太原理工大学 硕士学位论文 化学农药高效喷雾控制系统的研究 姓名：毛宝林 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：张文爱 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 化学农药高效喷雾控制系统的研究 摘 要 精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空 间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系 统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方 面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生 产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调 动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并 改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。精准农 业是一个复杂的管理体系，它由机械、农业、电子和信息技术组成，应用 多种数据资源进行作业生产，广泛应用于施肥、喷药和播种等。 针对我国植保机械和喷雾技术水平落后的情况，借鉴国内外变量喷雾 系统研究成果，以满足越来越高的环保要求为准则，以实现低喷量、精喷 洒、少污染、高效率为目标，研发一套脉宽调制变量喷雾控制系统，并对 该系统进行了性能测试试验，完成的主要工作有： (1)对变量喷雾控制系统进行需求分析，建立了利用控制电磁阀脉冲宽 度信号来决定喷洒农药量的系统设计方案。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II (2)完成了脉宽调制农药喷洒控制器的主控模块、 输入模块、 显示模块、 放大驱动模块、电源模块、压力传感器、流量传感器、速度传感器、串口 通信设备等模块的软硬件设计。 (3)对系统进行了性能测试与分析，包括脉宽调制农药喷洒均匀度测定 和不同喷头在压力和高度变化下的农药喷洒均匀度测定。 关键词：变量喷雾，脉宽调制，变量控制器，喷洒均匀度，变量喷洒机 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON THE EFFECTIVE SPRAYING CONTROLLING SYSTEM OF CHEMICAL PESTICIDE ABSTRACT Precise irrigation is the new trend of the worlds agriculture. It is supported by the information technology based on spatial variability, it is a set of system on modern farming technology and management implemented by location, timing and quantity. Its basic principle is based on soil properties in which the crop grows, regulation inputs for crop, that is, on the one hand, soil properties of the field and the spatial variability of productivity were analyzed, on the other hand, the production goal of crops was determined, “System diagnosis, formulation optimization, technical assembly, scientific management“ were properly implemented. Soil productivity was mobilized to achieve the same income or higher income under the condition of the least or the most saving investment, and improving the environment, efficient using of various types of agricultural resource to accomplish economic and environmental benefits. Precision agriculture is a complex management strategy that uses mechanical, electronic, and information technologies to apply data from multiple sources to crop production practices such as application of fertilizers, pesticides, and seeds. The development of plant protection machinery and pesticide application technique is show correspondingly in our country. In order to conform to the requirements of environment protection, and to aim for low volume, precision spray, low pollution, high efficiency, a variable rate 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV spray system based on the machine vision technology was developed by studying on domestic and foreign research paper. In addition, some important experiments and testing were designed and accomplished for the system. The main work has been completed as follows: 1The requirements for variable spray control system was analyzed, the system design was proposed by using the pulse width signal of solenoid valve to determine the amount of pesticide spraying. 2The hardware and software design of the system modules were complemented, including the core controlling module, input module, display module, amplified drive module, power module, pressure sensor, flow sensor, speed sensor, serial communication equipment. 3The system testing and analysis was accomplished, including uniformity tests of pulse-width modulating pesticide spray as well as determination of pesticide spraying uniformity for the nozzles under different pressures and height changes. KEY WORDS: Variable spraying, Pulse width modulation, Variable controller, Spray uniformity, Variable spray machine 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 论文研究的目的和意义 中国是世界上最主要的农业国家， 用占世界 7%的耕地解决了世界 22%人口的温饱问 题，但是人口增长和土地资源减少的矛盾不可逆转1。预计到 2030 年，我国人口将达到 16 亿， 粮食总需求量将达到近 7 亿吨2。 21 世纪我国农业面临比世界上任何国家都严峻 的挑战，要依靠自己的力量解决 16 亿人口的粮食问题，必须依靠先进的技术实现农业 生产资源最大限度的合理配置与高效利用34。同时，随着人们生活水平的提高，人们 对粮食品质的要求也越来越高，这也需要加强技术以提高作物品质及耕作水平。我国耕 地面积的大幅度增加可能已有限，解决问题的根本出路在于增效、挖潜56。 农业生产过程中的植物保护是一个非常重要的环节。 受经济发展和人口增长的双重 压力，中国野生植物生境破坏严重、资源过度消耗，植物多样性受到严重威胁，这是目 前我国植物多样性保护所面临的重要挑战。 植物保护的方法主要有化学防治、物理防治、生物防治、综合防治等。由于化学防 治法具有工效高、防治及时等特点，特别是对于突发性、大面积暴发的病虫害，能够做 到及时控制与防治。因此，它仍然是对作物进行病虫草害防治的主要方法。并且将是相 当长时期内的主要方法7。 在植保过程中农药的应用大大地减轻了病虫草害对农作物的侵害， 它能使粮食的损 失减少 15 % 左右，并且对蔬菜、水果和其它经济作物的保护有不可替代的作用，因此 农药工业在世界范围内得到了迅速发展。据德国化学工业协会（VCI）2005 年 8 月份发 表报告称，2004 年全球化学品需求从 2003 年的约 1.7 万亿欧元增加到 1.76 万亿欧元， 增幅达 3.9。 报告显示， 从全球化学品的需求格局来看， 欧洲所占份额继续为 33.2， 北美自由贸易区国家占到 26.7，亚洲地区占到 31.1。亚洲最大消费国是日本，占 9.9； 接下来是中国， 占 9.28； 2005 年中国超过美国成为世界第一的农药生产大国， 并首次突破百万吨大关9。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 在传统农林病虫草害防治过程中人们大多关注某农艺措施提高多少产量， 为了达到 更好的喷杀效果，农民通常根据全田块发生病虫草害严重区域等的总体情况，采用全面 喷洒过量的农药来保证目标区，并且总是盲目加大用药量，甚至随意混配药剂，增加用 药次数，使农药的用量不断上升。由此产生了一系列的负面影响： (1)造成资源浪费和环境污染 就目前在农业中的使用情况看，我国农药的利用效率极低，只有 20%30%，发达 国家为 50%60%。目前我国施药后到达害虫靶标的量不足使用量的 1%，只有约 0.03% 的药剂起到杀虫作用，防治效果不尽理想101112。而这些有毒的化学物质（特别是一 些性质稳定、不易被环境分解、又有一定慢性毒性的品种）由于其利用率低，所以大部 分漂失在空气、洒落田间或随水雨等进入河流或渗入地下，对空气和水体等造成了很大 污染1314。 (2)造成粮食、蔬菜等农产品农药残留，并给经济带来了巨大的损失 据农业部 2005 年前三次例行监测的结果， 全国 37 个大中城市蔬菜农药残留按照国 际标准判定，平均合格率为 94.215，而实际情况可能远低于此。 由于残留量超标我国农产品被拒收、退货、销毁的现象常有发生。每年因此造成的 外贸损失高达 70 亿美元，严重影响了国家信誉161718。比如自 2005 年 8 月 1 日起， 欧盟取消对硫丹的授权，对硫丹的农残检出标准由 30mg/kg 提高到 0.01mg/kg。该月份 浙江省茶叶对欧盟出口只有 403.9 吨， 价值 78.2 万美元， 比上一年