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1玉米精播機(jī)單體結(jié)構(gòu)及控制原理

1．1樣機(jī)單體結(jié)構(gòu)

單體樣機(jī)主要由開(kāi)溝器、種箱、排種器、步進(jìn)電機(jī)、覆土器、仿形機(jī)構(gòu)和地輪、模擬輪(用來(lái)模擬拖拉機(jī)前輪，測(cè)量機(jī)具前進(jìn)速度)，以及機(jī)架和手柄(用來(lái)代替拖拉機(jī)頭，提供前進(jìn)的動(dòng)力)等組成。試驗(yàn)時(shí)，將磁鋼均勻地貼在模擬輪上，開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器安裝在正對(duì)磁鋼的位置，用以測(cè)量播種機(jī)的前進(jìn)速度。另外，為了獲得相對(duì)準(zhǔn)確的機(jī)組前進(jìn)速度，應(yīng)將盡可能多的磁鋼貼在拖拉機(jī)前輪上。

1．2控制原理及系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)的作業(yè)原理

利用霍爾傳感器采集拖拉機(jī)的行進(jìn)速度，獲得的速度信號(hào)經(jīng)傳感器內(nèi)部電路處理后輸送給單片機(jī);單片機(jī)根據(jù)輸入的株距計(jì)算處理后得到應(yīng)輸送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖數(shù)，從而使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)前進(jìn)速度保持一致，以達(dá)到均勻排種的目的。該控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、無(wú)線傳輸模塊、人機(jī)交流模塊及驅(qū)動(dòng)模塊等組成。由于單片機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，故本方案采用了深圳宏晶推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機(jī)，其片內(nèi)帶8kB的ROM和512Byte的RAM，與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)完全兼容。考慮到拖拉機(jī)駕駛室和排種裝置之間存在一定距離，采用有線傳輸會(huì)使控制線路變得較為復(fù)雜。為簡(jiǎn)化線路和增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，本設(shè)計(jì)決定采用兩個(gè)單片機(jī)控制單元，一個(gè)裝在拖拉機(jī)駕駛室里邊，另一個(gè)安裝在排種器附近，兩個(gè)控制模塊之間采用NRF24L01+芯片進(jìn)行信息的傳輸。主機(jī)模塊主要完成機(jī)組前進(jìn)速度的采集及人機(jī)交流等功能，從機(jī)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)排種器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。考慮到播種機(jī)作業(yè)過(guò)程可能需要因維修保養(yǎng)、故障排除等原因而臨時(shí)停車、地頭提升轉(zhuǎn)彎及運(yùn)輸狀態(tài)等實(shí)際情況(在這些條件下顯然排種器不能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，否則會(huì)導(dǎo)致種子的無(wú)效排種，浪費(fèi)種子)，在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須考慮鎮(zhèn)壓輪是否著地。為了解決此問(wèn)題，該控制系統(tǒng)在鎮(zhèn)壓輪的底部安裝了一個(gè)行程開(kāi)關(guān)接在控制系統(tǒng)電路中，只有當(dāng)排種裝置落下時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，控制系統(tǒng)才開(kāi)始工作。

2系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)主要由機(jī)組作業(yè)速度檢測(cè)模塊、人機(jī)對(duì)話模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊及無(wú)線傳輸模塊等組成。

2．1機(jī)組作業(yè)速度檢測(cè)模塊

目前對(duì)機(jī)組作業(yè)速度的測(cè)量常用到的方法有3種:增量式光碼盤脈沖個(gè)數(shù)測(cè)速、電磁式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器測(cè)速。

1)增量式光碼盤脈沖測(cè)速，雖測(cè)量精確度高，但成本也高;同時(shí)，由于播種機(jī)的工作路況復(fù)雜，對(duì)傳感器的磨損較大，導(dǎo)致使用壽命較低，性價(jià)比不高。

2)電磁式傳感器相比較增量式光碼盤傳感器，優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低;缺點(diǎn)是響應(yīng)頻率不高、抗電磁波干擾能力差、可靠性不高。

