在线射流混药比例控制试验平台研究

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摘要：以单片机STC12C5A60S2为核心控制芯片，主要包括电荷放大器、程控放大器、低通滤波器、峰值检测电路等通道，并在CCS环境下进行了系统软件设计，包括主程序设计和中断程序设计。基于此试验平台，进行了在线射流混药比例控制的试验，在离心泵电机转速变化的情况下，观察吸药流量、混合液流量和混药比的大小和变化情况。结果表明，在线射流混药比例控制试验平台可根据不同药液的浓度控制混药比，使混药比的可调范围广，提高了实时自动混药精度，证明了该试验平台方案的可行性，为进一步推广应用打下了坚实的基础。

关键词：试验平台；渔药；混药比；STC12C5A60S2

中图分类号：S969 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）10-2645-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.10.049

Abstract： STC12C5A60S2 MCU as core control chip， including the charge amplifier， the programmable amplifier， the low-pass filter and the peak detector. The software design of the system is under the environment of CCS， including main program design and interrupt program design. Based on this test bench， the test of the online jet mixing control is conducted under the circumstances of the rotate speed of centrifugal pump motor for observing the absorption dose， the mixture dose， the mixing proportion and the changing situation. The results showed that the mixing proportion can be controlled with different concentrations on proportional control experimental platform of online jet mixing drug. In this way， the range of the mixing proportion is wider and the precision of the automatic mixing is higher. It proves the feasibility of this experimental platform scheme and builds a solid foundation for the further application.

Key words： experimental platform； fishery drug； mixing proportion； STC12C5A60S2

中国的农业生产正逐渐由传统农业向现代农业转变。从20世纪90年代以来，中国的水产养殖发展迅速，水产养殖面积已超过6.1×106 hm2，水产养殖总量占世界的60%以上，但也存在问题，如设备不配套、作业主要依靠人力、缺乏小型水产作业机具、且作业环境十分恶劣。这不仅限制了劳动效率的提高和劳动条件的改善，还阻碍了渔业养殖向精准农业和现代化农业进一步发展[1]。养殖业作为一种现代农业生产方式，其进一步发展必然要求提高水产养殖的机械化和自动化水平。

随着渔药自动喷施技术的发展，能有效地解决中小型池塘渔药自动喷施的问题，但渔药原液和水的混合比例问题仍然没有得到很好的解决。采用传统人工预混的方式不仅混药质量不高、混药比例难以控制，而且渔药很容易接触到人体而对渔民的身体造成危害，所以人工预混药逐渐被在线混药所代替。目前，国内外对在线混药技术的研究多集中于混药装置的性能研究[2]、混药浓度的在线检测[3]、用于植保机械中的在线混药变量喷雾系统[4]等方面。而关于水产养殖的渔药喷施领域中能够调节水流量和药流量，并能实时控制混药比例的混药控制试验平台的研究在国内外基本是空白。本研究针对现有农药喷雾技术的局限性和缺陷，提出了一种适合于渔药自动喷施过程中自动吸药、水流量和药流量实时检测、精确计算混药比例的试验平台。该试验平台设计巧妙，结构简单，方便实用，可用于不同渔药混药比例试验和渔药喷施船或中小型挂接式渔药喷施机。

1 混药比例控制试验平台

1.1 混药比例控制试验平台的结构

在线射流混药比例控制试验平台结构示意图如图1所示，主要包括储水箱、底阀、变频器、离心泵、流量计、压力变送器、药箱、单向阀、单片机混药比例控制器等。储水箱和药箱中都安装有检测水量和药量的液位传感器，防止由于液体容量不足而导致试验失效。离心泵将三相异步电机和泵集成于一体，作为整个装置的动力源，利用变频器用来控制离心泵的转速，支管控制阀用来控制管路水流量，通过变频器和支管控制阀两者的配合使用来控制水流量和药流量以及压力的大小。自动吸药混药器利用管道中形成的负压自动吸入药液，可以实现药液与水的均匀混合[5]。通过检测得到的吸药流量的流量计数值与混合液流量的流量计数值的比值可以精确得到不同鱼药的混药比例，这是通过单片机混药比例控制器软件编程来实现的[6]。

采用在线射流混药比例控制试验平台具有的有益效果是：①针对不同渔药要求，实时调节水流量和药流量来控制混药比例，并能自动吸药；②渔药与空气不接触，不会导致渔药失效，且不会对操作人员的健康造成损害；③该试验平台可以直接挂接在渔药喷施船或中小型渔药喷施机上，操作方便、实用。

