智能控制变量施肥技术的研究
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摘要
化肥是重要的农业生产资料。据研究，化肥在世界粮食增产中的贡献率为40％。可见化肥在农业中的重要地位。中国是化肥生产大国，化肥的生产量和施用量均居世界首位。中国耕地面积不到世界的7％，却养活着世界近四分之一的人口。但化肥利用率低、结构不合理，造成了农产品和环境污染等问题，因此合理地利用化肥及研究施肥技术对中国农业乃至整个国民经济发展都有着非常积极的影响。
中国农业正由传统农业向现代农业发展，但从全局来看，同发达国家相比，并未完全脱离传统农业的范围。尽管农业新技术研究已经开始起步，在施肥方面，如配方施肥、复混肥技术、多元素平衡施肥、深施肥技术等方面的先进技术和措施已经开始研究并在一些发达地区开始应用。但在施肥方面还存在化肥利用率低、农业环境污染等问题。
精细农业是发达国家继LISA(低投入可持续发展农业)后，为适应信息化社会发展要求的又一个新的课题。它是一种关于农业管理系统的战略思想，是信息科学技术在农业中的运用。精细农业的全部概念建筑在“空间差异(spacial variability)”的基础之上，核心是对变化因素进行精确管理，根据当时当地测定的作物实际需要确定对作物的投入。精细农业实现了因土壤、因作物、因时按需施肥，有明显的经济和环境效益。
本文进行了变量施肥的基础研究。包括分析了精细农业的概念、国内外精细农业的发展状况，介绍了精细施肥的概念、意义、技术体系和中国施肥现状，分析了变量施肥机的研究现状。
确定了变量施肥机的设计方案。阐述了对变量施肥影响的主要因素；介绍了变量施肥机机械部分原理和控制部分的设计方案；就所选用的步进电机，阐述了其控制原理和特性；影响排肥量的因素：包括料箱里肥料的高度、排肥器开口的大小、肥料的自流性以及排肥轴的转速。并对每一因素进行了标定试验和方差分析，得到的结论是速度影响显著。针对尿素、碳铵通过标定试验得到了关于施肥机排肥轴转速和排肥器排肥量之间的关系式，进而求得所需施肥量、每个排肥器排肥量和转速三者之间的关系。利用三者之间的关系式推出有施肥量输入、机具前进速度输入时排肥轴转速，利用单片机控制步进电机实现施肥量的变化。
研究开发了变量施肥机的控制器，即利用单片机对系统实现控制。设计了中央处理器的时钟电路、复位电路，外围接口和电源电路。机具前进速度传感器输入，经运算求出所需的脉冲数，输送给驱动器从而控制步进电机变速转动，带动排肥轴转动，达到变量施肥的目的。
试验表明，本文对尿素和碳铵施肥量的建模，转速在施20r／min-70r／min之间，肥误差率在10％，基本上满足要求。
中国人多地少，化肥施用不当的矛盾日益严峻，在中国当务之急是采用精细农业技术，尤其是变量施肥技术。而中国精细农业技术尚处于发展阶段，尤其是智能农业装备及田间信息采集系统。
Fertilizer is important agricultural material. According to research, science and technologies accent for seventy percent of the efficiency in increasing food in the world,the main techniques include excellent seeds, chemistry material (fertilizer and pesticide) and irrigation. From which we can conclude that fertilizer possesses an important degree in agriculture of the world. Our country is excessive in producing fertilizer, the quantity of production and use is both the most in the world. The are a of field land in our country is less than seven percent of that in the world population. Agriculture and national economy of our country are affected actively by utilizing fertilizer rationally and researching techniques of fertilization.
Agriculture of our country is developing from conventional one to modern one, but when all comes to all.It has not broken away from conventional confine completely comparing with developed countries. Many research of agriculture techniques have already began. Advanced techniques and measures are researched and applied in the developed regions, but there are still many questions in fertilization such as low efficiency of fertilization, environmental pollution, etc. Precision Agriculture is a new research to adapting the demand of information development after LISA, the total notions of Precision Agriculture are based on special variability, the core of it is managing variational elements accurately and investment of crops based on the practical demand after measure then and there. Precision Agriculture realizes fertilization totally based on soil, crops and time, so it has obvious economical and environmental benefits. It is the developmental tendency of the agriculture.
