温室智能装备系列之三十四设施温室农药变量喷洒压力控制器开发

设施温室的农药变量喷洒是影响温室产品附加值、降低农残的重要技术之一。利用电子精准控制，采用成熟、耐用的封装，瞄准基层实际生产环节，以稳定、高效、通用为原则的设施喷药控制设备，是一个重要的发展方向。　 背景

我国是一个设施农业大国，反季节蔬菜和经济作物的种植大多采用温室种植。设施农业生产管理过程中对杀菌剂的使用比较频繁，用量较大，受传统的喷药方式较落后的影响，每年造成大量的农药浪费和污染。莽璐，祁力钧等(2006)研究指出：温室内手动施药喷雾质量差、容易造成施药人员中毒，采用单片机控制的自动变量施药系统是一个发展方向。目前，国外应用的喷杆行走速度和喷头流量自动控制技术的成本较高，在我国推广应用有难度。实现无人自动变量施药仅限于示范展示和科研使用。对于喷药机器人的研究。国家农业信息化工程技术研究中心、中国农业大学等单位都进行了较多的基础研究，也是温室自动施药的一个发展方向。曹峥勇，李伟等(2010)选择温室黄瓜作物为目标，以提高施药作业中农药的有效利用率，减少农药残留与化学污染为目的，开发设计了一种3自由度喷雾机器人控制系统。并尝试将机器视觉等工业技术引入温室施药作业中。温室施药是关系设施园艺发展的一个关键问题，目前又存在诸多问题，但过于复杂的系统实际上在生产中无法推广使用。因此，在实际应用中，迫切需要开发一种压力变量调节的喷雾控制器，能够在传统的喷药机械上安装控制系统后，提高喷药机械的精度，提高农药的有效利用率。该控制器对于提升喷雾机械的性能和农药利用率，有非常明显的作用。具有良好的市场推广潜力，对促进我国喷雾植保机械的进步有非常重要的意义。

该装置采用模块封装的技术，可以使用控制器非常方便、灵活地控制喷雾设备作业时的压力调节。控制器使用电位器旋钮变量调节输出压力，通过压力表直观地显示对应的压力值。系统可非常方便的固定在喷雾设备上，与喷雾设备相连接，实现喷雾作业的变量控制。图1是结构示意图。这种装置可以非常方便地实现传统喷雾机械朝精准变量作业的技术升级，能够满足田间变量作业的需求，在提高喷雾作业效率、提高农药有效利用率、节省农药等方面具有广阔的市场前景。

利用电子控制器灵活控制调节喷雾压力，直观显示，模块化连接，并且控制器稳定可靠，这种控制原理和技术能有效满足大田和温室、果园等各种环境的压力调整作业，是成熟的控制器设备，具有很高的推广价值。

工作原理

控制器采用旋钮式可调电位器来调节脉宽调制信号(PWM)，从而实现对压力单元转速的控制，进而控制压力的大小和喷药流量。其控制系统由电源模块、脉宽调制模块和放大驱动模块组成。图2为工作原理图。

电源模块由L7805CV稳压模块及其周边电路组成，为脉宽调制模块供电；脉宽调制模块芯片及电路构成多协振荡器产生PWM脉冲信号送于放大驱动模块，可使用与脉宽调制模块相连的旋钮电位器来调节PWM信号的脉冲宽度：产生的PWM脉冲信号通过放大驱动模块放大后能够实现对电机的驱动和控制，实现压力调节和喷药量的变量控制。其中，电源模块、脉宽调制模块、放大驱动电路都封装在控制盒里面。控制盒采用防水设计，能够有效避免受控制器工作的喷雾潮湿环境的影响。旋钮式可调电位器安装在盒子的外侧，方便喷雾作业对喷雾压力和流量进行调节。旋钮式可调电位器的底盘部位标有刻度和指针，操作人员可以通过刻度读取到调节的流量大小。喷雾压力可以在调节旋钮式可调电位器的同时在控制盒面板安装的压力表上直接读取。旋钮式可调电位器的调节范围可以通过脉宽调制模块预先进行设定，并且旋钮式可调电位器的调节范围可随时进行系数调整，以满足不同压力和流量的要求。

电源模块通过防水接头保护使用电缆与外部的12V蓄电池进行连接。蓄电池可以用作业拖拉机配备的电池替代。电源模块从蓄电池获得电源后对电源进行稳压，然后供给控制器内部的脉宽调制模块使用，脉宽调制模块通过调节后产生的不同脉冲宽度实现压力单元的变量调节。脉宽调制模块本身不能驱动功率很大的压力单元电机，可以在脉宽调制模块的输出端连接放大驱动模块后再和所述的连接压力单元连接。

装备应用

考虑到实际的应用环境比较潮湿的问题，在推广应用中，控制器全部采用模块封装技术，所有控制核心都封装在防潮的控制盒子里面。控制盒底座设有υ性安装孔，操作人员可以使用螺栓将控制盒挂在手推的电动喷药装置上，也可将控制盒拿在手上进行喷雾作业控制。控制盒底部设有3个防水接头，可以防止控制电缆和压力水管作业时被拉动，影响控制器的内部稳定。控制盒的盖子密封处设有垫圈可起到防潮防水的作用。图3为控制器实物图。

实际工作时，药液首先从药液箱中在压力单元的作用下被抽出，经过过滤器过滤掉多余的不溶性杂质后进入压力单元。药液到达压力单元后，打开拨打开关，喷嘴开始喷雾。如果这时候需要调节喷雾压力和喷药流量，可以旋转旋钮式可调电位器，通过控制器的脉宽调制模块来调节脉冲的宽度。脉宽调制模块通过电缆经过防水接头和压力单元接口相连，从而使压力单元的转速变化、脉宽调制模块和压力单元的转速有一定的线性对应关系，故可以通过旋钮式可调电位器的刻度读出具体的数值。使用旋钮式可调电位器将压力调节到合适的数值后，压力单元的高压输出口通过压力水管经过防水接头进入控制盒中，连接着控制盒里面的压力表。因此，调节旋钮式可调电位器的同时可以从控制盒面板的压力表上直接读出压力单元的压力读数。

拨打开关闭合时，驱动指示灯发光，起到工作提示的作用。保险盒为外置式，可以在保险管受到损坏时灵活地更换对应的保险，起到使用方便、操作简单的作用。压力单元可以驱动手调喷药枪和喷嘴等多种喷雾装置。因此，所述的控制器是一种通用型的变量控制喷雾器，可以得到广泛的应用。