CN103636590B - 一种水稻插秧机施药器及施药控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水稻插秧机施药器及施药控制方法，属于农机具技术领域。该器包括进液端接药箱、出液端接喷嘴的蠕动泵以及控制电路，药箱安置于插秧机，喷嘴安置在插秧机秧爪插秧位置，秧爪插秧位置装有接近传感器件；控制电路具有信号输入端接接近传感器件的智能控制器件，用以根据感知的秧爪位置确定施药时机；智能控制器件的控制信号输出端接蠕动泵的受控端，用以在确定的施药时机控制蠕动泵以预定计量通过喷嘴施药。本发明结构简单合理，工作效率高，可以使药效最大化，避免药液浪费。

Description

一种水稻插秧机施药器及施药控制方法

技术领域

本发明涉及一种作物施药装置，尤其是一种水稻插秧机施药器，同时还涉及施药控制方法，属于农机具技术领域。

背景技术

机插秧有利于减轻水稻生产劳动量，并且节本、增效，因此被大面积推广。但机插秧整田后插秧迟、行距大、苗体小、封行迟，秧苗对杂草竞争力弱，因而机插田的杂草危害较手插田严重。同时，因机插苗小而弱、存在机器植伤等，所以除草剂施用要求更为严格，施药不当极有可能造成药害，影响产量[1]。

目前，机插秧田普遍采用2次除草法，即在稻田平整时先用除草剂进行1次土壤封闭处理，使杂草在稻田定板期间不能出苗，在水稻返青施分蘖肥时，适当推迟施药时间，再进行1次常规方法施用除草剂[2]。这种方法显然工作量和药液的消耗都较大。

申请号为201110052041.1的中国专利申请公开了一种棉田杂草实时识别对靶喷施的方法。其视觉***硬件包括外加光源、CCD彩色摄像机、A/D转换、DSP图像处理器、D/A转换、LCD显示器,外加光源可以改善自然条件下光线不均匀或亮度不合适的情况。识别方法采用以下步骤:安装在除草机械前部的摄像机实时获取棉田图像;经过A/D转换放到片外存储器中供DSP处理器调用,DSP从视频流中抽取帧图像进行处理;利用Cr特征法进行绿色作物和土壤背景的分割;根据喷头布置情况,将图像平均划分为四行,每个喷头对应一行;利用位置特征识别行间杂草;利用叶片面积、形状特征识别株间杂草;将得到的杂草位置信息发送微控制器,控制喷头打开,实现除草剂精确对靶喷施,以节省农药和减少污染。其构成复杂，成本高昂，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种工作效率高、可以使药效最大化，并且简单实用的水稻插秧机施药器，同时给出其施药控制放大，从而尽可能避免药液浪费以及对机插秧的药害。

申请人经过理论分析和实践验证得知，插秧后即刻在秧苗位置施加合适计量的药液可以获得最佳的施药效果，因此同时控制施药时机、位置以及施药量才有可能使药效最大化。在此认知基础上，为了达到以上目的，申请提出本发明的水稻插秧机施药器基本技术方案为：包括进液端接药箱、出液端接喷嘴的液泵以及控制电路，所述药箱安置于插秧机上，所述喷嘴安置在插秧机秧爪插秧位置，所述秧爪插秧位置装有接近传感器件；所述控制电路具有信号输入端接所述接近传感器件（例如接近开关）的智能控制器件，用以根据感知的秧爪位置确定施药时机；所述智能控制器件的控制信号输出端接液泵的受控端，用以在确定的施药时机控制液泵以预定计量通过所述喷嘴施药。

具体而言，所述智能控制器件为单片机，所述单片机的控制信号输出端通过光电隔离芯片与稳压芯片组成的功率放大隔离电路后，接作为开关控制器件的场效应管的栅极，所述场效应管的漏极与源极作为开关信号输出端接蠕动泵的受控端。

本发明工作时，智能控制器件按如下基本步骤进行施药控制：

第一步、计算得出液泵每次额定开启时间；

第二步、接收传感器件的信号，判断秧爪是否达到插秧位置；

第三步、如判断秧爪达到插秧位置，则输出控制信号开启液泵，如判断秧爪未达到插秧位置，则继续第二步；

第四步、判断液泵开启是否达到每次额定开启时间，如未达到则保持开启并继续判断开启时间，如达到则关闭液泵，返回第二步。

采用本发明后，施药控制附加在插秧机上，施药操作与插秧同步，因此结构简单合理，工作效率高，并且通过对秧爪位置的监测把握最佳施药时机，借助安置在插秧位置的喷嘴保证理想的施药位置，可以使药效最大化，避免药液浪费以及造成不必要的污染。

以上第一步通常可以根据每穴平均施药量和液泵预置额定流量计算每次额定开启时间，第三步中开启液泵以额定流量输出。实践中，考虑到工作时插秧机行进速度以及秧爪运转速度的变化，上述控制的进一步完善是，所述第一步中，还判断秧爪此次达到插秧位置与上次达到插秧位置的时间间隔，并判断此时间间隔是否小于预定的阈值，如是则将液泵预置额定流量相应提高后再计算每次额定开启时间，再进行后续步骤；如否则直接进行后续步骤。这样不仅可以使液泵开启时机与秧爪工作位置相吻合，而且使施药速度与插秧速率相匹配，从而更好地保证施药与插秧的同步效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的结构框图。

