田 健，陈爱慧，吴 昊，徐 冬，李 博，于文昌，许骁博，刘 岩

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

黑土地是指拥有黑色或暗黑色腐殖质表土层的土地，富含大量有机质成份。东北平原是世界三大黑土区之一。当前，东北黑土地数量在减少，质量在下降，国家高度重视东北黑土地保护，提出了要采取有效措施，保护好这块珍贵的黑土地。通过增施有机肥、秸秆还田等方式，增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状和耕地基础地力，是保护黑土地的有效措施。有机肥主要分为堆肥、沤肥、厩肥、沼肥、绿肥和泥肥等，东北平原地区秸秆资源丰富，畜牧养殖集约化程度在不断提高，可为有机肥生产提供充足原材料[1-3]。事实证明有机肥还田可以提高农作物品质[4-5]，随着农业可持续发展和农业全程机械化等政策的不断实施[6-8]，有机肥撒施机作为有机肥还田的专用农机具逐渐受到市场的认可。

1 有机肥撒施机概述

根据有机肥的形态不同，有机肥撒施机可分为固态有机肥撒施机和液态有机肥撒施机两大类[9-10]，还有专门为果园大棚适用的小型化设计[11-13]，随着新技术的发展，信息化、自动化与农机具的融合也成为新的发展方向[14-17]。固态有机肥撒施机的结构一般可由装配式料箱、抛撒机构、推肥机构、肥量调节机构、传动机构和行走系统等部分组成[18]。目前，市场上常见的推肥机构设计分为链板输送式、液压推送式、搅龙输送式和胶带输送式等几类[19-22]。为适应不同土壤条件的有机肥撒施需求，有机肥撒施机一般都设计有特征施肥量调节功能，调节单位面积的施肥量，但实际操作一般较为繁琐[23-24]。本文针对液压推肥机构，设计一种基于MCU控制器，以电磁流量阀作为执行器，控制液压油流量调节液压缸动作速度的装置，从而达到根据土壤需求调节特征施肥量的目的。

2 调速装置的设计

2.1 调速装置组成与工作原理

有机肥撒施机推肥机构的液压系统由液压缸、电磁比例阀和液压管路组成，液压动力由拖拉机提供，电源供电由拖拉机蓄电池提供。工作原理是通过控制液压回路中比例电磁阀阀门的开合比例，改变单位时间流入液压缸中液压油的流量，进而达到控制液压缸的推进速度。电磁阀根据功率驱动器受控电平信号的变化，连续调节管路内液压油的单位流量，液压缸可以完全停止或运动，实现调节撒肥机特征施肥量的目的。设计中采用MCU为控制核心，结合变量输入和液晶显示模块，通过调理电路产生0～10 V电压控制信号，控制比例电磁流量阀的开合比例，实现对撒肥机液压系统的控制。工作原理框图如图1所示。

图1 工作原理框图

2.2 主要硬件设计

电路主要由电源供电、显示屏、模拟量输入信号采集和驱动调理电路组成。核心控制芯片采用STM32F042系列MCU，内部集成有12bit高精度ADC、通用定时器和CAN总线等外设[25-26]。

2.2.1 执行器——电磁阀

电磁阀是重要的执行器件，主要功能是可以比例调节液压油的流量，实现对推肥液压缸的速度控制。需要直流供电，兼容标准的控制信号，具有较好的线性度，所以设计采用德国力士乐的比例电磁阀，如图2所示，最大流量可达25 L·min-1，控制信号电平范围为0～10 V，电压流量线性曲线如图3所示。该比例电磁阀由直流24 V供电，具有位移传感器和比例控制器，线性度更好，可以准确执行流量控制动作。根据性能曲线图，可以推算出理论条件下的流量和控制电压的关系表达式

图2 比例电磁阀

图3 电压流量线性曲线

Fout=0.278(10Vin-10)

(1)

式中，Fout表示流量值，单位L·min-1；Vin表示控制信号电压值，单位V。

2.2.2 电源电路设计

供电电源采用拖拉机的蓄电池供电，工作时电压波动较大，而且电磁阀比例控制器需要隔离供电，设计中采用隔离DC-DC模块和LDO芯片组合供电。原理图如图4所示。

图4 电源电路原理图

2.2.3 采集和PAC电路

GP8101是一种新型专用PAC(PWM to Analog Convertor)芯片，集成度高，价格具有竞争力，可根据输入的PWM信号占空比转换产生0～10 V模拟量信号，转换精度高达±1%。设计中使用MCU定时器TIM3生成PWM信号，同时通过采集变阻器上电压信号ADC值，改变PWM信号的占空比，则PAC芯片可输出0～10 V信号。原理图如图5所示。

图5 PWM和采集电路原理图

2.2.4 显示器模块

显示屏采用组态液晶触摸屏模块，兼容CAN和RS232串行数据总线，可以显示图表、中英文及数字等信息，能满足正常使用需求。触摸屏功能仿真如图6所示。

图6 显示屏仿真

2.3 装置的程序设计

STM32F042系列内置定时器总线时钟设置为16 MHz，预分频设置16倍，定时器自动装载寄存器(TIM3_ARR)设定为4 096，则输出PWM信号频率约为244 Hz，初始占空比为50%。内置ADC分辨率12位，开启DMA中断后读取数据寄存器(ADC_DR)中值，并赋值比较寄存器(TIM3_CCR3)，更新PWM信号占空比。程序流程图如图7所示。可以估算出理论流量值关系表达式为

图7 流程图

(2)

式中，Fout表示流量值，单位L·min-1；SADC表示采集的ADC值。

转动变阻器可修改PWM信号占空比，通过串行数据总线，将参数传输至触摸屏中以显示。因为比例电磁阀线性度较好，若占空比和0～10 V输出信号相关性较好，即可将占空比作为评价流量的指标。

3 实验与结论

3.1 实验结果分析

实验中通过旋钮修改PWM信号占空比，观察PWM占空比和PAC芯片输出信号的关系，如图8所示，电平信号在0～10 V范围内变化，随PWM占空比升高而升高，符合比例电磁阀驱动器控制信号要求。

图8 示波器

3.2 结论

本文进行了有机肥撒施机液压推肥机构调速装置的电路设计和软件调试，采用PAC电路将PWM信号转化成为0～10 V模拟量信号，可以向电磁阀驱动器提供连续的模拟信号，符合设计要求。因电磁阀实际流量与驱动电平信号非线性相关，实际生产中需要标定，所以，能够控制比例电磁阀的开关度，调节管路中液压油流量，就可以实现调节撒肥机特征施肥量的目的。