CN109168369A - 一种智能化变量施肥装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能化变量施肥调节装置及控制方法，包括机架牵引装置、深松整地装置、变量施肥装置和变量施肥控制装置；深松整地装置包括旋耕装置和深松装置；变量施肥装置包括单体施肥装置、排肥管、肥料箱和电器控制盒；变量施肥控制装置包括嵌入式工控机、单片机、开度调节步进电动机驱动器、转速调节步进电动机驱动器、开度传感器、转速传感器和土壤氮含量传感器；本发明能根据土壤的氮含量实现施肥过程当中的变量调节，实现对地块每处位置的精准施肥；且本发明结构简单、设计合理、易于推广，能充分解决农作物施肥过程当中肥料的施加问题，可以有效的利用肥料，并且避免造成环境污染和肥料浪费的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能化变量施肥装置及控制方法，具体涉及一种新型、高效、节约肥料的变量施肥调节，应用于农作物生产过程中作物的施肥环节，属于农业机械技术领域。
背景技术
变量施肥技术是精准农业的重要组成部分，在国外已获得了显著的经济和社会效益。变量施肥机在发达国家研究较为深入，其相关技术已日臻完善和商品化。美国早在20世纪90年代就进行了测土配方施肥技术的应用，英国、德国、加拿大、澳大利亚等国家也相继开展了研究与应用，而我国在20世纪90年代后期才开始对精准施肥技术的进行关注和适当研究。
我国自20世纪70年代开始，化肥的消费量迅速增加，对提高农作物产量起到了很大的作用，但我国的化肥投入突出问题是结构不合理，利用率低。1978—2005年粮食产量仅增产50％，但化肥消费量却增长了300％以上。目前我国施用化肥多停留在经验施肥的水平上，化肥利用率仅为30％～40％，化肥的增产效果并未得到充分发挥，造成了惊人的浪费，在一些地区已出现了水污染等问题。据统计，我国的化肥施用量已经达到了平均434.3kg/hm2，远远超出发达国家为防止化肥对水体造成污染所设置的225kg/hm2的安全上限，是国际标准的1.93倍。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不仅造成了经济上的巨大损失，而且引起了严重的环境污染，化肥尤其是氮肥已成为主要的环境污染源之一。因此，实行科学的变量施肥是农业可持续发展的必要措施和亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种智能化变量施肥调节装置及控制方法，本发明具有结构简单、实用性强、易于推广的特点。
本发明技术方案如下：
一种智能化变量施肥装置，包括机架牵引装置、深松整地装置、变量施肥装置和变量施肥控制装置。
所述机架牵引装置包括平板机架、两侧机架、连接机架以及牵引机架；所述的两侧机架位于整个装置的两侧用来连接肥料箱和平板支架；所述的平板机架左右两端固定在两侧机架上，平板机架顶部后端与连接机架下端固定连接；平板机架位于旋耕刀轴和连接机架中间，用来支撑整个装置；所述的连接机架位于平板机架上方，且连接机架左右两端固定在两侧机架上；所述的牵引机架固定在连接机架中间，牵引机架与现有动力机械连接并带动整个装备前进。
所述深松整地装置包括旋耕装置和深松装置；所述的旋耕装置包括旋耕刀片以及旋耕刀轴，旋耕刀片周向平均分布在旋耕刀轴上，旋耕刀轴两端固定在平板机架底端两侧，旋耕装置位于平板机架的下方且位于深松铲的后面；旋耕刀轴左右两端两端固定两侧机架上，用来碎土和翻转土壤，使田地土壤能更有利于肥料的施加；所述的深松装置包括悬挂支架、深松机架和深松铲；所述悬挂支架位于深松机架上方；平板机架前方均匀平行连接多个悬挂支架；悬挂支架前端与深松机架垂直连接，另一端固定在平板机架上；深松机架底部连接深松铲；深松整地装置用来碎土和翻转土壤，使肥料更有效的吸收；
