智能喷雾器论文.doc

多功能智能喷雾器学生：徐会真、王士鑫、刘建 指导教师：尚明伟（滨州学院自动化系，滨州）摘要：本文介绍一种多功能智能喷雾器，它能够自动完成距离测控、行进速度控制、流量控制等，可实现喷药过程的自动化。本喷雾器主要用于玉米、果树、温室大棚、葡萄等各种农作物的喷药，在农业生产中有广泛的应用前景。关键词：智能控制；单片机；喷药；传感器；自动化0 引言现代社会机械化程度越来越高，在农业生产中亦是如此。在现代农业生产中，对农作物的喷药，尤其是玉米等高大作物的喷药在其生长后期尤为重要，而对其喷药却是一件既费时又费力的事。有时，由于人为的操作不当等原因极易造成农药中毒现象的发生。现在市场上有的自动喷雾器虽已解决了背负喷雾器喷洒过程中人的手动操作喷药过程，但离人们的想象中的还相差甚远；有的虽然不用人力背负，但须拖拉机等农用机械的拖动，不能够自动的下地喷药。目前，除治玉米蚜虫是农民目前最棘手的问题，用传统背负式喷雾器除治，因盛药桶容量大、笨重，玉米棵高大，操作起来行走不便，手动压缩易折玉米叶，既费工费药又费力，除治效果也差。本文所述的这款多功能智能喷雾器能够自动下地喷药，同时还能够接受人的控制，能够实现人机对话。本机器还可以用于花草、树木等的喷药，对当前很猖狂的美国白蛾有极好的防治作用。1 多功能智能喷雾器的机械结构1.1技术参数多功能智能喷雾器的主要技术参数见表1表1 多功能多功能智能喷雾器的主要技术参数项目参数驱动方式舵机和步进电机驱动行走速度0.8m/s喷药流量2L/min外形尺寸80*30*50(cm)水箱尺寸40*30*50(cm)净重50Kg世界上大多数的国家，玉米种植行距是70 cm。我国玉米种植行距普遍较窄，且差别很大1，因此，我们将机械的外围尺寸设计为宽度为40cm。1.2系统构成该多功能喷雾器由驱动机构、控制系统、喷药系统构成，其结构如图1所示。其中行走机构采用前轮小、后轮大的方式，这样既减增大了后轮与地面的摩擦力，又减少了前轮与地面的摩擦力，减少了转弯时的力矩。控制机构用80S51单片机控制驱动电机的转速与舵机的方向。喷药机构用一压力大小约为2.0Mpa的压力泵。喷头采用多喷头结构，以提高喷雾效率。1.3驱动及减震结构本机器用链条传动，传动齿轮连接设计如图2所示，该处设计用七个齿轮，其中铜色的为电机齿轮，两边为泵及轮轴齿轮，其中，当连接齿轮a与泵齿轮和电机齿轮相连接时可带动泵的转动，连接齿轮组b与电机齿轮和轮轴齿轮连接时实现机器的前进，连接齿轮c与电机齿轮和轮轴齿轮连接时实现机器的后退。为预防在行走过程中遇到的波折，在后轮及前轮上均安装了减震结构，后轮减震结构用两个凹槽内带弹簧与后轮连轴相连，使其只在竖直方向运动，由链条带动其在水平方向运动，减震结构示意图如图3。此多功能智能喷雾器的行走速度对喷药质量也有重要影响，单位积实际喷药量表达式为：式中，Q为单位面积实际喷药量，单位L/m2;q为单位时间系统喷药量（即流量），单位为mL/s;t为喷药时间，单位s；v为喷药速度，单位m/s;b为喷杆幅宽，单位m；k为系数。2图1 总体结构示意图图2 驱动齿轮连接图图3 减震装置1.4喷药系统喷药系统主要包括压力泵、喷头等。喷头采用单向五喷头旋转结构，其水平时用于喷洒低矮作物（如农作物等），垂直时用于喷洒高达作物（如树木等）。