图2为图1实施例智能控制器的控制流程图。

图3为图1实施例的控制电路核心部分电路图。

图4为图1实施例的控制电路***部分电路图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的水稻插秧机施药器如图1所示，蠕动泵的进液端接药箱、出液端接喷嘴。药箱安置在插秧机上，喷嘴安置在插秧机秧爪插秧位置。插秧机的典型结构可以参见申请号为01823007.5 的中国专利文献，本文不详述。秧爪插秧位置装有作为接近传感器件的接近开关，当秧爪取秧后实现插秧动作而靠近接近开关时，该传感器件将发出相应信号。控制电路的基本构成为，具有信号输入端接接近传感器件（接近开关）的智能控制器件——单片机，该单片机具有常规的显示器、操作按键、程序接口等，由插秧机的车载电瓶通过稳压电路供电，其控制信号输出端接通过功率放大电路接蠕动泵的受控端，因此可以根据接近开关信号感知的秧爪位置，确定施药时机，适时控制蠕动泵以预定计量通过喷嘴准确施药。

控制电路的具体构成如图3、图4所示，含有MSP430F149单片机，共有64个管脚，其中1、64管脚引入3V电压，52-53、8-9管脚分别与主、副晶振连接，54-58管脚接JTAG仿真器接口J7，P4管脚通过电压转换芯片U5（LVC4245）做电压转换后连接按键与档位开关接口J6。P3.4-3.5管脚通过I²C的传输方式连接显示器接口J4，管脚中断功能的P2.0管脚与光电隔离后的接近开关传感信号相连接，P1.2管脚作为蠕动泵的控制信号输出端。

图4中，单片机P1.2管脚输出的控制信号通过光电隔离芯片U1（6N137）与稳压芯片U3（78L08）组成的功率放大隔离电路后，接开关控制器件的场效应管IRF540的栅极，该场效应管的漏极与源极作为开关信号输出端通过接口J2接蠕动泵的受控端。接近开关J3的反馈信号通过另一个光电隔离芯片U2隔离后接至单片机的P2.0管脚，车载电瓶直流电压接口J1接入LM2576-12模块做稳压调整后，给蠕动泵提供12V直流电。

本实施例的水稻插秧机施药器工作时，MSP430F149单片机按如下步骤进行施药控制（参见图2）：

第一步、开始运行时，执行单片机芯片、管脚、中断、定时等个功能定义与初始化步骤；根据每穴平均施药量和蠕动泵预置额定流量计算每次额定开启时间。目前每穴平目前市场标准插秧机为6行（行数i）每次同时插6株秧苗，插秧行距300mm，株距180-220mm，每亩地约1.5万穴（穴数n），按照农艺施药要求，除草剂亩施药量2-5L（施药量C），蠕动泵额定流量260ml/min（流量Q），则

每穴平均施药量M：                                                = 0.07-0.55ml

液泵每次开启时间S：= = 0.18-0.54s

取0.3s为每次额定开启时间。

第二步、进入低功耗等待状态，直至接收传感器件的信号，检测到有秧苗将被植入，判断秧爪是否达到插秧位置。

第三步、如判断秧爪达到插秧位置，则进入中断程序，单片机P1管脚置高开启液泵，同时开启定时计数器，如判断秧爪未达到插秧位置，则继续第二步。

第四步、判断蠕动泵开启是否达到每次额定开启时间，如未达到则保持开启并继续判断开启时间，如计数数值发生溢出则关闭蠕动泵，重新进入低功耗等待状态，返回第二步等待下次秧苗被植入。

更具体而言，接近开关安装在秧爪转轴附近，检测其工作情况，插播秧苗时，秧爪绕轴做半圆周运动经过接近开关附近时触发脉冲信号，单片机在接收脉冲信号后，开启液泵，同时打开定时器计数，一定时间后，液泵被关闭，单片机再一次处于等待状态，直至下一次反馈信号到来。整个过程喷洒药液的时间段与插秧机插播秧苗时间相匹配，按照六行插秧机、30cm插秧行距、和120ml流量的蠕动泵计算，施药***每次液泵开启的时间在0.15s左右可实现2L/亩的施药量。另一方面，车载电瓶提供的直流电压，经过稳压电路调整后，分别输出3V、5V、8V、12V电压分配到***各个集成电路中，显示器通过I²C的传输方式与主机连接，显示***工作状态，按键连接主机设置参数。

这样，可以确保施药操作与插秧同步，合理高效，通过对秧爪位置的监测把握最佳施药时机，借助安置在插秧位置的喷嘴保证理想的施药位置，加之采用蠕动泵以足够精度动态调控预定的施药量，因此可以使药效最大化，避免药液浪费和过度污染，便于推广应用。