所述变量施肥装置包括单体施肥装置、排肥管、肥料箱和电器控制盒；所述的单体施肥装置包括配肥器驱动电机、驱动轴、外槽轮壳体、外槽轮排肥器、隔肥挡板、毛刷、固定板、开度转动轴、连接杆、支撑支架和配肥器开度调节步进电机；所述外槽轮壳***于配肥器驱动电机右侧；配肥器驱动电机通过驱动轴与外槽轮排肥器中的外槽轮连接，配肥器驱动电机通过驱动轴带动外槽轮转动实现施肥，通过改变配肥器驱动电机的转速改变施肥量；所述外槽轮壳体内部安装外槽轮、隔肥挡板、毛刷、驱动轴、开度转动轴、连接杆和固定螺母；隔肥挡板固定在外槽轮壳体一端，用于防止肥料泄露；隔肥挡板下端连接毛刷，且毛刷在外槽轮排肥器的内部并与外槽轮紧紧贴在一起，不留一丝缝隙，在施肥过程中防止肥料泄露；固定板固定在外槽轮壳体一端，以保持外槽轮排肥器稳定；支撑支架安装在配肥器开度调节步进电机和固定板的下面，用来固定配肥器开度调节步进电机，配肥器开度调节步进电机安装在外槽轮壳体的右侧，通过开度转动轴与外槽轮排肥器相连；在外槽轮与开度转动轴中部对应位置上分别设有小孔，连接杆两端分别连接两个小孔；且连接杆两端使用固定螺母加以固定；配肥器开度调节步进电机通过开度转动轴通过连接杆带动外槽轮左右移动，通过排肥器的开度调节实现变量施肥；所述的肥料箱位于外槽轮排肥器上面；肥料箱底部均匀连接多个单体施肥装置，每个单体施肥装置底部连接一个排肥管；肥料箱中的肥料通过单体施肥装置进入到排肥管中施加到田地里；肥料箱顶部可活动设有盖子，能防止肥料受潮，有效保证肥料的效果；所述的电器控制盒安装在机架的一侧；电器控制盒上设有显示屏和按钮，用来显示整个装置的工作状态和控制单体施肥装置的开关；
所述变量施肥控制装置包括嵌入式工控机(上位机)、单片机(下位机)、触摸屏、开度调节步进电动机驱动器、转速调节步进电动机驱动器、开度传感器、转速传感器和土壤氮含量传感器；嵌入式工控机(上位机)与触摸屏连接，单片机(下位机)则安装在两侧支架上靠近电器控制盒的一端；开度调节步进电动机驱动器在两侧支架一端与开度调节步进电动机连接；转速调节步进电动机驱动器则与配肥器驱动电机相连接，开度传感器和转速传感器均置于每个单体施肥装置内部并分别与所述的嵌入式工控机(上位机)连接，分别用于检测单体施肥装置的开度和转速；开度传感器安装在开度转动轴上，转速传感器安装在驱动轴上；所述土壤氮含量传感器安装在平板支架的底部且位于深松铲后方，用来检测土壤每处位置的氮含量；每个深松铲后方对应安装一个土壤氮含量传感器；通过触摸屏触摸界面与嵌入式工控机通信，嵌入式工控机通过单片机控制驱动器以此来实现步进电机的启停和转速，实现对地块进行变量施肥；通过传感器检测到的信号反馈给嵌入式工控机再重新控制电机的工作，实现对地块每处位置的精准施肥。
本发明还涉及一种智能化变量施肥装置的控制方法，步骤如下：
1)智能化变量施肥装置工作时，嵌入式工控机中实现设定变量施肥参数(实现智能化变
量施肥参数可根据现有技术编程)，内容包括传感器数据采集、步进电动机工作的自动
控制；
2)确定单体施肥装置的施肥量；
