送到每一個控制器。每個控制器包括六個電子開關,電子開關電路圖如圖8所示,每個電子開關由一個MOS管、三個電阻、一個LED燈組成,通過RC口輸入的電平信號控制電子開關的通斷,RC口輸入高電平信號時,電子開關閉合,LED燈打開,噴頭噴出藥液;RC口輸入低電平信號時,電子開關斷開,LED燈關閉,噴頭停止噴出藥液。

圖8 電子開關電路圖

2.4 上位機

為了更好地進行操作和顯示系統工作狀態,本文采用HMI串口屏設計了上位機界面,進行信息顯示和數據發送。上位機界面如圖9所示, 包括主頁面、手動輸入頁面和顯示頁面,主頁面可以選擇常量模式、手動輸入和處方圖施藥。常量模式為每個噴頭都是最大流量進行噴霧;處方圖施藥是農機當前位置,自動從處方圖中尋址讀取相應的施藥量,按照設定好的處方值進行噴霧;手動模式是手動輸入每個噴頭的流量發送到單片機;顯示頁面用來顯示噴霧壓力、噴霧流量、剩余藥量、前進速度、經緯度等作業參數。上位機通過串口與單片機進行通信,將每個電控噴嘴體的噴藥流量發送至PIC單片機,并將噴霧工作的相關信息傳輸到HMI串口屏實時顯示。本文所采用的串口屏分辨率為800像素×480像素,工作溫度為-20 ℃～+70 ℃,工作電壓為4.65～6.5 V,采用ASCII碼字符串進行串口通信。

(a) 主頁面

(b) 處方施藥頁面

(c) 設置頁面

(d) 顯示頁面

3 軟件系統設計

3.1 流量調節算法

本研究采用噴霧控制器輸出的多路獨立可調的PWM信號控制變量噴頭實現變量噴霧。PWM脈寬調制技術是利用處理器的數字輸出對模擬電路進行控制,通過改變脈沖信號的頻率和占空比,進而改變高低電平的輸出時間。PWM占空比為單個脈沖周期高電平輸出時間與脈沖周期之比,脈沖信號占空比計算公式如下。

(1)

式中:α——脈沖信號占空比;

t0——導通時間(高電平輸出時間),s;

T——脈沖周期,s。

PWM占空比越大,高電平輸出時間越長,噴頭打開時間越長,單位時間內噴出藥量越多;反之,高電平輸出時間越短,噴頭打開時間越短,單位時間內噴出藥量越少。所以電控噴嘴體實際流量、脈沖信號占空比和電控噴嘴體最大流量存在以下關系。

Q0=a·α+b

(2)

式中:Q0——電控噴嘴體實際流量,L/min;

a、b——常數。

實際作業過程中,機器的行駛速度是變化的,作業速度變化大將直接導致單位面積施藥量不均勻,為了保證噴霧效果,在車速變化時要實時改變噴霧流量。機器行駛速度、施藥量、噴幅和噴霧流量之間存在以下關系。

(3)

式中:Q——施藥量,L/hm2;

v——機器行駛速度,km/h;

l——作業幅寬,m。

根據式(2)和式(3)可以得到脈沖信號占空比、機器行駛速度和施藥量之間的關系。

(4)

3.2 多路PWM信號

變量噴霧控制系統通過控制器輸出的多路獨立可調的PWM信號控制每個電控噴嘴體的通斷時間,其控制流程圖如圖10所示。

圖10 PWM信號輸出流程

因為每個控制器需要獨立控制多個噴頭,所以首先識別出噴頭ID,根據每個噴頭設置的不同噴藥量計算出每個噴頭的占空比。PIC單片機有自帶的PWM模塊,首先將PIC單片機的CCP模塊設置成PWM模式,并將PWM引腳設置為輸出,通過單片機的定時器進行計時,設置PWM信號的占空比,輸出PWM信號。

3.3 軟件設計

根據變量噴霧的基本作業要求、流量調節算法等要求,基于MPLAB IDE開發環境開發了精量噴霧控制程序,設計了PWM電控精量噴霧控制系統的工作流程,如圖11所示。系統初始化后,PIC18F258單片機首先接收上位機輸入的噴藥量,并根據式(4)將噴藥量換算成PWM信號,并輸出多路PWM信號控制每個電子開關的通斷,每個電子開關控制一個電控噴嘴體的通斷,當電控噴嘴體打開時藥液噴出,電控噴嘴體關閉時藥液停止噴出,通過改變單位時間內電控噴嘴體的通斷時間,即可改變噴霧流量,實現精量噴霧。

圖11 PWM電控精量噴霧控制系統工作流程圖

根據圖11所示的工作流程,本文在單片機開發環境下,完成了PWM精量噴霧控制程序的編寫,并利用PICkit3燒錄器將程序下載到PIC18F258單片機,進行調試和試驗驗證。

4 試驗與結果分析

為評價所設計的PWM電控精量噴霧控制系統的工作性能,將所研制的控制系統裝置安裝于精量噴霧測試實驗臺上,于2022年9月在山東理工大學農業裝備實驗室對控制系統的實際控制效果進行試驗。

4.1 性能試驗

作為PWM精量噴霧技術的主要參數,占空比直接決定了噴霧流量的大小,如果噴頭單個周期內的通斷時間與設置的通斷時間誤差較大,會導致噴霧精度下降。為驗證所設計的PWM電控精量噴霧控制系統的控制精度,測試了噴霧系統的響應時間和噴嘴噴霧的實際占空比。