The basic research on the VRF(the Mechanism of Variable ateFertilizer).included to analyzing the concept of the precision Agriculture and development general ituation in domestic and international, introduced the concept,meaning, technique system of the Precision Agriculture an the present condition about fertilizer on our country; Analyzed the research present condition on the MVRF. Decided the design project of the MVRF. Expatiated the influence of the nature factor to the variable rate fertilization First elaborated applies fertilizer the influence primary factor to the variable; Introduced the variable fertilizer applicator machine part principle and the control section design proposal; Selects step motor machine, elaborated its control principle and the characteristic; Has analyzed the variable
中国农业正由传统农业向现代农业发展，但从全局来看，同发达国家相比，并未完全脱离传统农业的范围。尽管农业新技术研究已经开始起步，在施肥方面，如配方施肥、复混肥技术、多元素平衡施肥、深施肥技术等方面的先进技术和措施已经开始研究并在一些发达地区开始应用。但在施肥方面还存在化肥利用率低、农业环境污染等问题。
精细农业是发达国家继LISA(低投入可持续发展农业)后，为适应信息化社会发展要求的又一个新的课题。它是一种关于农业管理系统的战略思想，是信息科学技术在农业中的运用。精细农业的全部概念建筑在“空间差异(spacial variability)”的基础之上，核心是对变化因素进行精确管理，根据当时当地测定的作物实际需要确定对作物的投入。精细农业实现了因土壤、因作物、因时按需施肥，有明显的经济和环境效益。
本文进行了变量施肥的基础研究。包括分析了精细农业的概念、国内外精细农业的发展状况，介绍了精细施肥的概念、意义、技术体系和中国施肥现状，分析了变量施肥机的研究现状。
确定了变量施肥机的设计方案。阐述了对变量施肥影响的主要因素；介绍了变量施肥机机械部分原理和控制部分的设计方案；就所选用的步进电机，阐述了其控制原理和特性；影响排肥量的因素：包括料箱里肥料的高度、排肥器开口的大小、肥料的自流性以及排肥轴的转速。并对每一因素进行了标定试验和方差分析，得到的结论是速度影响显著。针对尿素、碳铵通过标定试验得到了关于施肥机排肥轴转速和排肥器排肥量之间的关系式，进而求得所需施肥量、每个排肥器排肥量和转速三者之间的关系。利用三者之间的关系式推出有施肥量输入、机具前进速度输入时排肥轴转速，利用单片机控制步进电机实现施肥量的变化。
研究开发了变量施肥机的控制器，即利用单片机对系统实现控制。设计了中央处理器的时钟电路、复位电路，外围接口和电源电路。机具前进速度传感器输入，经运算求出所需的脉冲数，输送给驱动器从而控制步进电机变速转动，带动排肥轴转动，达到变量施肥的目的。
试验表明，本文对尿素和碳铵施肥量的建模，转速在施20r／min-70r／min之间，肥误差率在10％，基本上满足要求。
中国人多地少，化肥施用不当的矛盾日益严峻，在中国当务之急是采用精细农业技术，尤其是变量施肥技术。而中国精细农业技术尚处于发展阶段，尤其是智能农业装备及田间信息采集系统。
Fertilizer is important agricultural material. According to research, science and technologies accent for seventy percent of the efficiency in increasing food in the world,the main techniques include excellent seeds, chemistry material (fertilizer and pesticide) and irrigation. From which we can conclude that fertilizer possesses an important degree in agriculture of the world. Our country is excessive in producing fertilizer, the quantity of production and use is both the most in the world. The are a of field land in our country is less than seven percent of that in the world population. Agriculture and national economy of our country are affected actively by utilizing fertilizer rationally and researching techniques of fertilization.
Agriculture of our country is developing from conventional one to modern one, but when all comes to all.It has not broken away from conventional confine completely comparing with developed countries. Many research of agriculture techniques have already began. Advanced techniques and measures are researched and applied in the developed regions, but there are still many questions in fertilization such as low efficiency of fertilization, environmental pollution, etc. Precision Agriculture is a new research to adapting the demand of information development after LISA, the total notions of Precision Agriculture are based on special variability, the core of it is managing variational elements accurately and investment of crops based on the practical demand after measure then and there. Precision Agriculture realizes fertilization totally based on soil, crops and time, so it has obvious economical and environmental benefits. It is the developmental tendency of the agriculture.