对于选定的喷嘴，压力和流量之间的关系表达式为：系统的压力变化不能太大，否则会影响喷雾的质量3。经过估算，压力泵采用一个压力大约2.0Mpa的压力泵。经过对比选择，现在市面上的24V微型直流隔膜水泵比较合适。此处，喷杆又可伸缩的三段组成，下面两段可伸缩，上面一段既可以伸缩也可以旋转，其在竖直方向伸缩可喷射如树木一类的植物，旋转水平后可喷射玉米等作物。喷头及喷杆连接结构如图3所示。 图3 喷头及喷杆装置结构1.5动力及传感器设计鉴于所设计的驱动电机及喷药泵的电压大小，电源采用12V*3并联结构。传感器采用SRF01超声波传感器，其测距范围为18cm-6m，工作电压：3.3-12v，工作电流：25mA，工作频率：40KHz，能够满足我们的需要。采用500W的直流电动机，小车以0.8m/s的速度匀速前进，由测距传感器将信号传给单片机，再由单片机控制舵机校正前进方向，遇障碍电机停转，并发出警报。 1.6液位控制系统 在水箱内部安装一液位传感器，当水箱内部水位低于设定值(假设为10cm)时，单片机认为药液用完，发出信号，使电机停止工作，其后进行相应处理。2 多功能智能喷雾器的控制原理 2.1 电路设计此喷雾器的单片机、传感器、驱动电机及其他部分的连接电路图为：按键单片机AD转换器AD转换器AD转换器液位传感器超声波传感器速度传感器继电器驱动电机舵机2.2 程序设计该多功能智能喷雾器的控制机构主要由80S51单片机控制。在程序里把超声波传感器的标准探测距离设定为0.1m。开始工作时，当探测器探测到与作物距离大于或小于0.1m时，单片机发出指令驱动舵机是前轮向相应方向转动，此时车身会相应地靠近或远离作物，从而达到“撞不上，离不远”的效果。此外，单片机还可控制水泵的工作，当机器前进时，水泵开始工作，机器开始喷药。当到达地头时水泵和机器同时停止工作，此后，单片机驱动步进电机进行后退，泵则继续工作，当液位探测器探测到药液用完时，则电机停止工作，齿轮变换组合，使后轮反转，泵则停止工作，同时单片机测下经过距离。到达地头，药液加满后，按下启动键，单片机仍测速，直到与原速度一致，此方式可达到精确喷药的效果。此处需要说明的是泵和机器的驱动使用同一个步进电机，其工作原理如上图2(a)中齿轮的连接图。此处，当前进过程中遇到田地里凸凹不平的地方时，电机减速，驱动力加强以越过障碍，如果电机停转超过5s，单片机便认为是遇到障碍，则迅速切断电源，同时发出报警信号。此时需人力帮助其越过障碍并按下启动键重新工作。经试验，只要田间无直径超过10cm的坚硬障碍物，此机器便能越过障碍。该喷雾器的工作流程如右图所示；3 总结及展望根据我国特点, 植保机械的产品应该是机动与手动并举, 大中小型相结合, 向安全、高效、经济的方向发展4。本文所阐述的多功能智能喷雾器，代替了人们的繁重的体力劳动，使喷药得以安全高效的进行。在广大农村，尤其是人口相对较少，土地相对较多的农村，必定有广阔的应用前景。本多功能智能喷雾器十分符合上述特点，其不仅可以用于田间作物的喷药，将其喷药杆伸长后还可以对园林、树木进行喷药工作。目前美国白蛾十分猖狂，本喷雾器可以起到安全、方便、高效的防治作用，具有很大的应用价值。本文的创新点：本文设计的多功能智能喷雾器能够在保证所用药液基本不变的情况下自动行走，并能够自动测距，自动测液位，实现了农业生产过程的智能化。启 动超声波传感器（测距）轮轴正转泵喷药有障碍无药报警