棉花打頂機自動測距控制系統的設計

孫 杰，張學軍* ，史增錄，鄢金山，丁永前，李 楊

(1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊830052;2.新疆農業工程裝備創新設計實驗室，新疆烏魯木齊830052;3.南京農業大學工學院，江蘇南京210031)

目前，已經出現的棉花打頂機具主要存在仿形效果不理想的問題，致使在棉花打頂過程中出現漏打頂、打頂過度、平切頂等現象，這嚴重影響到棉花打頂機具的工作質量和打頂效果，降低棉花的質量和產量。究其原因，主要是在于棉花打頂機仿形部分與切割器匹配不同步，導致切割器高度控制系統提前動作或者是動作滯后。如何準確地把握好打頂機切割器與仿形部分的匹配時間成為解決這一問題的關鍵［1－7］。

馬強等設計了一種超聲波測高棉花打頂裝置［8］，該裝置在棉花打頂過程中，切割器控制電機時刻動作，容易造成打頂時機錯誤，打頂效果差等問題，而且增大電機負荷，降低電機和傳動機構壽命，增加了棉花打頂機構故障率，使用不方便。針對這一問題，結合棉花種植規律和棉花打頂農藝的要求，筆者設計出打頂機自動測距控制系統。該系統能夠針對不同的棉花行株距設定不同的切割器動作時間，具有廣泛的適應性。并且，切割器控制電機只有在接收到調整控制信號之后才動作，其他時間保持狀態不變，降低了電機負荷，提高了電機和傳動系統的使用壽命，故障率大幅下降，同時有效地提高了切割器的穩定性，避免由于地形和人為控制速度不精確等原因造成的漏打、過打等問題。

1 自動測距控制系統結構及工作原理

1.1 系統整體結構 系統整體結構如圖1所示，主要由機架、行走輪、編碼器、切割器、棉花株高測量系統、控制器、步進電機、連桿、四桿機構和蓄電池幾部分構成。

1.2 自動測距控制系統結構 主要由24V直流蓄電池、行走輪、旋轉編碼器和單片機主控制系統4部分組成。其中，蓄電池固定于行走輪機架上，數字式光電旋轉編碼器用聯軸器固于行走輪的中心軸連接，中央控制元件的單片機系統固定于打頂機機架上。

1.3 工作原理 基于單片機的棉花打頂裝置自動測距系統采用24V直流電源供電，整個打頂裝置在工作時由人工推動向前行走。作業時，隨著試驗裝置的前進，與地輪軸向連接的光電編碼器與地輪同軸轉動，同時發出脈沖信號，單片機獲取編碼器發出的脈沖信號并計數。系統根據待打頂的棉田棉花行株距設定相應的動作脈沖信號數，當記錄的脈沖信號達到設定數值時，單片機發出高度調整控制信號，帶動割刀調整高度，提高打頂精確性，避免切割器高度控制電機時刻響應造成的電能浪費。

2 鍵部件的設計

2.1 光電編碼器設計 在田間試驗過程中，由于地形復雜等原因，容易產生棉花打頂試驗裝置后退或者原定前后擺動的問題。此時，編碼器仍然會產生脈沖，控制器測得的脈沖數據會累加，造成切割器高度控制器誤動作。為避免這種情況的產生，在程序設計過程中，引入方向脈沖這一參數。編碼器產生A、B兩相方波脈沖信號，如圖2所示。在打頂機正常前進過程中，編碼器產生正向脈沖，即A相位超前B相位90度。當打頂機在工作過程中向后運動時，編碼器差生A相滯后B相90度的脈沖。此時，控制芯片中的脈沖累加計數器記為負數，打頂機正常前進后，脈沖累加計數器收到正常的正脈沖，當正正負脈沖代數和達到動作值時，打頂機高度控制器發出控制信號［9－10］。

2.2 地輪設計 行走輪是棉花打頂試驗裝置自動測距系統關鍵部件之一。考慮到打頂期棉田地形復雜，此棉花打頂試驗裝置以人手推前進的方式，行走輪設計應充分考慮打頂機的越障以及能夠碾碎土塊等問題。這樣能夠減小行走輪測量過程中的誤差，提高棉花打頂機響應過程中的精確度。其次，棉花打頂機自動測距系統的距離測量參數和地輪的直徑關系密切，在編碼器精度一定的情況下，較大的行走輪直徑能夠提高測距的精度，減小由于震動等原因產生的誤差。設計采用600線編碼器，為了避免由于機械震動造成切割器誤動作，動作脈沖數應不小于50。結合新疆地區的棉花種植模式中行株距通常在100～300 mm之間［11］，為了保證最小株距前提下系統的穩定，經公式(1)計算可得，棉花打頂機行走輪直徑取382 mm。

