摘 要

目前农林病虫害防治形式严峻，一旦发生大规模灾害，农民一年的收成很容易在短时间内被破坏殆尽。各地建立了植保站防治病虫害，但原先的手持式施药化学防治技术存在着许多不足，比如工作劳动强度大并且通常采用大流量的方式进行覆盖式喷洒，过多的药液流失到土地，对果园农田造成不必要的污染和浪费。同时，有些部分又因为未得到够量的药物，容易被病虫侵扰。

采用自走式喷雾机和苗木精确对靶技术，可以有效解决上述这些问题，节约农药的使用，节约成本；提高农药的使用效率，防治农药对土地产生过大的不良影响，减少人力成本和劳动强度。

本文介绍了自走式喷雾机的下位机控制系统设计，控制系统由GPS测速模块，电源，单片机，电磁阀控制和保护电路组成。该控制系统有以下几个功能：单片机用于接收GPS测速模块发送的速度信号，编写了通信协议，可以将速度数据传送给上位机，上位机通过速度信号和树木苗靶的位置生成喷雾命令传送给下位机，由下位机控制电磁阀口的开闭。

关键词：GPS测速；喷药机；下位机；控制系统

Design of Self - propelled Sprayer Control System Based on GPS Speed Measurement

Abstract:At present, the form of forest pest control is grim, and in the event of large-scale disaster, the harvest of farmers is easy to be destroyed in a short time. Around the establishment of the plant protection station to control pests and diseases, but the original hand-held chemical control technology has many deficiencies, such as the work of labor intensity is large and usually use large flow of the pesticide to cover the farm which causes too much liquid loss to the land. At the same time, some parts because of not enough drugs, easily suffer pest infestation.

The use of self-propelled sprayer and nursery stock precision target technology can effectively solve these problems, such as saving the use of pesticides and saving costs;At the same time,it can improve the efficiency of pesticides to prevent pesticides from causing too much adverse effects and reduce labor costs and labor strength.

This paper introduces the design of the control system of the lower position machine of the self-propelled sprayer. The control system is composed of GPS velocity measurement module, power supply, single chip computer, solenoid valve control and protection circuit. The control system has the following functions: The MCU is used to receive the speed signal sent by the GPS velocity measurement module, Through the communication protocol the lower position computer can transmit the speed data to the upper computer. The upper computer generates the spray command by using the speed signal and the position of the tree seedling target and transmit it to the lower computer.The solenoid valve is controlled by the lower computer.

Key words: GPS speed measure; Spraying machine; Lower computer; Control System

目录

第一章 绪论 2

1.1喷药机总体介绍 2

1.1.1 喷药机械类型介绍 2

1.1.2喷药机械的正确使用 3

1.2喷药机械的研究目的 3

1.3喷药机发展状况 4

1.3.1国内喷药机械现状 4

1.3.2国外喷药机械的发展 5

1.3.3喷药机械的未来发展趋势 6

1.4论文研究内容与意义 7

第二章 方案讨论 8

2.1喷雾机控制系统总体设计方案确定 8

2.2测速模块选择 8

2.3主控制模块选择 9

2.4喷雾电磁阀驱动模块选择 10

第三章 自走式喷药机控制系统硬件设计 10

3.1喷雾系统主控电路设计 11

3.2电源模块 12

3.3喷雾驱动电路 13

3.4 GPS测速模块 15

第四章 喷雾控制系统电路板设计 16

4.1初次自走式喷雾机控制系统电路板设计 16

4.2 印刷电路板布线终稿 18

4.2.1 CPU布线 18

4.2.2喷雾电磁阀驱动电路布线 18

4.2.3电源模块布线 19

4.3 印刷电路板最终成品 20

第五章 自走式喷雾机控制系统软件设计 21

5.1自走式喷雾机控制流程 21

5.2通信用串口初试化程序 22

5.3 GPS数据处理程序 23

图5.2 GPS数据处理子程序流程 25

5.4与上位机的数据交换与命令接收 25

第六章 焊接与调试 26

6.1焊接电路板与制作试验系统 26

6.2程序调试 27

第七章 总结与展望 30

7.1总结 30

7.2展望 30

致 谢 31

附录 33

1. 完整原理图 33

2.印刷电路板实物 35

3.完整程序 36

第一章 绪论

1.1喷药机总体介绍

1.1.1 喷药机械类型介绍

农林果园的病虫害防治从人类开始耕种起就是一件非常重要的事情，从最原始的手工防治，人类在进入了工业化社会之后，防治的手段也在不断增加，现在，从小型的手持式喷洒机到由拖拉机牵引的小型喷药机再到大型自走式喷药机，从只能从地面喷药到装载到了小型农用飞机和农用喷药无人机上的航空喷药装置，喷药机械的类别越来越丰富，种类越来越多。这也极大地推动了粮食的生产，让人类能够脱离饥饿的困扰，人口的增长不再是粮食生产的负担。

