基于PWM的无人机精准变量喷洒系统方案设计

肖利平　全腊珍　康江

摘 要 随着农业技术的不断发展，精准农业逐渐被提上日程，然而在我国的农药喷洒中，大多数农业生产对喷洒药量的把握全靠农户的经验，不仅效率低下，还会造成空气和土壤的污染，对农产品的安全也造成了一定的危害。为了减少环境污染、实现变量喷洒，完成了基于PWM的变量农药喷洒控制系统的方案设计。

关键词 PWM；变量喷洒；方案设计

中图分类号：S49 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.27.061

1 研究的意义

将无人直升机技术、施药技术相结合形成的无人直升机施药技术装备具有尺寸小、重量轻、操控灵活、农药喷洒效果好、作业效率高等优点，适用于中、小田块的病虫害防治或大田块局部精准施药。但也暴露出一些问题。

首先，农药的大面积喷洒也随之产生了一系列的危害。杭州市富阳区食品安全检验检测中心陈瑜等人采集2012—2016年杭州市富阳区农贸市场和生产基地等市售的新鲜蔬菜共671份，按照NY/T 761-2008《蔬菜和水果中有机磷、有机氯、拟除虫菊酯和氨基甲酸酯类农药多残留的测定》对30种常用农药的残留量进行检测，发现近5年杭州市富阳区的叶菜类蔬菜农药检出率最高为30.3%，且残留超标程度较为严峻[1]。

其次，传统的变量农药喷洒采用压力控制流量的方式，因此流量的改变就需要一定范围内的来改变压力，而压力的改变必然会导致喷雾颗粒大小的变化，从而造成喷药的不稳定。为此采用变量农药喷洒的方法实现农药的喷药，因为它是在压力恒定的情况下实现的，实现了在保证喷雾颗粒大小不变的情况通过改变的值来更大范围的调节流量变化的目的。

2 PWM调制原理

PWM调制是通过脉冲宽度调制方式将直流电源变成PWM波[2]。PWM波是在一定频率下的由一连串连续的具有不同占空比的矩形波组成，它广泛地应用于测量、通信、与变频等许多领域。图1所示为生成原理和波形图，该系统由一个锯齿波发生器和一个比较器组成。信号如果小于输出高电平，否则输出低电平。因此，从图1中可以看出，比较器输出一串波。

因此，可以通过对输出的方波进行信号放大来驱动电磁阀喷头。在压力、频率一定的情况下来改变电磁阀的开断时间，从而来改变喷头的流量。

3 无人机农药喷洒系统总体结构设计

无人机机农药喷洒系统总体结构包含电动离心喷头、折叠式喷杆、药液箱、施药控制系统、液泵、机架等[3]。农药喷洒系统整体以四点的方式与无人直升机下方的连接点利用螺栓固定连接。施药控制系统与机架固连，位于药箱侧面，其信号输入端与控制主机的辅控制输出端相接。

其中药箱成马鞍形设计，通过外壁设置的2道安装槽与机架固连，折叠式喷杆组件通过2只带“T”形螺钉的卡箍安装在机架上，折叠式喷杆两端安装2个电动离心喷头。液泵通过4只螺钉固定安装在马鞍形药箱的凹面，液泵的吸液管经药箱凹面的吸液口通至药箱底部，向液泵输送药液。

4 均匀喷洒控制系统方案设计

4.1 均匀喷洒中央处理模块（MCU）设计

本设计采用ST公司的STM32F407VGT6作为主控芯片、STM32F103CBT6作为备用应急芯片。在飞行过程中，遥控信息的捕获、传感器数据的采集与滤波、实时姿态解算、电机控制等这些任务和计算都需要MCU处理，所以MCU需要非常强大的处理能力。另外，飞控程序本身的多任务特性，要求MCU有足够的Flash、RAM以及最小的中断时间。传统的8位、16位MCU很难达到要求。本设计中STM32F407VGT6芯片使用ARM公司的Cortex-M4内核，最高168MHz运行频率、192kB RAM、1MB Flash以及FPU浮点运算单元。STM32F103CBT6芯片使用ARM公司的Cortex-M3内核，最高72MHz运行频率、128kB RAM、1MB Flash。此外，这两块芯片外设丰富，多个USART、SPI、IIC、SDIO、USB接口。与其他型号MCU对比有如下优势：第一，相对较高的运行频率、额外的DSP指令集、FPU浮点运算单元和CCM内存等可以提供足够的计算能力；第二，丰富的外设使得飞控PCB设计变得简单，减少外部IC的数量，并能一定程度上减轻MCU的处理压力；第三，Cortex-M内核特有的中断处理，相比于其他内核而言有更快的响应速度和更丰富的优先级配置，能更快地完成切换。

