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1系統結構設計及總體方案
拖拉機動力輸出軸連接藥液泵,開始噴霧前打開與藥箱連接的吸水閥門,關閉快速管接頭閥門;控制系統經過上電初始化設定好電動調節閥的初始開度,通過觸摸屏設定工作模式和畝噴量,并打開與噴頭連接的電動閥;拖拉機動力輸出軸運轉后,藥液從藥箱通過吸水閥門、過濾器進入藥液泵,控制系統通過速度傳感器實時采集作業速度,結合設定的畝噴量和采集的噴藥壓力,計算出理論的流量值,與采集到的實際流量值進行比較;經過PID算法調節電動調節閥的開度,使得實際流量值盡可能與理論流量值一致,從而實現變量噴霧。藥箱上安裝的超聲波液位傳感器檢測藥箱液位高度,通過觸摸屏顯示實際液位,當液位低于設定的安全值時,觸摸屏顯示“液位過低”,進行報警。當行駛到地頭轉彎作業時,控制器根據轉向控制傳感器的信號,關閉轉彎半徑內側的閥門,防止重復噴藥。作業過程中,可以點擊觸摸屏的攝像頭按鈕切換到攝像頭界面來觀察噴霧效果。
2硬件電路設計
控制系統硬件結構,包括DSP核心算法單元、電源電路、RS485、RS232、A/D轉換電路、開關量輸入電路、繼電器輸出電路,以及傳感器、電動閥、電動調節閥外圍電路、觸摸屏顯示電路。
2.1核心芯片系統設計采用TI公司的TMS320F28335DSP作為核心控制芯片。該芯片內置了浮點運算內核,能夠執行復雜的浮點運算,可以節省代碼執行時間和存儲空間,具有精度高、成本低、功耗小、外設集成度高和數據及程序存儲量大等優點。
2.2電源電路TMS320F28335工作時所要求的電壓分為兩部分:3.3V的Flash電壓和1.8V的內核電壓。TMS320F28335對電源很敏感,所以選擇TI公司的雙路低壓差電源調整器TPS767D301。TPS767D301帶有可單獨供電的雙路輸出:一路固定為3.3V,另一路輸出可調。設計中選取R49為20k,R50為12k,而且TPS767D301芯片自身能夠產生復位信號,不需要為DSP設置專門的復位芯片。要保證系統可靠的工作還需要有電源管理芯片,選用TI公司的TPS3305-33D來監控系統的3.3V和5V電壓。當系統電壓降到允許范圍以下時,產生復位信號使系統復位,保護系統免受低電壓影響。TPS3305-33D同時還具有看門狗功能,看門狗輸入信號WDI接DSP的XCLKOUT引腳。
2.3A/D轉換電路控制系統需要采集作業過程中的藥液溫度、壓力、流量、液位高度等模擬量,其中的流量、壓力轉換為數字量后要進行PID運算。為了保證采集到的模擬量的準確性,選用AD公司的AD7606-4芯片完成A/D轉換。它是16位、4通道同步采樣模數數據采集系統,內置模擬輸入箝位保護,采用單電源工作方式,具有片內濾波和高輸入阻抗,無需驅動運算放大器和外部雙極性電源,電路設計比較簡單、方便。
2.4開關量輸入電路開關量輸入電路。速度傳感器輸出的脈沖信號經過一階RC濾波后,進入光電耦合器,經過74HC14取反后輸出幅值為5V的脈沖信號。由于TMS320F28335的I/O電壓為3.3V,所以輸出的脈沖信號經過74LVC4245進行電平轉換,轉換為3.3V脈沖信號送入DSP的CAP引腳。轉向控制傳感器輸出高低電平信號,經過開關量輸入電路轉換為3.3V信號后送入DSP的普通I/O口,通過判斷I/O口的高低狀態來判斷轉向。