1.2 混药比例控制试验平台的工作原理

变频器控制离心泵，离心泵溢口处采用溢流管道直接连通到储水箱内，溢流管道末端连接防止水倒流至储水箱的底阀，离心泵的出口通过管路连接检测供水主管水流量的流量计构成供水主管路，供水主管路连接三通的入口，三通a的一个出口连接供水支管路，另一个出口连接比例混药进水支管；比例混药进水支管路与自动吸药混药器进口连接在一起，该管路上依次设置支管过滤器、检测混药器进口流量的流量计、检测混药器进口压力的变送器；自动吸药混药器出口通过比例混药出药支管路与三通b连接在一起，该管路上依次设置检测混药器出口压力的压力计和防止药液回流的单向阀，三通b的一个出口与供水支管路连接在一起，该管路上设置了支管控制阀，另一个出口连接回流管路，该管路上依次设置检测混合液流量的流量计、检测混合液压力的变送器；在自动吸药混药器的药液入口设有检测吸药流量的流量计，该流量计入口外接吸液管，该吸液管下端设有过滤器，插入到药箱底部；单片机混药比例控制器根据每一时刻通过流量计的流量实时计算混药比例[7-9]。

2 流量检测

本研究中所用的流量传感器均采用LWGY型涡轮流量传感器，如图2所示。该流量传感器测量范围广，下限流速低，压力损失小，具有较高的抗电磁干扰和抗振动能力。采用LWGY-32型流量计检测供水主管水流量，流量范围1.5～15.0 m3/h；采用LWGY-25型流量计检测混药器进口流量的流量计和检测混合液流量，流量范围1.0～10.0 m3/h；采用LWGY-15型流量计检测吸药流量，流量范围0.6～6.0 m3/h。

被测液体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时，叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性变化，因而在检出线圈两端感应与流量成正比的电脉冲信号，经检出器中的前置放大器放大后传送至显示仪表。

3 控制系统硬件设计

为了实现渔药与水的精确混合比例试验，达到渔药混合比实时控制和监测的目的，构建了以STC12C5A60S2作为微处理器的控制系统[6]。该系统的硬件部分主要由电荷放大器、程控放大器、低通滤波器、峰值检测电路等通道和STC12C5A60S2单片机系统、键盘输入电路、输出电路组成，系统硬件框如图3所示。该系统的主要功能是将涡轮流量计的压电传感器出来的微弱电荷信号转变为电压信号，经过放大滤波后由单片机STC12C5A60S2自带的A/D转换器变成数字量，整形输出后得到规则的方波通过定时器进行记数，根据记数的结果，计算出流量和混药比相关信息。

系统的显示输出采用240×120图形点阵液晶显示器，具有以下优点：工作电压小、功耗低、驱动电路简单、器件体积小、显示清晰、内含驱动与控制电路以及串行通信接口，可与单片机方便对接，专用于流量、温度、压力等仪表，可显示14位8段式字符，满足该系统的要求。系统显示界如图4所示。

4 控制系统软件设计

控制系统的流程如图5所示。混药比是通过吸药流量的流量计数值和混合液流量的流量计数值来确定的，其流量是通过涡轮流量传感器检测得到的，其大小变频器所控制的离心泵转速高低的变化而变化。

该系统可以通过控制离心泵的转速即泵出口流量的大小来实时控制药流量和水流量的大小，从而控制混药比。

5 试验研究与分析

5.1 试验平台主要部件

在线射流混药比例控制试验平台主要包括：上位机系统、动力控制与泵水装置、试验台管路。涡轮流量传感器和压力传感器的型号、性能参数和安装位置如表1所示。

5.2 试验结果分析

流量控制是影响混药效果的主要因素，为了验证该控制系统的实际控制效果，对系统的软件及硬件进行综合测试，测试在离心泵电机转速变化的情况下，吸药流量、混合液流量和混药比的大小和变化情况，试验结果如表2所示。

通过上述试验表明，随着电机转速的增大，试验平台吸药流量和混合液流量逐渐增大，而混合液流量和吸药流量的比值即混药比也逐渐增大。在线射流混药比例控制试验平台可根据不同药液的浓度控制混药比，使混药比的可调范围广，提高了实时自动混药的精度。

6 结论

1）该试验平台设计巧妙，结构简单，适合于渔药自动喷施过程中自动吸药、水流量和药流量实时检测、精确计算混药比。

2）以单片机STC12C5A60S2为核心控制芯片，设计并开发了在线射流混药比例控制系统的软硬件。硬件部分设计了电荷放大器、程控放大器、低通滤波器、峰值检测电路等通道，同时系统采用点阵液晶显示器来显示界面，并在CCS环境下运用模块化的思想，设计了各个模块和程序。

3）在线射流混药比例控制试验平台可根据不同药液的浓度控制混药比，使混药比的可调范围广，提高了实时自动混药的精度，证明了试验平台方案的可行性，为进一步推广应用打下了坚实的基础。

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[3] 邱白晶，贾方闻，邓 斌.混药浓度在线检测装置[J].农业机械学报，2014，45（2）：99-104.

[4] 刘志壮，徐汉虹，洪添胜.在线混药式变量喷雾系统设计与试验[J].农业机械学报，2009，40（12）：93-96，129.

[5] 张俊峰，柳国昌，万 勇.渔药自动喷施机的设计[J].湖北农业科学，2013，52（19）：4792-4794.

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