3)開(kāi)關(guān)型霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速較以上兩種傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):一是抗電磁波干擾能力強(qiáng);二是轉(zhuǎn)速的快慢不會(huì)影響到輸出信號(hào)的電壓幅值，即使轉(zhuǎn)速過(guò)慢的情況下也能正常工作;三是可以適應(yīng)復(fù)雜多變的田間作業(yè)環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便安裝與維修。因此，經(jīng)過(guò)綜合比較和分析，選用開(kāi)關(guān)型霍爾轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能。其由穩(wěn)壓電源及霍爾元件。放大器、施密特觸發(fā)器、輸出晶體管組成。信號(hào)經(jīng)芯片內(nèi)部處理電路后，得到一個(gè)單片機(jī)可以識(shí)別的穩(wěn)定數(shù)字電壓信號(hào)。

2．2人機(jī)對(duì)話模塊設(shè)計(jì)

為方便駕駛員與精量播種機(jī)控制系統(tǒng)之間的雙向信息交換，該控制軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)交互對(duì)話系統(tǒng)。人機(jī)交互對(duì)話系統(tǒng)主要是指人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息的交流。本文所設(shè)計(jì)的人機(jī)交互對(duì)話系統(tǒng)是通過(guò)DMT80600T080－09W型號(hào)的觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)的，機(jī)手不僅可以直接通過(guò)觸摸屏輸入要求的株距，而且也可查看播種狀況。其采用基于K600+內(nèi)核的DGUS軟件，具有功能強(qiáng)大和連接線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，僅需連接4條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的信息交流．3電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用步進(jìn)電機(jī)作為播種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的電路連接如圖5所示。該控制系統(tǒng)選用的是具有步進(jìn)頻率高、無(wú)低頻共振現(xiàn)象、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)的57BYGH250C混合式兩相步進(jìn)電機(jī)。其扭矩為1．7N•m，步矩角為1．8°。由于單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，需與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配合使用才能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，本文采用2M542細(xì)分型高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其細(xì)分?jǐn)?shù)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。

2．4無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)采用型號(hào)為NRF24L01+的芯片來(lái)完成信息的無(wú)線傳輸，具有低功耗、傳輸速率快及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。NRF24L01+是一款工作在2．4～2．5GHz的全球開(kāi)放ISM頻段免許可證使用的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，其輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口完成。另外，由于NRF24L01+的工作電壓為3．3V，因此在與單片機(jī)連接時(shí)需在電路中串聯(lián)一個(gè)1kΩ的電阻。

3系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化編程，主要由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊及顯示模塊等組成。

4試驗(yàn)與結(jié)論

4．1試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的可行性和可靠性，對(duì)單體樣機(jī)進(jìn)行了前期的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，并把實(shí)際粒距與理想粒距做對(duì)比，根據(jù)JB/T10293－2001中國(guó)家對(duì)精密播種機(jī)技術(shù)條件的相關(guān)規(guī)定，玉米株距誤差在50%以內(nèi)都是符合要求的。本文設(shè)定的株距為20cm，則只要實(shí)測(cè)株距分布在［10cm，30cm］之間即可?？闯龇N子的分布情況較為理想，由此可證明本控制系統(tǒng)是可行的。

4．2結(jié)論

1)該智能控制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)播種機(jī)的排種控制方式，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)下排種速度與拖拉機(jī)作業(yè)速度的自我匹配，避免了因?yàn)榈剌喕茙?lái)的播種株距不穩(wěn)定問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了排種器轉(zhuǎn)速的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。且由于該系統(tǒng)由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排種器，減少了中間環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，提高了傳動(dòng)精度，有效地保證了播種株距的一致性。

2)采用無(wú)線傳輸方式使控制線路變的簡(jiǎn)潔，方便了控制裝置的組裝與拆卸;人機(jī)對(duì)話模塊使得控制省時(shí)省力，利于田間管理。

作者：蔣春燕耿端陽(yáng)孟鵬祥李玉環(huán)單位：山東理工大學(xué)