设施农业自走式水肥喷洒小车的设计.pdf

农机与农艺 Agricultural machinery and Agronomy2021年8月上 作物的生长需要阳光 空气 温度 湿度和养分五大 要素 设施农业则是采用人为干预的方式 改变作物生产 需要的各要素条件值 以满足作物全天候生长的条件 目 前 设施农业的调控技术主要有光照调控 温度调控 气 体环境调控以及水分 养分调控等 其中合理的水肥平衡 供应能挖掘作物最大的生产潜力 因此 实现水肥同步供 应和控制的水肥一体化技术是当前精准农业的主要技术 方向之一 1 1 水肥一体化技术 水肥一体化技术是在作物水肥供给的过程中 实现 水肥有机的同步供给 充分发挥水和肥料的相互作用 在 提供作物水分的同时最大化地发挥肥料的作用 要实现水肥一体化浇灌 其前提条件是将肥料溶于 水中 然后通过水肥结合的方式施用 根据灌溉方式不 同 可以分为滴灌水肥一体化技术 喷灌水肥一体化技 术 微喷灌水肥一体化技术 膜下滴灌水肥一体化技术 等 项目组开发的农业自走式喷洒小车则属于喷灌水肥一 体化技术的一种应用形式 小车通过传感器信号 判断处 理后执行行走动作 喷洒装置则将混合溶解好的水肥通 过加压喷洒于作物表面或者地面 实现自动灌溉施肥的 功能 自走式喷洒小车的适用范围主要为大棚内作物或 设施园林作物 2 自走式喷洒小车的布置 自走式喷洒小车由行走部分 控制装置 传感器 电源 模块 喷洒装置 水肥储存罐等组成 行走部分执行小车 的行走和转向动作 控制装置主要由 STC12C5A60S2型单 片机构成 传感器模块选用红外传感器感知障碍物和作 物 并将信号处理后发送给单片机 喷洒装置由水泵 喷 头和水管组成 实现水肥的雾化和喷洒功能 2 水肥储存 罐存储预先配置好的溶水肥料 2 1 行走部分设计和布置 行走部分包括驱动轮 万向轮 电机 车架板 车架板 为整个小车所有部件的安装面板 两个驱动轮布置在小车 后部和车架板的下方 并各连接一个驱动电机 实现行走 和转向功能 驱动电机芯片选用L298N 通过单片机的I O 输入对其控制电平进行设定 为电机进行正转反转和停止 的驱动 万向轮布置在小车前端的中间位置 起支撑作用 基金项目 江苏省大学生创新创业训练计划项目 202012806040Y 作者简介 崔勇 1982 男 江苏泰州人 硕士 副教授 研究方 向为农业设施装备与车辆 设施农业自走式水肥喷洒小车的设计 崔 勇 伍铜言 刘 尧 史文龙 王豪杰 江苏农牧科技职业学院 江苏 泰州 225300 摘 要 水肥同步供应和控制是现代农业的技术方向之一 喷灌是水肥一体化实现的一种灌溉形式 课题小组设计了设 施农业自走式水肥喷洒小车 采用喷灌方式施肥 以 STC12C5A60S2 单片机为核心控制单元 利用红外传感器感知障碍 物和作物植株 控制模块根据传感器信号分析处理并发出指令 实现小车自动行走 并对作物植株进行准确的水肥喷洒 作业 小车的进一步开发和应用可有效提高设施农业生产效率 减少农业从业人员工作量 具有示范意义 关键词 自走式 自动 水肥一体化 喷灌 设施农业 中图分类号 S49 文献标志码 A 文章编号 1672 3872 2021 15 0047 02 Design of Self Propelled Water and Fertilizer Spraying Car for Facility Agriculture Cui Yong Wu Tongyan Liu Yao Shi Wenlong Wang Haojie Jiangsu Agri animal Husbandry Vocational College Jiangsu Taizhou 225300 Abstract The synchronous supply and control of water and fertilizer is one of the technical directions of modern agriculture Sprinkler irrigation is an irrigation form to realize the integration of water and fertilizer Our task group designed a self pro pelled water and fertilizer spraying car for facility agriculture which applied fertilizer by sprinkler irrigation Taking STC12C5A60S2 microcontroller as the core control unit