試驗裝置包括精量噴霧測試實驗臺、高速相機、補光燈、噴霧控制器、電控精量噴嘴體等,如圖12所示。噴頭上連接的噴嘴為11003標準扇形噴嘴,噴霧角為110°。試驗時,用清水代替藥液,在上位機界面中輸入相關參數,其中工作壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa,脈沖頻率設置為10 Hz,占空比從30%遞增到80%,每次遞增1%。啟動精量噴霧實驗臺,用實驗臺上安裝的壓力表測量工作壓力,通過控制電機轉速輸出不同的工作壓力,得到需要的工作壓力。等系統穩定后,采用高速相機進行拍攝,將單個周期內有噴霧霧滴的照片數量乘以高速相機的幀時長,得到電控精量噴嘴體單個周期內的導通時間;將噴霧信號發出到噴頭完全噴霧之間的照片數量乘以高速相機的幀時長,得到系統響應時間。為保證測量的準確性,高速相機測量每組占空比下5～6個周期噴霧時間,取中間3組通斷時間數據的平均值求出單個周期內的噴霧時間。

圖12 試驗平臺

本文采用的高速相機為Phantom VEO 410,選取的拍攝速率為5 200幀/s,曝光時間為200 μs,圖片像素為1 280×800。

為評價所設計的PWM電控精量噴霧控制系統的控制精度,對占空比測量結果進行計算分析,表2為系統壓力分布為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa時試驗數據分析結果。由表2可知在系統壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa,電控噴嘴體通斷時間誤差最大值分別是2.5 ms、2.98 ms、2.9 ms,相對誤差最大值分別是6.6%、6.6%、6.8%,RMS誤差分別為2.37 ms、2.54 ms、2.27 ms,系統最大延時時間分別為0.179 s、0.176 s、0.167 s。各系統壓力下,其相對誤差和RMS誤差均較小,系統延時時間較短,表明控制系統具備良好的控制精度和穩定性,能夠滿足精量噴霧控制的基本要求。

表2 試驗數據分析結果Tab. 2 Analysis results of test data

圖13為實際占空比與設置占空比的對比分析圖,由圖13可知在脈沖頻率10 Hz,占空比范圍30%～80%,在系統壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa時,實際占空比曲線與設置占空比曲線基本重合,實際占空比曲線線性度高,線性回歸決定系數分別為0.983 9、0.982 1和0.988 3。表明所研制的電控精量噴霧控制系統具備快速收斂性且穩定性、準確度較高,在不同的系統壓力下能夠滿足精量噴霧的控制需求。

(a) 0.3 MPa

(b) 0.4 MPa

(c) 0.5 MPa

4.2 流量測試

理論上,噴霧壓力和頻率一定時,噴霧流量與占空比成線性關系,為了驗證噴霧流量與占空比的關系,本文在0.3～0.5 MPa壓力下,10 Hz頻率,20%～100%占空比下測量11003標準扇形噴嘴的流量。

在噴霧頻率為10 Hz,噴霧壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa。占空比20%～100%范圍內,每隔4%測試噴霧流量。試驗時,用清水代替藥液,用量杯接住噴霧的液體,用秒表記錄30 s的噴霧時間,用1 500 mL 量杯測出30 s內液體體積,進而計算得出噴頭流量,每次試驗重復3次,取平均值。

占空比與流量關系變化如圖14所示,試驗結果表明,噴頭流量與噴霧壓力和占空比有關,在噴霧壓力和頻率一定時,占空比20%～80%時,噴頭流量與PWM占空比成線性正相關關系,達到一定占空比之后(80%～100%)流量增長速度減慢。將試驗得到的數據進行線性擬合,0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa下的線性擬合度分別為0.958 6、0.956、0.953 4,可以看出壓力變化對流量與占空比的擬合關系影響較小。通過線性擬合得到不同壓力下流量與占空比的關系。

圖14 不同壓力下噴頭流量與PWM占空比的關系

0.3 MPa壓力下噴頭流量與占空比的線性方程

Q0=0.012 1a+0.182 8

0.4 MPa壓力下噴頭流量與占空比的線性方程

Q0=0.128a+0.249 6

0.5 MPa壓力下噴頭流量與占空比的線性方程

Q0=0.014 5a+0.267 8

5 結論

1) 針對現有變量噴霧系統精準化程度低、農藥有效利用率低等問題,設計了基于PWM的電控精量噴霧控制系統,能夠根據施藥需求獨立控制每個噴頭的噴藥量。

2) 所設計的電控精量噴霧控制系統,以HMI串口屏為上位機,在線設置和實時顯示作業參數;以PIC單片機為核心,獲取上位機的數據并轉換成PWM控制信號,將控制指令發送至電子開關以控制電控噴嘴體通斷的頻率和占空比,進而獨立調節每個電控噴嘴體的流量。

3) 試驗結果表明:在系統壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa,噴頭流量與PWM占空比之間均為線性關系,線性擬合度均大于0.95;電控噴嘴體通斷時間誤差最大值分別是2.5 ms、2.98 ms、2.9 ms,相對誤差最大值分別是6.6%、6.6%、6.8%,RMS誤差分別為2.37 ms、2.54 ms、2.27 ms,系統最大響應時間分別為0.179 s、0.176 s、0.167 s。各系統壓力下,其相對誤差和RMS誤差均較小,系統響應時間較短。