The basic research on the VRF(the Mechanism of Variable ateFertilizer).included to analyzing the concept of the precision Agriculture and development general ituation in domestic and international, introduced the concept,meaning, technique system of the Precision Agriculture an the present condition about fertilizer on our country; Analyzed the research present condition on the MVRF. Decided the design project of the MVRF. Expatiated the influence of the nature factor to the variable rate fertilization First elaborated applies fertilizer the influence primary factor to the variable; Introduced the variable fertilizer applicator machine part principle and the control section design proposal; Selects step motor machine, elaborated its control principle and the characteristic; Has analyzed the variable
引文
[1] 何勇．精细农业．杭州：浙江大学出版社，2003．
[2] 汪懋华．“精细农业”的实践与农业科技创新．中国软科学[J]，1999，(4)：21～25．
[3] Blackmore B.S Presion Agriculture :an Introduce . Outlook Agric. 1994,23(4).
[4] 刘爱民，封志明中国农业大学学报[J]2000，5(2)：20～25．
[5] 林葆，李家康．关于化肥生产和施用中的技术问题．见：国家科委．中国农业科学技术政策
[6] 背景资料．北京：中国农业出版社，1997．12～15．
[7] 马旭，马成林等．变量施肥机具的设计．农业机械学报，2005年1月，36(1)：50～53．
[8] 张福锁，陈新平等．现代农业时代谈化肥．磷肥与复肥，2002，18(1)：1～3．
[9] Houghton A M, knight B E A. Precision faming: farmers and commercial opportunities across Europe Proceedings of British Crop Protection Counci1＜1996,1121～1126
[10] Yang C, Everitt J H, Bradford J M. Comparisons ofuniform and variable rate fertilizer applications using avariable rate liquid applicator[A]. ASAE paper No. 99: 11～45.
[11] http://www.stcsm. gov. cn/learning/lesson/zonghe/20040220/lesson-1.asp
[12] National Research Council. Precision Agriculture in the 21st Century—Geospatial and Information Technologies in Crop Management, National Academic Press , Washington, D. C1997
[13] 金继运，白由路．综述与专论．农业网络信息，2004年第4期：3～9．
[14] 李伯仁．论3S技术在中国土地管理中的应用．国土资源遥感[J]，1994，4：1～7．
[15] 金继运．精确农业和信息农业技术座谈会．世界农业，1998，11：54．
[16] 石元春．土壤学的数字化和信息化革命．土壤学报，2000，37(4)：289～295．
[17] 马旭，马成林等．变量施肥机具的设计．农业机械学报，2005年1月，36(1)：50～53．
[18] 张福锁，陈新平等．现代农业时代谈化肥．磷肥与复肥，2002，18(1)：1～3
[19] 庄俭．新型手控变量施肥机的研究：[硕士学位论文]．长春：吉林大学，2003
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[22] 史吉平、张夫道、林葆长，期施肥对土壤有机质及生物学特性的影响土壤肥料，1998(3)：7～11
[23] 樊小林、廖宗文 控释肥料与平衡施肥和提高肥料利用率 植物营养与肥料学报，1998，4(3)：219～223
[24] 周虹等，中国发展精确农业问题浅析[J]，沈阳农业大学学报，2001，06
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[27] 桑国旗．变量施肥机的研究．[硕士学位论文]．长春：吉林大学，2001
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[34] 丁志刚．直线步进电动机的原理控制应用[M]．北京机械工业出版社，1994，7．
[35] 王晓明．电动机的单片机控制[M]．北京航空航天大学出版社2002，2
[36] 何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计[M]．北京航空航天大学出版社，1995．
[37] 陈理壁．步进电动机及其应用[M]．上海科学技术出版社，1985，6．
[38] 周祖德 陈幼平 主编 机电一体化控制技术与系统[M]，2002，6．
[39] 赖麒文．8051单片机C语言开发环境实务与设计[M]．科学出版社，2005，6．
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