智能安全高效的背负后喷式喷雾器研究

刘齐宁 高帅

【摘 要】针对传统背负前喷式喷雾器存在费力、农药利用率低、安全隐患等缺点，设计一种智能安全高效的背负后喷式喷雾器，其结构主要包括药箱、电机、微型摄像头、控制单元、摇摆支架、高压雾化喷头、电子显示屏、遥控器。特点是采用后喷雾化喷头，实现喷洒角度灵活和喷洒速度可控，操作简单。该喷雾器可在降低操作者劳动量的同时，提高喷洒质量，实现药物喷洒的省水、省药、高效、安全的低负荷劳作。

【关键词】喷雾器；后喷式；智能；安全；高效

中图分类号： TM732 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0048-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.021

【Abstract】In view of the disadvantages such as difficulty，low utilization rate of pesticides and potential safety risks， the paper designs an intelligent，safe and efficient after-burners sprayer，whose structure mainly includes medicine cabinet，motor，miniature camera，control unit，swing support，high-pressure spray nozzle，electronic display screen，and remote control.It is characterized by the form of back spraying，with atomizing sprinkler head，which can realize controllable spraying Angle and spraying speed，and simple operation.The sprayer can reduce the work quantity of the operators，improve the quality of spraying，and realize the water-saving，drug-saving，efficient and safe low-load labor.

【Key words】Sprayer；Rear spray；Intelligence；Safety；Efficiency

0 引言

中国是一个农业大国，华北部分地区土地分散，具有户均耕地少以及耕地地理位置分布不集中特点，分散的土地状况限制了资金、新技术的投入，也阻碍了我国农业机械化、现代化的进程。近年来我国背负式喷雾器得到较快发展，从最初的背负式手动喷雾器，如“工农-16”手动背负式喷雾器，发展到机动背负式喷雾器，如“3WBS-18”型背负式电动喷雾器，背负式机动喷雾喷粉等，解决了手动喷雾器喷雾中的“跑、冒、滴、漏”的缺点。目前仍以背负前喷式喷雾器为主，主要存在费力、农药利用率低、安全隐患等问题。对此，笔者借鉴国外同类产品的特点，设计一种智能安全高效的背负后喷式喷雾器。该设计降低操作者劳动量的同时，提高了喷洒质量，实现药物喷洒的省水、省药、高效、安全的低负荷劳动。

1 喷雾器的整体设计及工作原理

1.1 整体设计

文章设计的喷雾器主要由后喷机构、控制系统、喷头等部分组成。

该喷雾器总质量为6.5kg，药箱长×宽×高（mm）：370×180×515，药箱容量18L。整体结构如图1所示。

1.2 工作原理

工作时，操作者根据电子显示屏的图像，确定农作物的高度，根据实际情况，操作者向下或者向上调整手柄杆的角度，通过曲柄连杆的变化，带动电机座板上下摆动，对应抬高或降低摇摆支架的角度，使得喷雾杆摆动到合适位置后，拧紧固定螺栓上的螺母，使得电机座板在竖直平面上保持固定。操作者根据自己的行走速度，通过遥控器给控制单元发出速度控制信号，控制单元根据速度控制信號控制电机的转速，使喷雾杆的摆动速度与操作者的行走速度匹配，确保农药喷洒的均匀性和覆盖率。

其中，面对不同的喷洒作物，操作者可更换不同形状的喷头，比如：喷洒水稻时，可选用带有三个喷嘴的高压雾化喷头，以提高农药利用率；在公共场所卫生防疫、消毒时，可选用带有一个喷嘴的喷头高压雾化喷头。

2 喷雾器各部分设计

2.1 后喷机构设计

后喷机构包括药箱、电机、摇摆支架、喷雾杆、曲柄连杆、手柄杆等。如图1所示，其结构是在药箱的背部安装固定板，固定板用合页与电机座板相连接，使得电机座板可以上下摆动，电机座板安装有电机，电机通过其电机轴上的联轴器与摇摆支架的一端焊接固定，摇摆支架的另一端插上喷雾杆后，拧紧螺母固定喷雾杆，喷雾杆插入摇摆支架的一端通过软管与药箱连通，药箱一侧安装控制电机座板上下摆动的曲柄连杆，曲柄连杆一端的手柄杆上设置有限位孔，将固定螺栓穿过手柄杆的限位孔将手柄杆固定在药箱上，曲柄连杆的另一端杆焊接在电机座板上。

后喷机构设计特点是以力矩定理为基础，结合牛顿定律，将传统前喷喷杆设计成后喷式，通过电机的转动和曲柄连杆的运动，实现水平面上的左右摆动和垂直面上的上下摆动。极大程度地减少了药液与操作者接触的机会，大大提高了操作者的人身安全。

2.2 控制系统设计

控制系统主要由控制单元、电机、遥控器、电子显示屏、微型摄像头等部分组成。其技术原理是微型摄像头将图像采集给电子显示屏，操作者根据农作物的高度，调节喷雾杆摆动到合适位置。操作者根据自己的行走速度，通过遥控器给控制单元发出速度控制信号，控制单元根据速度控制信号控制电机的转速，使喷雾杆的摆动速度与操作者的行走速度匹配，确保农药喷洒的均匀性和覆盖率，其工作框图如图2所示。

2.2.1 电机选择。电机选择的是42步进电机，由药箱中自带的12V电源供电。尺寸是42*42*33mm、步进角是1.8度、12V时电流为1.1A，转速根据操作者的行走快慢调节。步进电机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的数字控制电机，具有响应速度快、实现正反转和无误差积累等优点，如图3所示。

2.2.2 控制单元的选择。控制单元是控制系统的核心部件，本设计选用A4988单片机，由药箱中自带的12V电源供电。根据操作者行走快慢，通过遥控器实现电机的启停、正反转和调速。

2.2.3 电子显示屏和摄像头的选择。如图4所示，电子显示屏选择的是5/6/7寸显示屏，可充电、性能稳定、图像清晰。摄像头采用的是广角摄像头，通过连接线与电子显示屏连接，由电子显示屏供电，具有体积小、价格实惠、高清画质等优点。

2.3 喷头设计

研究发现：在喷雾过程中，药液会因为滴漏、随风漂移、在作物体表面上弹跳、积聚流失等造成损失。药滴大不但容易在药液噴向作物过程中滴落也容易落在叶面上积聚流失，药滴太小更容易随风漂移。普通喷头喷出的药滴直径有200微米，多为空心式喷雾，为了达到均匀需要来回摆动使得局部药液浓度大导致浪费。采用高压雾化喷头，其药液呈扇面状落在农作物上，比较均匀且其药滴直径比较小，能达到100微米以下。或者采用一杆多喷头，大大提高了喷雾效率。

3 结论

设计的智能安全高效的背负后喷式喷雾器迎合农民的需求，能够很好解决现有前喷式喷雾器存在费力、农药利用率低、安全隐患的问题。通过研究试验表明，该智能安全高效的背负后喷式喷雾器适合农作物的植保管理、卫生防疫等。具有以下特点：雾滴细，雾滴直径在100微米以下；吸附能力强，喷头距目标50cm，喷幅在3.2m左右，步行速度为0.5m/s时，目标背面平均吸附药滴在100滴/cm2以上；施药效率高，达0.3～0.6hm2/h；由于吸附能力强、飘移少，用药量减少；采用智能后喷喷杆，提高了安全性。不足之处，对电机的工作效率和不同农作物，有待进一步考证。

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