3)嵌入式工控机先接收土壤氮含量传感器实时采集的土壤中氮含量的数据，再接收开度传感器和转速传感器实时采集的开度调节步进电动机的开度数据和转速调节步进电动机的转速数据，然后根据此时土壤中所需要的氮含量调节开度调节步进电动机的开度数据和转速调节步进电动机的转速数据，并由单片机来控制开度调节步进电动机驱动器和转速调节步进电动机驱动器进行工作，以此来实现施肥工作；通过触摸屏触摸界面与嵌入式工控机通信，嵌入式工控机通过单片机控制驱动器以此来实现步进电机的工作和转速大小，完成地块的变量施肥，通过传感器检测到的信号反馈给嵌入式工控机再重新控制电机的工作，实现对地块每处位置的精准施肥；
4)完成某位置施肥之后再继续判断是否完成了地块变量施肥作业，如果完成，则作业结束，如果没有完成，则继续工作，继续3)、4)步骤，直至完成所有地块的施肥工作。
步骤2)中单体施肥装置的施肥量根据下列公式确定：
外槽轮式排肥器每转的排肥量是：
式中：q1、q2—排肥器每转强制层和带动层的排肥量(单位：g)；
d—外槽轮的直径(单位：cm)；
L—外槽轮的工作长度(单位：cm)；
γ—肥料容重(单位：g/cm3)；
n—排肥轴转速(单位：rpm)；
α—肥料对凹槽的充满系数，与转速有关；
f—每个凹槽的端面积(单位：cm2)；
t—槽的节距(单位：cm)；
Cn—带动层的特性系数或计算厚度(单位：cm)，与转速有关；
通过改变排肥轴的工作长度和排肥器的转速实现对肥料的变量控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果及优点是：
本发明结构简单、设计合理、易于推广，能充分解决农作物施肥过程当中肥料的施加问题，可以有效的利用肥料，并且避免造成环境污染和肥料浪费的问题；(1)可以代替以往的施肥装置，设计结构简单可行，易于实现，通过对作物的变量施肥，能有效改善化肥当季利用率低的问题，避免浪费和环境污染，能有效的节约生产成本，并且还可以避免因肥料过多造成烧苗现象或者肥料过少作物生长不好的情况，可以有效地提高作物的产量；(2)智能化操作控制，可以通过电器控制盒进行控制，能实现施肥过程当中的变量调节，这样可以根据不同地块的肥料需求进行施肥，有利于提高工作效率；(3)整个装置结构简单且占用空间小，在原本施肥装置基础上的改动不大，能有效的满足施肥作业的变量操作要求，并且装置维护方便，不会影响农作物的生产。
附图说明
图1本发明的整体结构图
图2本发明的施肥器正面结构图
图3本发明的施肥器俯视结构图
图4本发明的控制流程图
图中：1-深松铲、2-深松机架、3-悬挂支架、4-两侧机架、5-牵引机架、6-排肥管、7-单体施肥装置、8-肥料箱、9-电器控制盒、10-连接机架、11-平板机架、12-旋耕刀轴、13-旋耕刀片、14-配肥器驱动电机、15-外槽轮壳体、16-配肥器开度调节步进电机、17-固定板、18-支撑支架、19-毛刷、20-驱动轴、21-固定螺母、22-连接杆、23-开度转动轴、24-外槽轮、25-隔肥挡板。
具体实施方式
本发明包括机架牵引装置、深松整地装置、变量施肥装置以及变量施肥控制装置。
本实施例中，此装置的长宽高分别为2.5m×1.2m×1.5m。
如图所示，所述机架牵引装置包括平板机架11、两侧机架4、连接机架10以及牵引机架5，平板机架11位于旋耕刀轴12和连接机架10中间，用来支撑整个装置，四个深松装置的悬挂机架3也放置在上面固定，并且其上面还有十二个小孔，用来放置排肥管6末端出口，以保证肥料能顺利施加，两侧机架4位于整个装置的两侧用来连接肥料箱8和平板机架11，且平板机架11的一侧用来固定电器控制盒9，平板机架11底端两侧用来连接固定旋耕刀轴12，连接机架10则是位于平板机架11上方，与两侧机架4相连接，底部位置有十二个孔用来固定排肥管6的底端，并且还用来连接牵引装置；牵引机架5则是固定在连接机架10中间，可以与动力机械