infrared sensor was used to sense obstacles and crop plants Accord ing to the sensor signal analysis and processing the control module sends out instructions to realize the function of automatic walking of the car and accurate spraying of water and Fertilizer on crop plants The further development and application of the car can effectively improve the production efficiency of facility agriculture and reduce the workload of agricultural workers which has demonstration significance Keywords self propelled automatic integration of water and fertilizer sprinkler irrigation facility agriculture 47 Agricultural machinery and Agronomy 农机与农艺 2021 年8月上 2 2 控制装置和传感器的选用和设计 控制装置核心模块为STC12C5A60S2型单片机 内部 集成 MAX810 专用复位电路 2 路 PWM 8 路高速 10 位 A D转换 工作电压为3 5 V 5 5 V 3 STC12C5A60S2型单 片机通过 PWM 信号调节左右驱动轮电机转速以实现小 车驱动轮的转动 通过控制驱动轮的正反转实现小车的 避障和转向 通过控制继电器的通断来实现水泵电源的 通断 如图1所示 图1 STC12C5A60S2型单片机 传感器采用TCRT5000型红外线光感传感器 布置在 车架盘上方 分别检测左右障碍物 前方障碍物 左右作 物植株 如图2所示 图2 TCRT5000接线图 2 3 电源模块的选用 电源模块选用12 V锂电池 匹配5 V电源转换器 驱 动电机模块和水泵电机由电池直接提供12 V电源 单片 机由电源转换器提供5 V电源 2 4 喷洒装置的设计和布置 根据设施园林大棚的布置特点 小车行驶的道路会 有单侧种植作物和左右两侧均种植作物两种情况 因此 喷洒装置布置左右两套喷洒系统 当左侧传感器检测到 植株时 控制器接收传感器信号 发出喷洒指令 控制左 侧水泵喷洒指令 当右侧传感器检测到植株时 执行右侧 水泵喷洒指令 当左右两侧均检测到植株时 则左右两侧 同时喷洒水肥 喷洒装置的水管采用耐腐蚀的 PVC管 喷头选用扇 形喷头 水泵和喷头通过支架固定在车架板的上方 水管 连接后端的水肥储存罐 考虑到水肥混合液中存在少量的悬浮物 为避免喷 洒装置的堵塞 水肥储存罐的加液口以及水泵的进液口 出液口 均布置滤网进行过滤 4 2 5 程序设计 设施农业自走式喷洒小车需实现小车自行行走 水 肥自动喷洒和转向避障等动作 因此 程序的设计需包含 以下三个方面 1 小车行走避障程序 传感器检测左右障碍物与小 车的距离 自动修正小车的方向 确保小车直线行驶 2 自动检测喷洒程序 传感器检测小车左右方向是 否有作物植株 当检测存在植株的信号传递给单片机时 控制左右水泵运转 喷头执行喷洒动作 3 小车转向避障程序 传感器检测前方是否有障碍 物 如有障碍物 控制小车左转 实现转向避障功能 程序流程图如图3所示 图3 程序流程图 3 小车的运行测试 如图4所示 布置设施大棚环境 设置两排绿植 小车 开始运行后 直行进入田垄 小车检测左右障碍物 自动进 行方向修正 维持直线行走 当检测到第一排作物植株后 喷洒水肥 小车继续前进 如车前的传感器检测到障碍物 左转90 然后直线行驶 再次检测到障碍物后 左转90 然后继续前行 当检测到第二排作物植株时 执行水肥喷 洒动作 最后 驶出田垄 完成两排作物植株的自动水肥 喷洒任务 图4 农业自走式喷洒小车运行测试 参考文献 1 狄娇 轻简式水肥一体化灌溉系统的设计及试验研究 D 南 京 南京农业大学 2015 2 王昊凡 智能农药喷洒系统 J 中国新技术新产品 2017 2 16 17 3 成宇轩 尤国强 杨佩 智能声控小车的设计与制作 J 电脑知 识与技术 2019 15 27 176 178 4 黄鹤飞 王娜 王海艳 等 全地形节能喷洒车的设计 J 南方 农机 2019 50 13 19 20 48