具备ID卡功能的变量施液态肥控制器的研究

摘要

变量施肥技术是农业实现可持续发展的必要措施，自其诞生到今，已受到广泛认可。经历了百余年的研究与发展，变量施肥技术日趋成熟。开展此项技术研发较早的国家，通过应用于农田生产，收获了显著的经济效益与社会效益。在我国，变量施肥作业目前仍未得到普及，面对化肥不合理使用导致农田生态环境的逐步恶化，科学、智能、因地制宜的施肥方式是解决问题的根本，因此具备变量施肥功能的控制器的研究具有重要意义。
　　变量施肥控制器分适用于固体肥与液态肥两种，本文主要对变量施液态肥的控制器进行了深入的研究。分析变量施肥控制器的工作原理，依据技术要求，制定了以单片机为控制核心，电磁比例调节阀为执行机构的控制器设计方案，围绕方案展开深入的研究。论文首先对控制器的硬件进行了设计，确定系统组成，重点对控制板、通信模块以及驱动电路进行研究，并将ID卡功能应用于控制器中，自主研发并设计了ID卡及其阅读器，利用其权限性，可以完成施肥配方和配置参数的修改，同时还可以实现对作业数据的管理，提高了控制器的安全性与可靠性，以及提高了与上位机的通信效率，缓解了数据存储压力。其次，对控制器的软件进行了精心设计，利用控制板处理器的定时中断功能控制调节阀开、关时间，为满足与上位机的通信功能，编写了相应接口函数，制定了固定的数据格式，同时利用PC机在VB环境下开发了模拟上位机系统，可实现GPS信息与车速信息的读取并进行分析计算。针对电磁比例调节阀的控制算法，传统PID与积分分离PID的应用出现了严重超调及动态响应慢的现象，因为施肥系统压力的限制，施肥出现明显不稳定情况，针对这一现象，特对此进行深入分析，最终设计了具备滞回特性的积分分离PID。稳定了输出，缩短了调节时间，提高了控制精度。经过综合研究，最终研发并设计一款具备ID卡功能、可实现手/自动控制的适用于三种液态肥混合控制的变量施液态肥控制器。
　　为了验证设计方案的可行性和变量施液态肥控制器的工作性能，对控制器进行了静态测试与农田作业试验。通过对试验结果的分析，最终证实本文研制的控制器控制精度较高、抗干扰能力强、工作稳定可靠、操作简单方便，满足变量施肥的技术要求。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究目的与意义

1．2 研究现状与发展趋势

1．2．1 国外研究状况

1．2．2 国内研究状况

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

2 控制器整体方案设计

2．1 控制器设计要求

2．2 控制器设计流程

2．3 控制器的组成及其工作原理

2．4 本章小结

3 控制器的硬件设计

3．1 处理器的选择及最小系统设计

3．2 驱动电路设计

3．3 显示模块

3．4 通信模块设计

3．5 电感式ID卡及其阅读器设计

3．5．1 电感式ID卡的工作原理

3．5．2 ID卡副边线圈的电源输出特性测试

3．5．3 ID卡电路的组成及工作原理

3．5．4 原边线圈L1感值的测量

3．5．5 电感式ID卡电路工作波形分析

3．6 本章小结

4 控制器的软件设计

4．1 控制器主程序的设计

4．2 通信模块的程序设计

4．3 电磁比例调节阀控制程序设计

4．4 本章小结

5 控制器样机测试

5．1 静态测试

5．1．1 控制误差测试方法及结果

5．1．2 施肥管出肥均匀度测试方法及结果

5．1．3 肥料养分适配误差测试方法及结果

5．1．4 施肥量可控制范围测试方法及结果

5．2 田间测试

5．2．1 控制器启动性能测试

5．2．2 控制器动态响应测试

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文