4.2 电源模块设计

本系统采用三端固定输出电压式稳压电源7805，它可以输出的5 V直流电压。为了提高输出的电流，可以通过使用一个附加的功率三极管来实现，它具有的集电极电流，当电流输出小于时，稳压器工作，晶体管不工作；一旦超过这个值，晶体管工作，然后将集电极的电流传入负载。该电源电路能够输送超过的负载电流。

4.3 继电器模块设计

本模块的继电器选用12V继电器模块，模块尺寸为53 mm×18 mm×18.5 mm；控制区域与负载区域有隔离槽；模块带光耦隔离，触发现可靠，更稳定；采用双面FR-4线路板设计，高端贴片工艺生产；采用松乐-继电器控制；具有电源和继电器动作指示，吸合亮，断开不亮；信号输入端有低电平信号时，公共端与常开端会导通；继电器可以直接控制各种设备和负载；有1个常开和1个常闭触点；蓝色KF301端子接控制线更方便。

4.4 电磁阀模块设计

目前国内外电磁阀的种类有先导式电磁阀、直动式电磁阀和分布式直动电磁阀三种。为了方便操作，本控制系统选用直动式电磁阀，它应用直动式原理，通电后电磁线圈产生的电磁力把电磁阀内的阀座吸合起来，阀门打开断电后，电磁力消失，内部的弹簧把阀座弹回原处，阀门关闭，从而完成电磁阀的开启与关閉。它具有反应迅速、动作灵敏、价格实惠等优点，应用范围广泛。由于信号的输出使通过软件的设置从单片机的工口输出的，所以输出的驱动电流比较小，它不能直接驱动电磁阀，因此需要加入信号电流的放大。本控制系统采用来驱动路电磁阀，是高电压大电流八个达林顿晶体管阵列，它是低逻辑电平数字电路和大电流高电压负载间接口的理想器件，它的驱动电流可以达到，完全满足本电磁阀的开启要求电流。本设计选择12 V常开型电磁阀。

4.5 隔膜增压泵模块设计

本模块采用雷士泰隔膜泵增压泵，包括自吸泵1个、电源适配器1只、2分管接头2只、母头1只、进水端过滤头1只；内有压力感应装置，当水满后压力达到最大值，自吸泵自动切断电源，放水后压力小于最大值，泵会自动通电抽水。

4.6 显示模块设计

本模块采用的是直流LCD液晶数显电压表（图2），是带电压+电流+功率+电量四种功能全屏液晶显示于一体的多功能直流液晶带背光显示的直流测试仪表头，电压范围6.5～100 V，内置分流器；测试电压直接供电，无需外接电源，测量精准，超大屏幕LCD液晶全屏显示清晰。

5 结语

无人直升机技术、施药技术相结合形成的无人直升机施药技术装备适用于中、小田块的病虫害防治或大田块局部精准施药。针对农药的大面积喷洒产生的农药残留危害和传统的变量农药喷洒从而造成喷药的不稳定，本文完成了基于PWM的变量农药喷洒控制系统的总体结构设计以及均匀喷洒控制系统MCU、电源、继电器、电磁阀、增压泵、显示等模块的方案设计。

参考文献

[1]陈瑜，袁新跃，张培洪，等.2012—2016年杭州市富阳区蔬菜中农药残留监测及分析[J].食品安全质量检测学报，2016，7（12）：5083-5088.

[2]荣军，李一鸣，万军华，等.不同PWM调制方式对无刷直流电机调速的影响[J].微电机，2015，48（10）：70-74.

[3]周立新，薛新宇，孙竹，等.无人直升机农药喷洒系统的设计及应用[J].江苏农业科学，2013，41（12）：396-398.

（责任编辑：赵中正）endprint