摘要：随着科学技术的不断更新，信息化技术被广泛地运用于各行各业，在植物保护领域信息技术发挥了重要的作用。传统的注射器械在工作时效率较低，需要配备大量的人员进行操作，且药量不能精确控制，树木无法达到精准药物注射的效果。本文搜集了诸多学者在车载树干注射机系统方面的相关研究，梳理和总结了车载树干注射机系统设计的性价比和实用性等特征，为车载树干注射机系统的推广提供理论依据。
关键词：车载；树干注射机；系统
引言
植物保护机械不断地更新和改进，目的是节约人力，精准劳作。树干注射器械作为一种农业机械，主要作用是保护树木，对树木继续施肥和杀虫，保障树木的健康生长。使用树干注射器械对树木、果树等进行农药注射，大幅度降低了农药对人畜、环境的危害和污染。当前，国内外的植物保护机械中，将用于农业的各类树干注射器分为自流式注药器械和机械动力加压式注射器械两大类，两种机械在投入使用时各有优缺点，自流式注药器械虽然成本较低，操作简单，但对药物浪费较大、注药量不能精确控制、注药速度慢，影响劳作的效率和进程；而机械动力加压式注射器械虽然可以避免以上缺陷，但操作较为复杂，且昂贵的价格不易被农户所接受。因此，在实际生产中，迫切需要一种树干注射器来解决上述的问题。随着电子控制系统的快速发展，车载树干注射机采用单片机控制步进电机作为驱动方式，能够为注射动作提供充足的动力，同时保证动作的精准度和精确性，为解决传统树干注射器的问题提供了方案。
2 研究现状
关于车载树干注射机系统总体结构设计研究
树干注药技术起源于1926年德国Muller发表的《植物内部治疗》中提出的农药注入理论[1]。1926年美国开发出世界上第一台树木注药机械，此后树木注药机不断发展。用于应用试验的注药机械，以美国Mauget研制出的一种无重力输药注射器为代表。后来，Mauget对自流式注药机械进行了改装，提高了注药速度，开创了气压式注药机的先河[2]。美国在1994年研究的自流式注射法，是将输出管截断为几个小节，用三向接头顺次链接，然后在树的一圈间隔打孔，将第3个接头插入孔中，将药液通过输出管流入树干中。其优点是提高了注射速度，药液可以同时均匀地注射到树干中，避免了局部注射药液浓度过高对树干造成损伤[3]。南京林业大学秦飞（1997）在关于车载树干注射机系统总体结构设计研究中指出，步进电机驱动丝杠运动是车载树干注射机系统的基础原理，柱塞与块螺母相连接，滑块的中间连接导杆，是导杆具备一个自由度[4]。河北科技师范学院刘刚（2006）在前人研究的基础上进行研究，他指出丝杠的转动力可以带动滑块螺母与柱塞一起做轴向运动，完成对树木提取药物并注射的机械流程。在螺母机构行程的两端安装两个霍尔传感器，用来采集螺母的端位状态，为控制系统提供信号[5]。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所唐国栋（2006）在此基础上对车载树干注射机系统总体结构设计中的控制系统进行了研究，指出PIC18F458单片机控制步进电机可以完成注射执行机构、步进电机、电机驱动模块、柱塞位置检测模块、液晶显示模块、微控制器模块等驱动机械注射执行机构运动。微控制器模块主要是对步进电机进行驱动，发出驱动脉冲信号，同时通过位置传感器检测注射器柱塞位置，并对其状态进行分析后做出判断[6]。山东省烟台市农科院果树研究所高坤金（2006）、北京航空航天大学出版社李学海（2007）根据用户通过键盘接口设定的药量及注射速度作出研究，其研究表明，驱动步进电机正反转，完成药物的抽取和注射。用户可以通过显示系统，实时监控机械的运行状态，显示屏对用于设定的参数值以及工作状态参数同时显示，在完成一项设定任务时发出提示音，提示操作者进行运作。操作部分可以分工协作，将对药液进行定时、定量、定速的注射合理安排，保证工作的效率[7-8]。