现今喷药机械的分类通常由一下集中分类方式：

1. 按喷施农药的剂型颗分为：喷雾，喷粉，喷烟，撒粒，搅拌等；
2. 按带动喷药机的配套动力可分为：人力，畜力，小型动力喷药机械，大型机械牵引或自走式喷药机械，航空喷洒装置；
3. 按操作运行方式颗分为：人力喷药机械有手摇，肩挂，背负式；小型动力喷药机械有手推车式，担架式，手扶式；大型喷药机械有自走式，牵引式，悬挂式；
4. 按雾化方式可分为：液力式，气力式，热力式，离心力式和静电力式等；

1.1.2喷药机械的正确使用

根据农田果林的不同类型，选用不同类型的喷药机械十分必要。需要考虑下述的问题：

1. 要了解可能发生的病虫害的种类及其可能发生的植株的部位，为选择合适的喷药的剂型和喷药作业的方式提供信息；
2. 要了解所需喷药的田地间的土壤条件及周围的自然条件，考虑选购的喷药机械对于不同路面和土壤情况的适应情况，能否安全平稳的运行；
3. 要了解农作物的生长及栽培情况，例如植株的生长高度和果实作物的密度，来确丁喷药的方式，喷药的高度和浓度以及喷洒的用量。

1.2喷药机械的研究目的

自人类从依靠游牧生存跟随自然环境的变化而移动居所发展出了定居点开始耕种养殖以来，病虫草害一直在侵扰着人类，每年都对农业生产造成了极大的危害和损失。人类在数千年里，不断同病虫草害进行着斗争，在探索过程中，有了各种各样的防治方式出现，包括生物防治，物理防治，化学防治等等；由于人类进入了工业化时代以来，化学的科学理论发展和化学药剂的生产力极大的发展，并且由于化学药剂具有见效快效率高的优点，化学防治技术如今已经成为了病虫草害防治的主要措施。现代化的喷药主要依靠的是喷药机械，农药和防治技术。在封建社会直到近代的中国，农业灾害防治几乎百分之一百依靠农民的双手，甚至出现完全靠天吃饭，没有喷药的意识，这造成了天量的农业损失。新中国成立以来，作为一个人口众多的落后的农业国，在工业化过程中，开始用科学思想和工业的力量来改造农业生产过程，其中就包括重视起了喷药工作。在现代化的农业生产中，喷药机械已经成为了不可或缺的一个环节，在农业的增产和稳产中起了相当大的作用，同时减轻农人的劳动强度，提高了工作效率。发展农业喷药机械在当今社会来说已经是一个必选选项，是我们推动农业生产现代化的必需品。

1.3喷药机发展状况

1.3.1国内喷药机械现状

目前，我国70%的喷药机械处于发达国家20世纪70-80年代的水平，常用的仍然是手持式的如喷杆式喷雾机和压缩式喷雾机等，这些较为落后的机械通常密封性，耐腐蚀性等特性都不如现代化的喷雾机械，同时存在操作工施药技术不规范等问题，容易伤害到操作者本身，造成农药残留的危害。同时存在的问题还有以下几点：