其中:n—編碼器線數;n0—避免誤動作最小脈沖數;d—行走輪直徑，mm;l—棉花行株距，mm。

上式中n取值600;n0取值50;l取100 mm。

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計 棉花打頂機自動測距系統原理如圖3 所示，以 MC9S12XS128 單片機為控制核心［12－13］，測量元件采用歐姆龍E6B2-CWZ6C型600線沖編碼器。編碼器A、B相為數字量輸出型式，因此可以直接與單片機I/O口相連。當打頂機前進一定距離時，計數脈沖累加達到動作值，單片機向步進電機控制器發出相應的控制信號，步進電機推動割刀升降至對應高度，最終完成棉花打頂工作。

3.2 控制系統程序設計 新疆棉花種植根據棉花品種和棉花采摘的方式不同，有著多種種植模式，不同種植模式中棉株行距也有所不同。為了擴大棉花打頂機的適應性，提高機器的使用效率，棉花打頂機自動測距系統中，切割器響應動作脈沖數可設定不同數值，從而適應不同的種植模式，棉花打頂機打頂精度更高，效果更好。

設計流程如下:棉花打頂機自動測距系統開機，開機后對棉株行株距參數進行設定，打頂機進入正常工作狀態，脈沖計數器開始計數。當脈沖數達到株距參數設定值之后，單片機向步進電機控制器發出動作信號，電機響應控制信號，最終調整切割器到設定的高度完成打頂工作。流程圖如圖4所示。

4 結語

在一種超聲波測高棉花打頂裝置基礎之上，針對其無法根據棉花株距不同調整切割器動作時間，而使得打頂機切割器控制電機時刻處于動作狀態的弊端，設計了棉花打頂機自動測距控制系統。該系統以MC9S12XS128單片機為控制核心，量式光電編碼器E6B2-CWZ6作為測量元件，系統穩定可靠，結構簡單。根據的脈沖信號用能夠根據棉花種植過程中不同的行株距，設定不同的切割器高度調整控制時間，實現棉花打頂的精確操作，提高了棉花打頂成功率，更加符合人工打頂的條件。同時避免打頂機切割器控制電機時刻處于動作狀態時損耗過快，降低能耗，延長了棉花打頂機的有效工作時間和使用壽命。進一步提高了棉花打頂機的工作效率，降低農民的勞動強度。

［1］彭強吉.棉花打頂機自動仿形切割系統的研究［D］.石河子:石河子大學，2013.

［2］張明輝.棉花打頂機自動仿形升降控制系統的研究［D］.石河子:石河子大學，2014.

［3］胡斌，羅昕，王維新，等.3MDZK-12型組控式單行仿形棉花打頂機的研制［J］.農機化研究，2008(5):73 －75，78.

［4］劉光輝，胡斌，楊旭海，等.棉花打頂機切割器高度自動控制系統的設計［J］.農機化研究，2011(1):115－118.

［5］胡斌，羅昕，畢新勝，等.3MD-12型棉花打頂機的研究設計［J］.農機化研究，2003(1):88 －89，92.

［6］周海燕，尹素珍，朱立成，等.3WDZ-6型自走式棉花打頂機設計［J］.農業機械學報，2010(S1):86－89.

［7］羅昕，胡斌，王維新，等.3MDZK-12型組控式單行仿形棉花打頂機［J］.農機化研究，2008(11):136 －138.

［8］馬強，史增錄，張學軍，等.基于超聲波技術的棉花打頂裝置設計［J］.農業科技與裝備，2014(8):28 －29，32.

［9］杜穎財，王希軍，王樹潔，等.增量式編碼器自動檢測系統［J］.電子測量與儀器學報，2012(11):993－998.

［10］方艷輝.增量式編碼器全數字量相加技術的研究［D］.長春:中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)，2005.

［11］王新燕，葛軍，王春麗.新疆棉花高密度栽培模式的形成和推廣［J］.新疆農業科技，2005(6):16－17.

［12］謝敏.基于MC9S12XS128智能小車控制系統的研究與應用［D］.南昌:南昌航空大學，2012.

［13］葉繼英，沈曉群，李莉莉.基于MC9S12XS單片機的直流電機PWM調速系統設計［J］.浙江海洋學院學報:自然科學版，2012(5):458－461.