2.5繼電器輸出電路本文選用8路NPN達林頓管ULN2803來驅動繼電器。ULN2803內部具有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續流箝位二極管,輸入電壓值為TTL或5V的CMOS值,每路輸出電流可達500mA,輸出擊穿電壓高達50V,繼電器輸出電路。DSP輸出的控制信號經過74LVC4245轉換后進入ULN2803,驅動3路繼電器來控制3路電動閥。繼電器選用OM-RON公司的G6B-1114P,控制電壓為5V,輸出電流為5A。
2.6RS485電路電動調節閥是實現變量噴霧的主要執行機構,本系統選用IEV2B智能電動閥門。該閥門采用伺服控制、絕對值定位、增量式調節等技術,能有效消除電動及機械部分由于慣性、機械間隙、材料應力彈性等原因造成的誤差;采用RS485總線控制,設計中選用美國MAXIM公司生產的MAX1480B作為RS485數據通訊接口芯片。該芯片將光電耦合器、變壓器、DC-DC轉換器和二極管等器件組裝于單一28引腳封裝內,構成一個完整的RS485收發器,可通過擺率限制來降低電磁干擾和反射,允許數據傳輸速率最大可達250kbps
2.7RS232電路本系統選用MAX3232CSE作為RS232數據通訊接口芯片。該芯片配備專有的低漏失電壓發射器輸出狀態,通過雙電荷泵,在3.0~5.5V供壓下,表現出真正的RS232協議器件性能。
3觸摸屏設計
本文設計的變量噴霧控制系統所有的工作參數都通過觸摸屏進行設置和顯示。觸摸屏(主界面如圖8所示)顯示作業過程中的流量、行駛速度、藥液液位、噴藥壓力、藥液溫度、作業面積等參數。點擊齒輪狀的設置按鈕進入設置頁面來選定工作模式和設置作業參數,點擊閥右側對應的開關可打開各個電動閥,點擊1號和2號攝像頭可以切換到攝像頭界面來觀察實際的噴霧效果。觸摸屏與控制器之間通過RS232串口進行通訊。控制器經過串口初始化后,首先判斷接收是否超時,未超時則讀取接收緩沖區中第1個數據,并判斷該數據的低8位是否是通訊協議首字節0x5A,是則繼續讀取剩下的有效數據;當所有數據讀取完后,計算有效數據的CRC校驗和,判斷校驗和是否相符,相符則說明接收到的數據準確無誤;然后解析出數據幀中的心跳位并進行處理,通過心跳位來判斷系統是否存在通訊故障,心跳位處理完后,數據寫入各自對應的寄存器。
4控制系統軟件設計
控制系統采用閉環控制,采集的流量作為反饋,與根據畝噴量和作業速度計算出的理論流量進行比較,經過PID運算后調整電動調節閥的開度,保證實際流量與理論流量盡可能一致。
5試驗結果
本文設計的控制系統在山東衛士植保機械有限公司研制的3WP-650噴桿噴霧機上進行了應用,并在山東省德州市齊河縣延剛家庭農場做了大量田間試驗,控制系統全程工作正常。3WP-650噴桿噴霧機的作業幅寬為12m,以實際流量與理論流量的誤差率為例,噴霧機行駛在不同作業速度下,取作業幅寬L=12m,噴量設定N=20L/畝,記錄觸摸屏顯示的作業數據進行統計,所測數值和理論值之間的對照及計算出來的相對誤差本文設計的變量噴霧控制系統實際流量與理論流量的誤差在3%以內,并且在不同的作業速度下流量值能隨著速度的變化而變化,實現了變量噴霧的目的。
6結語
本文設計的基于TMS320F28335的變量噴霧系統具有測量精度高、操作簡單、工作穩定可靠等特點,可根據噴藥作物需要的藥量設定畝噴量,實現在不同作業速度下變量噴霧施藥的目的。該系統避免了噴藥過程中藥物的浪費,提高了農藥利用率。田間試驗結果表明:該系統性能穩定可靠,誤差率低,對農業生產和提高經濟效益具有重大的意義。
作者:孫永佳孫宜田竇青青沈景新李青龍陳剛單位:山東省農業機械科學研究院