基于單片機(jī)的伺服高效免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與研究

喬　琳，胡國順，劉志剛

( 1.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 工程學(xué)院，昆明　650304；2.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明　650091)

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基于單片機(jī)的伺服高效免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與研究

喬琳1，胡國順1，劉志剛2

( 1.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 工程學(xué)院，昆明650304；2.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明650091)

摘要：為了提高免耕播種機(jī)排肥量和株距控制的自動化水平，解決播種機(jī)播種過程株距不均勻的問題，實(shí)現(xiàn)排肥量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，基于單片機(jī)和伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新的免耕播種機(jī)，大大提高了播種機(jī)的效率和自動化水平。為了測試本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)的可靠性，對其播種性能進(jìn)行了測試，測試項(xiàng)目包括株距控制、排肥量控制以及免耕播種機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。通過測試發(fā)現(xiàn)：實(shí)際株距和理想株距的最小誤差僅為0.1cm，排肥量的最小誤差僅為0.12 L/min，滿足精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求，其各項(xiàng)指標(biāo)均在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：免耕播種機(jī)；株距控制；伺服系統(tǒng)；單片機(jī)；自適應(yīng)；排肥量

0引言

我國水資源并不豐富，人均占有量很低，水資源的短缺直接影響到農(nóng)業(yè)的灌溉。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國有1/2的土地屬于旱地，旱地作物的灌溉條件是有限的，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。保護(hù)性耕作是旱地節(jié)水的重要途徑，其典型的機(jī)械裝置為免耕播種機(jī)。由于種植區(qū)地形的復(fù)雜性，免耕播種機(jī)在行進(jìn)時(shí)，其阻力的大小不同，而目前的免耕播種機(jī)的排種和排肥料量都屬于自行調(diào)整機(jī)械，還達(dá)不到自動化調(diào)節(jié)的水平。為此，擬采用單片機(jī)和相關(guān)伺服控制系統(tǒng)算法對高效免耕播種機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高免耕播種機(jī)的自動化和精確程度，為現(xiàn)代化免耕播種機(jī)的研究提供相關(guān)技術(shù)參考。

1免耕播種機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前，免耕播種機(jī)在國外已經(jīng)開始推廣使用，如澳大利亞和美國等地區(qū)，其播種機(jī)的性能優(yōu)良；但是國內(nèi)免耕播種機(jī)的起步較晚，為了控制播種的株距，需要對排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

改進(jìn)后的排種器使用窩眼結(jié)構(gòu)，且窩眼串聯(lián)在一起，利用渦眼輪對窩眼大小進(jìn)行控制，從而起到控制株距的目的。

圖2為排種輪窩眼結(jié)構(gòu)的放大圖。通過旋轉(zhuǎn)器的自動調(diào)節(jié)，窩眼的大小可以自適應(yīng)的進(jìn)行變化，從而提高了排肥量的控制精度。排肥器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖1　排種器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　排種輪窩眼結(jié)構(gòu)

1.調(diào)節(jié)手輪　2.排肥架　3.輸肥管　4.排肥軸　5.集肥器

為了實(shí)現(xiàn)排肥量的精確控制，使用可移動的毛刷來控制排肥口的大小，排肥量根據(jù)車速確定。當(dāng)播種機(jī)車速過快時(shí)，將排肥器的排肥孔利用反饋系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)大；當(dāng)播種機(jī)速度較慢時(shí)，將排肥口面積降低。

本設(shè)計(jì)中伺服控制系統(tǒng)通過播種機(jī)速度檢測來得到伺服控制系統(tǒng)的反饋信號。當(dāng)速度出現(xiàn)偏差時(shí)，需要通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過速度偏差計(jì)算得到需要的占空比，調(diào)整排種器和排肥箱的流量控制，實(shí)現(xiàn)株距和排肥箱的閉環(huán)控制。其總體設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4　直流伺服控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

播種機(jī)的速度可通過單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并利用I/O端口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，播種機(jī)的速度還可以通過顯示器進(jìn)行顯示。