相连接带动整个装置进行作业；所述深松整地装置包括深松装置和旋耕装置，深松装置包括悬挂支架3、深松机架2以及深松铲1，所述悬挂支架3位于深松机架2上方，悬挂支架3与深松机架2刚性连接，另一端固定在平板机架11上，深松机架2位于悬挂支架3与深松铲1之间，深松铲1位于深松机架2下方并固定连接，四个深松装置并列一排处于整个装置的最前方，并且一端固定在平板机架11的上方，用来破开土壤使肥料更有效的吸收，旋耕装置则是在整个装置的最底部，包括旋耕刀片13以及旋耕刀轴12，旋耕刀片12周向平均分布在旋耕刀轴13上，位于平板机架11的下方且在深松铲1的后面，用来碎土和翻转土壤，使土壤能更有利于肥料的施加；所述变量施肥装置包括十二个单体施肥装置7、排肥管6、肥料箱8以及电器控制盒9，其中每个单体施肥装置7包括配肥器驱动电机14、驱动20、外槽轮壳体15、外槽轮24、隔肥挡板25、毛刷19、固定板17、支撑支架18、开度转动轴23、连接杆22、固定螺母21以及配肥器开度调节步进电机16，其中肥料箱8安装在单体施肥装置7上面，用来盛放肥料，上面装有盖子可打开关闭，可以有效的保证肥料的效果，并且底部开了十二个孔通过单体施肥装置7与排肥管6相连，在单体施肥装置7的作用下可以使肥料箱中8的肥料通过排肥管6施加到田地当中，单体施肥装置7是在排肥管6的上部，并且和排肥管6一样都是十二个并列一排，上面连接的是肥料箱8，单体施肥装置7最左边安装的是配肥器驱动电机14，通过驱动轴20与外槽轮排肥器中的外槽轮24相连接，配肥器驱动电机14工作通过驱动轴20带动外槽轮24转动实现施肥，并且还可以通过改变驱动电机14的转速来改变施肥量，外槽轮壳体15在配肥器驱动电机14右边，隔肥挡板25固定在外槽轮壳体15内部一端，下端连接毛刷19，毛刷19在外槽轮排肥器的内部并与外槽轮24紧紧贴在一起，目的是为了在施肥过程中防止肥料泄露，固定板17安装在外槽轮壳体15一侧，保证机构的稳定性，支撑支架18安装在配肥器开度调节步进电机16和固定板17下面，用来固定配肥器开度调节步进电机16，配肥器开度调节步进电机16则安装在单体施肥装置7的最右边，通过开度转动轴23与外槽轮排肥器相连，在外槽轮24与开度转动轴23中间对应分别设有小孔，连接杆22通过这两个小孔并把它们连接在一起，并且两端都有固定螺母21加以固定，这样配肥器开度调节步进电机16就可以通过开度转动轴23带动外槽轮排肥器左右移动，从而来实现排肥器的开度调节，进而就可以实现变量施肥的目的；
所述变量施肥控制装置包括嵌入式工控机(上位机)、单片机(下位机)、触摸屏、开度调节步进电动机驱动器、转速调节步进电动机驱动器、开度传感器、转速传感器、土壤氮含量传感器，嵌入式工控机(上位机)与触摸屏连接，单片机(下位机)则安装在两侧支架上靠近电器控制盒9的一端，开度调节步进电动机驱动器在两侧支架一端与开度调节步进电动机16相连接，转速调节步进电动机驱动器则与配肥器驱动电机14相连接，开度传感器和转速传感器均置于每个单体施肥装置7内部并分别与所述的嵌入式工控机(上位机)连接，分别用于检测单体施肥装置7的开度和转速；土壤氮含量传感器安装在整个装置的底部，用来检测土壤每处位置的氮含量。
本发明控制方法如下：
1)嵌入式工控机中事先设定变量施肥参数，内容包括传感器数据采集、步进电动机工作
的自动控制；
2)先确定单体施肥装置7的施肥量；