关于车载树干注射机系统硬件结构设计研究
2.2.1微控制模块电路
在整个车载树干注射机系统的结构设计中，微控制器作为核心组成部分，保障机械的正常运行。车载树干注射机系统的微控制器来自于Microchip公司的PIC18F458单片机最小系统，包括车载树干注射机的晶振电路、复位电路等电路控制[9]。对此，北京航空航天大学刘和平（2004）展开同领域研究，研究表明其主要功能是实现对柱塞位置的检测信号分析，为步进电机提供驱动信号，读取用户设定的参数，驱动显示系统，从而控制整个系统的正常工作；而PIC18F458是一款8位高性能单片机，USART模块、CCP模块、A/D转换器模块等8路10位构成了内部集成，尽可能简化整个控制电路，减少使用外接专用电路模块的使用，将控制系统的体积控制在最小范围内，同时保证整个控制系统的运行质量[10]。
2.2.2步进电机驱动模块电路
安徽工业大学李君凯（2003）对研究步进电机驱动模块电路研究中指出，单片机控制步进电机是车载树干注射机系统硬件结构的核心控制部分。步进电机驱动模块电路在运行的过程中可以持续为注射工作提供动力，除此之外，步进电机的驱动模块采用SGS公司的专用驱动芯片L298N，内部包含有4通道逻辑驱动电路。它可以驱动两个两相电机，也可以驱动一个四相电机；可以直接用单片机的I/O口提供控制信号，而且电路简单，使用比较方便。步进电机采用42BYG250C-0151型两相步进电机，工作驱动电流较大，驱动转矩大，能够为丝杠转动提供所需的动力，保证机构正常运行[11]。
2.2.3柱塞位置检测模块
柱塞位置和运动的轨迹决定了注射的药量，因此柱塞位置检测模块也是车载树干注射机系统硬件结构的重要组成部分。中国矿业大学资源学院周云（2008）指出，可以采用的方式很多，如行程开关、激光测距、霍尔传感器等。根据本系统的要求，由于霍尔传感器相对其它器件来说能够满足本系统的要求，将霍尔传感器用作于柱塞位置检测器，在螺母上放入一块磁铁，将螺母运动固定在丝杆可用行程的两端，用于监测螺母运动轨迹。由霍尔传感器接收磁铁的磁感应信号，即为单片机提供控制信号。本设计采用A3144E霍尔传感器，体积小、反应灵敏、安装方便 [12]。磁铁固定在螺母的中间位置，柱塞运动到极限位置时，监测系统可以准确获取螺母的位置。
关于车载树干注射机系统软解结构设计研究
2.3.1步进电机
在关于车载树干注射机系统软解结构设计，我国学者信阳师范学院张玉英（2005）在研究中指出，步进电机的精度越高，对药液量控制的就愈加精准。步进电机时序采用两相八，拍,步距角为0.9°，控制精度更高。脉冲信号由单片机4个I/0端口模拟产生,占空比采用0.3～0.4,转速越高占空比则需要越大。步进电机需要较大的功率进行运行，因此单片机必须扩大功率为步进电机提供动作脉冲，采用L298N的4个输入口同时发送脉冲信号。单片机通过模拟4个I/O的逻辑电平时序，对步进电机的转速、转向等参数进行控制[13]。
基于信阳师范学院张玉英（2005）的研究角度上，中南大学物理科学与技术学院吴泽华（2009）指出，钻头的运动和位移量等数据信息需要系统软件进行监测。钻头在树木中移动的位置、角度、距离在到达指定参数后，系统会发出药物注射的指定，完成真想注射工作液晶显示模块便于操作者观察钻头在树木内部运动位移量和移动轨迹。同时，PIC单片机根据显示的位移量等信息，使步进电机驱动模块驱动步进电机工作；注射机在步进电机的作用下开始进行进给运动；药液注射完成后，钻头退出树木内部，这样就完成了电动树干药液注射机行程控制系统的工作[14]。
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