1. 喷药机械的种类太少，手段过于单一：喷药机械种类少的结果是不能很好地解决多种病虫草害的威胁，一般都是使用单一的喷药机械喷洒多种农药来达到不同病虫害防治的效果，这样做的后果是不能精确使用农药，造成农药的浪费和多余农药流失到土地造成的污染。
2. 喷药机械的工效太低，我国目前正在使用的喷药机具当中有90%都是手动背负式的，近几年的大面积病虫灾害的原因主要在于手持式喷药机具的工效太低，无法应对大规模的爆发，缺乏应急救场的能力。同时根据有关文章调查，手动和背负式机械还存在着效费比低的问题，耗水量可达600-1200L/hm²,这对于节水型的新型农业来说是十分不利的，而且不利于在水资源不够丰沛的地区推广使用。
3. 喷洒用的喷嘴等部件的开发跟不上化学农药的开发，近年来，虽然化学农药有了很大的发展，但使用的喷嘴等还是原来的老旧型号，并没有相应的改进。导致除草效果不够明显，需要使用更多的农药来达到防治的效果，过多的农药残留还会导致对农药敏感的作物的伤害，造成减产等后果。
4. 目前，农药的利用率还是比较低的，只能达到30%左右，这表示喷洒出的农药中接近70%的农药最终会流失到土地和空气中，造成了严重的农药残留问题，同时由于喷洒的农药经过了雾化，农药液滴容易被风吹散，污染的就不仅仅是喷药的地块，更是污染到了。[4]

1.3.2国外喷药机械的发展

欧美发达国家由于低密度的人口，农业用地的集约化程度很高，由此带动了农业机械化程度的增加，喷药机械也多以大中型的自走式或牵引式的喷雾机为主。微电子技术的发展对农业喷药机械的发展也产生了很强的推动，如今大中型喷雾机中集成了大量的微电子技术，仪器仪表技术和信息技术，提升了喷雾机的智能性，舒适性，可靠性。

喷药机械的现代化主要体现在以下这些方面：

1. 机电一体化的设计，原来的机械控制系统转变成为电子控制系统，电子显示表盘，实时显示机组的前进速度，喷药压力，流量等数据，给予操作者足够多的信息进行选择决策，同时也能够自适应控制，根据速度等信息，面对不同的施药对象进行自动调节喷药压力，单位时间内的喷药剂量等。
2. 手持和背负式的人工喷药机械存在的一大问题就是人和药物的接触比较频繁，加药，混合等措施都需要人亲自去动手操作，和农药接触次数过多造成的影响就是，增大了误操作时对人体造成伤害的概率。使用大中型喷药机的好处之一就在于，将原本需要人接触操作的步骤交给了机器去完成，采用了农药的自注入和自清洗。采用自动混药技术，操作者只需要将农药母液倒入喷药机混药箱中，之后的混药步骤在机器中自动完成，可以减小药液在与水混合过程中的挥发等消耗，同时减少操作者与高浓度农药母液接触的机会，保证操作人员自身不受到农药的伤害。
3. 药箱具有自动清洁，过滤的能力，减少了劳动者清洁喷药机械的劳动量，同时减少了因使用时间过长导致的管道堵塞或者喷头堵塞造成的药液雾化效果变差等问题。[3]

1.3.3喷药机械的未来发展趋势

随着农业现代化的程度越来越高，大型农场的专业化生产会成为未来的农业生产的发展方向。早先工业化过程中，在农业生产中使用农药所遇见的问题和经验的积累，目前，化学防治和农药使用技术的重点在于减少农药的使用量，提高农药在目标植株上的附着力，减轻农药对人体的危害和对农田环境的污染。

上世纪中期以后，欧美发达国家逐步形成了大型农场的专业化生产方式，大规模的农场需要更高的劳动生产率才能体现集约的优势，在此基础上，大中型自走式或牵引式喷雾机发展了起来，提供了更大的药箱和更快的作业速度，让劳动生产率成倍的提高，随着航空技术的成熟，由飞机搭载的航空喷雾装置加入了喷药的领域，近年来的微电子技术和飞控技术的成熟，又使无人机喷药装置进入了实用阶段，不再需要操作人员亲自操控，由处理器自行处理喷药方式，进一步提高了效率。如今国外喷药机械的各个部件都进入了系列化生产的道路，同一个部件有几十种不同的类型，充分适应各种地形，各种植株要求的农药喷洒工作，提高了喷洒的质量。

改进过后的喷头，加入了少飘和雾滴回收的功能，在喷雾时，约束喷雾的形状，使得喷雾能够更加集中地覆盖植株，同时在植株叶片下方放置雾滴回收装置，农药液滴若未能够附着在植株叶片上，能够通过雾滴回收装置重新回到药箱，经过过滤后，重新使用，减少了农药的过量使用。[8]