3)嵌入式工控机先接收土壤氮含量传感器实时采集的土壤中氮含量的数据，再接收开度传感器和转速传感器实时采集的开度调节步进电动机的开度数据和转速调节步进电动机的转速数据，然后根据此时土壤中所需要的氮含量调节开度调节步进电动机的开度和转速调节步进电动机的转速，并由单片机来控制开度调节步进电动机驱动器和转速调节步进电动机驱动器进行工作，控制排肥量开始施肥工作；通过触摸屏触摸界面与嵌入式工控机通信，嵌入式工控机通过单片机控制驱动器以此来实现步进电机的工作和转速大小，完成地块的变量施肥，通过传感器检测到的信号反馈给嵌入式工控机再重新控制电机的工作，实现对地块每处位置的精准施肥；
4)然后进行判断排肥***是否正常工作，如果正常工作，再继续进行施肥工作，如果不能正常工作，则故障提示报警，人工检查修理；
5)完成某位置施肥之后再继续判断是否完成了地块变量施肥作业，如果完成，则作业结束，如果没有完成，则继续工作，继续3)、4)、5)步骤，直至完成所有地块的施肥工作；
步骤2)中单体施肥装置7的施肥量根据下列公式确定：
外槽轮式排肥器每转的排肥量是：
式中：q1、q2—排肥器每转强制层和带动层的排肥量(g)；
d—外槽轮的直径(cm)；
L—外槽轮的工作长度(cm)；
γ—肥料容重(g/cm3)；
n—排肥轴转速(rpm)；
α—肥料对凹槽的充满系数，与转速有关；
f—每个凹槽的端面积(cm2)；
t—槽的节距(cm)；
Cn—带动层的特性系数或计算厚度(cm)，与转速有关；
由上述公式可看出影响排肥器施肥量的参数一个是排肥轴的工作长度L,另一个是排肥器的转速n，通过改变排肥轴的工作长度和排肥器的转速实现对肥料的变量控制。
通过触摸屏触摸界面与嵌入式工控机通信，嵌入式工控机通过单片机控制驱动器以此来实现步进电机的工作和转速大小，完成地块的变量施肥，通过传感器检测到的信号反馈给嵌入式工控机再重新控制电机的工作，实现对地块每处位置的精准施肥。
Claims (4)
1.一种智能化变量施肥装置，其特征在于：包括机架牵引装置、深松整地装置、变量施肥装置和变量施肥控制装置；
所述机架牵引装置包括平板机架、两侧机架、连接机架以及牵引机架；所述的两侧机架位于整个装置的两侧用来连接肥料箱和平板支架；所述的平板机架左右两端固定在两侧机架上，平板机架顶部后端与连接机架下端固定连接；平板机架位于旋耕刀轴和连接机架中间，用来支撑整个装置；所述的连接机架位于平板机架上方，且连接机架左右两端固定在两侧机架上；所述的牵引机架固定在连接机架中间，牵引机架与现有动力机械连接并带动整个装备前进；
所述深松整地装置包括旋耕装置和深松装置；所述旋耕装置位于平板机架的下方且位于深松铲的后面；所述的旋耕装置包括旋耕刀片和旋耕刀轴，旋耕刀片周向平均分布在旋耕刀轴上；旋耕刀轴两端固定在平板机架底部两侧，旋耕刀轴左右两端两端固定在两侧机架上；所述的深松装置包括悬挂支架、深松机架和深松铲；所述悬挂支架位于深松机架上方；平板机架前方均匀平行连接多个悬挂支架；悬挂支架前端与深松机架垂直连接，另一端固定在平板机架上；深松机架底部连接深松铲；
所述变量施肥装置包括单体施肥装置、排肥管、肥料箱和电器控制盒；所述的单体施肥装置包括配肥器驱动电机、驱动轴、外槽轮壳体、外槽轮排肥器、隔肥挡板、毛刷、开度转动轴、连接杆、支撑支架和配肥器开度调节步进电机；所述外槽轮壳***于配肥器驱动电机右侧；配肥器驱动电机通过驱动轴与外槽轮排肥器中的外槽轮连接，配肥器驱动电机通过驱动轴带动外槽轮转动实现施肥，通过改变配肥器驱动电机的转速改变施肥量；所述外槽轮壳体内部安装外槽轮、隔肥挡板、毛刷、驱动轴、开度转动轴、连接杆和固定螺母；隔肥挡板固定在外槽轮壳体一端，用于防止肥料泄露；隔肥挡板下端连接毛刷，且毛刷在外槽轮排肥器的内部并与外槽轮紧紧贴在一起，在施肥过程中防止肥料泄露；支撑支架安装在配肥器开度调节步进