精准施肥自动控制系统的设计

1、精准施肥自动控制系统的设计引言 精准农业变量施肥技术要求对农业生态系统进行养分平衡研究,从而可以实现在每一操作单元上按照土壤、作物预计产量的不同而按需施肥,有效控制物质循环中养分的输入和输出,防止农作物品质变差及化肥对环境的污染和破坏, 大大提高了肥料的利用率,降低生产成本,减少了多余肥料对环境的不良影响,增加了农民收入 。 目前,我国化肥的生产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术,对我国农业乃至整个国民经济发展都有着非常积极的影响。近年来,我国氮肥的消费量和作物的产量都在逐年增加,但是投入和产出极不相称。据中国人口资源环境统计资料显示,我国两个时期正常农业年份的化肥投

2、入和产出间出现了异常“倍比关系”,效应呈下降趋势。1990 年的化肥投入量为2 590 万t, 是1965年投入量191万t的13. 56倍;而谷物总产1990年(4. 462亿t)仅为1965年( 1. 945亿t)的2. 29倍,谷物单产1990年(3 930kg/ hm2 )仅为1965年(1 635kg/hm2 )的2. 40 倍。我国氮素当季利用率为30% 35% ,大大低于美国和日本的氮素利用率(可达60%70% ) ,而地域和养分不平衡又进一步减少了肥效。同时,我国的化肥还需大量进口, 19%的年进口尿素约占世界出口量的49. 5%。 肥料施用量的增加和利用效率的下降,不仅造成了

3、经济上的巨大损失,而且引起了严重的环境污染。过多施用的肥料不仅造成了对地表水和地下水的持续污染,还增加了农业产品中有毒物质的残留,出现了地表水富营养化、地下水和蔬菜中硝态氮含量超标等问题,化肥尤其是氮肥已成为主要的环境污染源之一 。这同时也给农业可持续发展带来很大危害。 随着环境问题日益受到重视,如何在保证作物高产优质的同时提高氮肥的利用率(USE) ,防止或尽量减少作物生产带来的环境污染是我国政府、农学家及生产者所必须解决的问题。1变量施肥总体方案 本设计采用以实时控制的变量施肥形式,根据实时监测的作物光谱信息分析氮的含量,由GPS获取的田间位置信息,结合GIS查找该位置该物种在该生长期氮的

4、最佳含量, 由差值数据的大小来实施控制决策。该控制系统以lm2 的尺度进行变量控制施肥,系统方案如图1所示。2硬件设计方案 2. 1主控芯片 主控芯片选用的是华邦公司的W77E58 型单片机,可以在宽范围的性能要求下实现高集成度和低成本的解决方案。它具有如下特点:1) 高速性。W77E58 的外部工作时钟频率可达40MHz,而且由于W77E58 采用了重新设计的微处理器内核,去除了多余的时钟和存储周期,运行速度大大提高。2) 两个增强全双工串口W77E58。除了具有同80C32一样的全双工串口外,又增加了一个全双工串口,其外部引脚RXD1, TXD1和P1. 2, P1. 3复用。3) 在W7

5、7E58 中, 有32kB 的可多次编程flashROM, 256字节的片内RAM, 1kB 的片内用MOVX指令访问的SRAM。2. 2步进电机控制系统 2. 2. 1步进电机选择 步进电机可以分成3 大类, 即反应式步进电机(VR型) 、永磁式步进电机( PM 型)和混合式步进电机(HB 型) 。3 种类型中,反应式步进电机存在噪音和震动较大的缺点,目前基本被淘汰; 永磁步进电机优点是运行稳定,噪音和震动较小,但输出转矩小;混合式步进电机因为具有反应式步进电机转矩较大和永磁式步进电机噪声小、运行平稳的特点,得到了越来越多的应用。 2. 2. 2D /A转换专用芯片 TLC7226是TT公司

6、生产的包含4路8位电压输出的高性能D /A转换器。在单个芯片上,带有输出缓冲攻大器和接口逻辑电路4路DAC的每一路都配备各自的片内锁存。数据通过公共的8 位TTL /CMOS兼容输入口送入这些数据寄存器之一。控制输入端DA0和DA1 决定W77E58 变低时哪个DAC被加载。由于所有4路DAC在同一芯片上同时制造,因此在4路之间能精确一致,每一路DAC包括一个输出缓冲放大器,能提供高达5mA的输出电流。 TLC7226变为模拟量。在方向逻辑控制信号作用下,可逆计数器自动做加法或减法计数。这样,每输入8个步进脉冲,就可得到1 / 2 个周期幅值为正的SIN - COS波形。经过细分后, P1 和

7、P2 的波形为完整的近似正弦波,如图2所示。 2. 2. 3功率驱动部分的设计 L298N是双H桥高电压大电流功率集成电路,直接采用TTL逻辑电平控制,可用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。它的驱动电压可达46V,直流电流总和可达4A。其内部具有2个完全相同的PWM功率放大回路。由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式。本文设计的两相混合式步进电动机驱动器的功率驱动电路的设计如图3所示。产生的PWM信号分别输入到L298N使能端ENA ( ENB ) ,用以控制电动机绕组输入电压的通断。信号经过处理输入到L298N的INl ,IN2, IN3, IN4端

8、,用来确定电动机绕组的电压方向。采用两只0. 5 的精密电阻测量电动机两相绕组电流,达到电流反馈的目的,实现细分。4个大功率二极管起续流作用。3软件设计3. 1步进电机主程序部分设计 主程序是步进电机细分驱动系统的重要程序,控制整个程序的流程,主要完成程序的初始化、中断方式的设置、计数器工作方式的设置以及相关子程序的调用等,是一个顺序执行的无限循环的程序,如图4所示。 主程序负责生成控制步进电机控制的脉冲频率任务,即实现系统软硬件资源的整体管理。为了使系能够正常工作,主程序必须具有系统自检和初始化功能。系统自检包括CPU诊断、RAM和ROM诊断、I/O端口的诊断。3. 2步进电机细分软件设计

9、在细分驱动程序中,细分电流控制信号的输出采用单片机片内EPROM软件查表法,用地址选择来实现不同通电方式下步距细分,实时控制步进电机的转角位置。波形函数细分值存在数组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. 。系统运行时,采用中断的方式从EPROM中获得方向控制参数后,再根据方向控制参数确定ucStep- Stat加或减。确定ucStepStat后,以它为参数,在数组ucStepCurrent中找到对应波形函数细分值,程序流程图如图5所示。4结论 1) 首次将叶绿素测定仪应用于施肥自动控制系统,在很大程度上解决了过去土壤测量的滞后性问题,并且方案中给出了利用步进电机的细分来解决施肥的匀度问题。 2) 当前的精准施肥技术体系不可避免地存在一些问题,如氮测定仪器价格昂贵,测量数值为氮元素的相