基于GPS技术环境下的农田精量施肥系统研究

论文摘要

精细农业被公认为21世纪重要的现代农业生产方式,是农业实现可持续发展的必然选择。我国农业生产依赖化肥的大量投入,多采用大面积均匀施肥,一方面导致在养分含量高的区域施肥过量,增加成本,污染环境;另一方面在养分含量低的区域达不到施肥效果。因此提出精量施肥的思想,其含义是按照事先划定的田间小地块的具体情况,对肥料科学配方,获取高产量和高效益。这就要求具有智能控制的精量施肥机械。论文以精细农业思想为背景,参考当前国内外已有精量施肥机构的优、缺点,设计了一台适应我国农业生产实际的精量施肥机械,其结构包括:单片机决策系统,步进电机控制系统,T-Flash卡,速度传感器,决策结果显示模块,排肥机构等。另外由GPS、土壤信息采集系统等组成精量施肥的辅助系统。精量施肥决策系统和控制系统是精量施肥机械的核心。决策系统综合输入其中的各相关影响因素实时参数进行施肥决策。首先将整个地块划分为若干小块并编号,由GPS及土壤信息采集系统结合测定地块养分信息,同时考虑农作物对肥料的预期需求,运用目标产量法生成地块施肥处方图,将处方信息存储于T-Flash卡中导入单片机决策系统。控制系统负责施肥决策的正确执行。作业时首先由GPS对施肥机进行定位,将位置信息传送至单片机,在T-Flash卡中查找出当前位置对应的地块编码,结合处方图调出施肥信息。同时决策系统读取地轮转速传感器反馈的施肥机行进速度,综合考虑此速度与施肥决策数据,得出控制排肥轴转速的脉冲信号并输送给控制系统实现精量排肥。同时当前地块编码及施肥量等信息在决策结果显示模块上进行显示。设计了系统的硬件电路,用Keil C语言对所需程序进行编程并调试。排肥机构选用外槽轮式排肥器,自制了试验台,利用步进电机驱动器驱动步进电机进而带动排肥器排肥轴转动实现排肥。分别测得四种型式排肥器在不同转速下的排肥量,求出其平均变异系数,经比较得C.V.（10槽铸铝）>C.V.（6槽塑料）>C.V.（20槽塑料）>C.V.（12槽塑料）,所以应选用12槽塑料排肥轮用于精量施肥机;测得12槽塑料排肥轮排肥舌在不同位置不同转速下的排肥量,求出其平均变异系数,经比较得C.V.（位置三）>C.V.（位置一）>C.V.（位置二）,所以排肥舌应置于位置二;测得12槽塑料排肥轮排肥槽在四个不同工作长度不同转速下的排肥量,求出其平均变异系数,经比较得C.V.30mm>C.V.10mm>C.V.40mm>C.V.20mm,所以12槽塑料排肥轮排肥槽工作长度应设置为20mm。通过对三种不同肥料的排肥试验,求出其平均变异系数,经比较得C.V.（磷酸二铵）>C.V.（复合肥）>C.V.（尿素）,可知对于颗粒较大、流动性较好的肥料施肥量相对较为稳定,施肥效果较好。通过大量试验,对排肥器及影响排肥量的相关参数进行了优选,确定了排肥量、机具前进速度和步进电机转速三者之间的关系,建立了适合精量施肥机构的最优模型。运用Excel和Origin分析测得试验数据,通过数据分析,初步完成了系统的设计,针对试验中存在的问题进行了可能原因的分析并提出改进建议。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• 1 引言
• 1.1 精细农业概况
• 1.1.1 精细农业的概念
• 1.1.2 精细农业的意义
• 1.1.3 精细农业核心技术
• 1.2 精量施肥的概念及研究意义
• 1.2.1 精量施肥的概念
• 1.2.2 研究精量施肥技术的意义
• 1.3 精量施肥技术的研究现状
• 1.3.1 国外的研究现状
• 1.3.2 国内的研究现状
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 2 精量施肥系统总体设计
• 2.1 田间精量施肥决策系统
• 2.1.1 精量施肥的实施方式
• 2.1.2 目标产量法
• 2.2 影响排肥量的相关因素分析
• 2.2.1 机具行进速度
• 2.2.2 排肥器因素
• 2.3 精量施肥控制系统的选取
• 2.3.1 液压马达控制实施精量施肥
• 2.3.2 变速器控制实施精量施肥
• 2.3.3 步进电机控制实施精量施肥
• 2.4 本课题实施方案
• 2.5 系统的总成
• 2.6 系统的实施流程
• 3 精量施肥系统的硬件设计
• 3.1 决策系统的选型
• 3.2 控制系统硬件结构
• 3.3 速度传感器及其接口
• 3.3.1 角度-数字编码器特点
• 3.3.2 旋转编码器的接法
• 3.4 液晶显示及其接口
• 3.5 控制信号输出
• 3.5.1 步进电机的选型
• 3.5.2 步进电机驱动器的选型
• 3.5.3 连线设计
• 3.6 GPS 在本系统中的应用
• 3.6.1 制作农田电子地图
• 3.6.2 土壤采样与养分分析
• 3.6.3 GPS 的选型
• 3.7 电平转换电路
• 3.8 T-FLASH 卡的电路接口设计
• 3.9 系统原理图的确定
• 4 精量施肥系统的软件设计
• 4.1 软件开发语言
• 4.2 程序设计
• 4.2.1 各影响因素之间关系式
• 4.2.2 主程序流程
• 5 精量排肥机构试验及结果分析
• 5.1 外槽轮式排肥器的设计计算
• 5.1.1 外槽轮式排肥器的基本计算公式
• 5.1.2 外槽轮式排肥器的性能试验方法
• 5.2 试验目的、设备及材料
• 5.3 试验台结构
• 5.4 试验步骤
• 5.5 试验数据及结果分析
• 5.5.1 排肥器类型的选择
• 5.5.2 排肥轮排肥舌最佳位置的确定
• 5.5.3 排肥槽的最佳工作长度的确定
• 5.5.4 不同物料的排肥试验
• 5.5.5 排肥轴转速与排肥量之间的关系
• 5.5.6 小结
• 6 结论与建议
• 参考文献
• 英文摘要
• 附录
• 详细摘要