电机和固定板的下面；配肥器开度调节步进电机通过支撑支架安装在外槽轮壳体的右侧，配肥器开度调节步进电机通过开度转动轴与外槽轮排肥器连接；外槽轮与开度转动轴中部对应位置上分别设有小孔，连接杆两端分别连接两个小孔；配肥器开度调节步进电机通过开度转动轴通过连接杆带动外槽轮左右移动，通过排肥器的开度调节实现变量施肥；所述的肥料箱位于外槽轮排肥器上面；肥料箱底部设有多个排肥孔，排肥孔分别连接一单体施肥装置，每个单体施肥装置底部连接一个排肥管；肥料箱中的肥料通过单体施肥装置进入到排肥管中施加到田地里；肥料箱顶部可活动设有盖子；所述的电器控制盒安装在机架的一侧；电器控制盒上设有显示屏和按钮，用来显示整个装置的工作状态和控制单体施肥装置的开关；
所述变量施肥控制装置包括嵌入式工控机、单片机、触摸屏、开度调节步进电动机驱动器、转速调节步进电动机驱动器、开度传感器、转速传感器和土壤氮含量传感器；嵌入式工控机与触摸屏连接；单片机安装在两侧支架上靠近电器控制盒的一端；开度调节步进电动机驱动器在两侧支架一端与开度调节步进电动机连接；转速调节步进电动机驱动器则与配肥器驱动电机连接，开度传感器和转速传感器均置于每个单体施肥装置内部并分别与所述的嵌入式工控机连接，分别用于检测单体施肥装置的开度和转速；开度传感器安装在开度转动轴上，转速传感器安装在驱动轴上；所述土壤氮含量传感器安装在平板支架的底部，用来检测土壤每处位置的氮含量；嵌入式工控机通过单片机控制各个驱动器以实现步进电机的启停和转速，实现对地块的变量施肥。
2.如权利要求1所述的一种智能化变量施肥装置，其特征在于：每个深松铲后方对应安装一个土壤氮含量传感器。
3.如权利要求1所述的一种智能化变量施肥装置的控制方法，其特征在于：
1)嵌入式工控机中事先设定变量施肥参数，内容包括传感器数据采集、步进电动机工作的自动控制；
2)确定单体施肥装置的施肥量；
3)嵌入式工控机先接收土壤氮含量传感器实时采集的土壤中氮含量的数据，再接收开度传感器和转速传感器实时采集的开度调节步进电动机的开度数据和转速调节步进电动机的转速数据，然后根据此时土壤中所需要的氮含量调节开度调节步进电动机的开度数据和转速调节步进电动机的转速数据，并由单片机来控制开度调节步进电动机驱动器和转速调节步进电动机驱动器进行工作，以此来实现施肥工作；通过触摸屏触摸界面与嵌入式工控机通信，嵌入式工控机通过单片机控制驱动器以此来实现步进电机的工作和转速大小，完成地块的变量施肥，通过传感器检测到的信号反馈给嵌入式工控机再重新控制电机的工作，实现对地块每处位置的精准施肥；
4)完成某位置施肥之后再继续判断是否完成了地块变量施肥作业，如果完成，则作业结束，如果没有完成，则继续工作，继续3)、4)步骤，直至完成所有地块的施肥工作。
4.如权利要求3所述的一种智能化变量施肥装置的控制方法，其特征在于：
所述步骤2)中单体施肥装置的施肥量根据下列公式确定：
外槽轮式排肥器每转的排肥量是：
式中：q1、q2—排肥器每转强制层和带动层的排肥量(单位：g)；
d—外槽轮的直径(单位：cm)；
L—外槽轮的工作长度(单位：cm)；
γ—肥料箱容重(单位：g/cm3)；
n—排肥轴转速(单位：rpm)；
α—肥料对外槽轮凹槽的充满系数，与转速有关；
f—每个外槽轮凹槽的端面积(单位：cm2)；
t—外槽轮之间的节距(单位：cm)；
Cn—带动层的特性系数或计算厚度(单位：cm)，与转速有关；
通过改变排肥轴的工作长度和排肥器的转速实现对肥料的变量控制。
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