实施例二

本实施例的基本构成与实施例一类似，为实现药液喷洒速度与插秧速度匹配，也选取微流量蠕动泵为喷洒装置，药箱、软管为喷洒部件，并设计了以单片机和***电路构成的嵌入式智能控制***。该***能够根据秧爪的运动情况控制蠕动泵工作，插秧机每插一行秧苗，蠕动泵工作一次，每次工作时间可根据亩施药量的大小预先设置，从而实现流量调节功能。为适用于水稻生产应用环境，施药器核心电子部件有防水结构，能够抵挡雨水冲刷和泥水溅洒，不会因为泥浆和积水影响施药的连续性。

为了使施药装备能与插秧机秧苗插播状况协调一致，每插一秧的同时喷洒一定剂量的药液，同时考虑到经济成本，***在硬件设计上采用MSP430单片机为主控制芯片，接收反馈信号，拟定控制策略，发送控制指令；采用接近开关作为反馈信号源，检测秧爪工作状态并以脉冲信号的形式反馈；采用显示器、档位开关、按键等作为人机交互界面；同时，设计以LM2576、6N137、IRF540等集成模块组成的具有稳压、隔离、放大功能的***电路。

考虑到市场上现有插秧机种类繁多，不同种类的插秧机插秧频率也各不相同，为了使施药***能具有更好的适应性，使液泵施药速度与插秧机插秧频率相匹配，在保证每次施药量一定的前提下，改变施药速度，智能控制***采用PWM占空比调制的方法控制液泵工作时间，液泵工作电压频率设置为2000HZ，插秧时默认占空比为50%，当插秧机插秧时间间隔（Δs）小于1s时，自动提高液泵占空比，从而减少施药时间。上述智能控制***与插播频率同步响应的自适应控制策略具体做法为：第一步中，还判断秧爪此次达到插秧位置与上次达到插秧位置的时间间隔，并判断此时间间隔是否小于预定的阈值1s，如是则将液泵预置额定流量相应提高后再计算每次额定开启时间，并相应调整与之相应的占空比，再进行后续步骤；如否则直接进行后续步骤。这样不仅使液泵开启时机与秧爪工作位置相匹配，而且施药速度与插秧频率相匹配，无论插秧速度快慢，均能保证施药与插秧同步。

实验证明，本实施例的施药装置安装在水稻插秧机上后，在插秧的同时，向秧苗行间滴洒生长调节剂、除草剂等药液。药液的滴洒速度和插秧速度相匹配，插秧机行进快，插秧快，药液滴洒相应加快，做到单位面积滴洒的药液量均衡一致的自适应施药。施药装置单位面积滴洒的药液量可以调节，调节范围每亩2-8L，施药均匀性很好，可满足大部分生长调节剂、肥料、以及缓释型除草剂施药要求。作为附属装置，在不需要改动插秧机机体的情况下，可以装在所有主流品牌的插秧机上，包括高速插秧机和普通插秧机。

 [1]《中小苗水稻机插田杂草化除技术初探》庄春、陈川等，江苏农业科学，2006年，第六期。

[2]《机插秧田化学除草技术》陶胜、张安忠等，现代农业科技，2011年，第14期。

Claims (5)

1.一种水稻插秧机施药器，包括进液端接药箱、出液端接喷嘴的蠕动泵以及控制电路，其特征在于：所述药箱安置于插秧机，所述喷嘴安置在插秧机秧爪插秧位置，所述秧爪插秧位置装有接近传感器件；所述控制电路具有信号输入端接所述接近传感器件的智能控制器件，用以根据感知的秧爪位置确定施药时机；所述智能控制器件的控制信号输出端接蠕动泵的受控端，用以在确定的施药时机控制蠕动泵以预定计量通过所述喷嘴施药。

2.根据权利要求1所述的水稻插秧机施药器，其特征在于：所述智能控制器件为单片机，所述单片机的控制信号输出端通过光电隔离芯片与稳压芯片组成的功率放大隔离电路后，接作为开关控制器件的场效应管的栅极，所述场效应管的漏极与源极作为开关信号输出端接蠕动泵的受控端。

3.根据权利要求1或2所述的水稻插秧机施药器施药控制方法，其特征在于所述智能控制器件按如下步骤进行施药控制：

第一步、计算得出蠕动泵每次额定开启时间；

第二步、接收传感器件的信号，判断秧爪是否达到插秧位置；

第三步、如判断秧爪达到插秧位置，则输出控制信号开启蠕动泵，如判断秧爪未达到插秧位置，则继续第二步；

第四步、判断蠕动泵开启是否达到每次额定开启时间，如未达到则保持开启并继续判断开启时间，如达到则关闭蠕动泵，返回第二步。

4.根据权利要求3所述的施药控制方法，其特征在于：所述第一步根据每穴平均施药量和蠕动泵预置额定流量计算每次额定开启时间，第三步中开启蠕动泵以额定流量输出。

5.根据权利要求3所述的施药控制方法，其特征在于：所述第一步中，还判断秧爪此次达到插秧位置与上次达到插秧位置的时间间隔，并判断此时间间隔是否小于预定的阈值，如是则将蠕动泵预置额定流量相应提高后再计算每次额定开启时间，再进行后续步骤；如否则直接进行后续步骤。