2單片機(jī)伺服系統(tǒng)控制原理

直流伺服電機(jī)和普通的電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上并沒有很大的區(qū)別，其工作原理也十分相似，唯一不同的是伺服電機(jī)系統(tǒng)具有位置或者速度反饋裝置，從而可以提高響應(yīng)速度。因此，可以利用伺服電機(jī)快速響應(yīng)的特性，對免耕播種機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，依據(jù)播種機(jī)的速度反饋，利用伺服電機(jī)來調(diào)整播種機(jī)的株距和施肥量。直流電機(jī)的負(fù)載和接線示意圖，如圖5所示。

圖5　免耕播種機(jī)直流伺服系統(tǒng)接線示意圖

圖5中，Ua表示電樞電壓；Uf表示勵磁電壓；Te表示電磁轉(zhuǎn)矩；T0表示空載轉(zhuǎn)矩；T2表示機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩。當(dāng)勵磁電壓一定時(shí)，通過調(diào)整電樞的電壓，達(dá)到對伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的目的。調(diào)速的機(jī)械特性的表達(dá)式為

(1)

圖6　伺服控制系統(tǒng)線性控制圖

伺服控制系統(tǒng)電機(jī)空載具有一定的損耗，其轉(zhuǎn)矩為T0，在Te=0時(shí)為理想空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；Tk表示伺服系統(tǒng)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)伺服控制系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，伺服控制系電機(jī)達(dá)到該轉(zhuǎn)矩；k的大小反應(yīng)了轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的大小，當(dāng)伺服控制系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為恒定值時(shí)，轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)矩也恒定，電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。其表達(dá)式為

(2)

其中，k1表示伺服控制系統(tǒng)電機(jī)特性曲線的斜率，其值由伺服控制系統(tǒng)電機(jī)的特性決定，和負(fù)載的大小無關(guān)。其表達(dá)式為

(3)

k1跟負(fù)載轉(zhuǎn)矩有關(guān)，其數(shù)值為轉(zhuǎn)矩決定的常數(shù)，表達(dá)式為

(4)

依據(jù)伺服控制系統(tǒng)的電機(jī)控制數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，調(diào)速后的電機(jī)可以對株距和排肥裝置進(jìn)行控制，提高株距和排放量的控制精度，排放量和株距的控制主要依據(jù)播種機(jī)的行進(jìn)速度，行進(jìn)速度由單片機(jī)測得。其工作流程如圖7所示。

圖7　免耕播種機(jī)速度檢測過程圖

首先對計(jì)算器進(jìn)行清理，然后在判斷T0是否進(jìn)入定時(shí)的狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)入狀態(tài)后，光電編碼器利用脈沖信號進(jìn)行記時(shí)，其外部中斷0服務(wù)程序流程圖如圖8所示。在定時(shí)器啟動后軟件進(jìn)入該程序模式，當(dāng)外部中斷0服務(wù)程序，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；在檢查到免耕播種機(jī)速度后，利用如圖9所示的數(shù)字PID增量式控制系統(tǒng)對排種器和排肥箱進(jìn)行控制，

伺服控制系統(tǒng)的數(shù)字增量式PID控制核心為STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，是51單片機(jī)的增強(qiáng)版，編程方便，響應(yīng)速度快。其控制電路如圖10所示。

本次設(shè)計(jì)使用的晶振頻率為12MHz，利用外部連接電路來實(shí)現(xiàn)復(fù)位，當(dāng)VCC上升時(shí)間不超過1ms時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動電復(fù)位，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋功能；利用實(shí)時(shí)反饋可以有效地對排種器和排肥箱進(jìn)行控制，提高免耕播種機(jī)的播種精度。

圖8　外部中斷0服務(wù)程序流程圖

圖9　伺服控制系統(tǒng)數(shù)字PID增量式結(jié)構(gòu)圖

圖10　單片機(jī)伺服控制系統(tǒng)電路圖

3性能測試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的單片機(jī)伺服免耕播種機(jī)的性能，對其播種性能進(jìn)行了測試，測試項(xiàng)目包括株距控制和排肥量控制。通過測試，得到了如表1所示的測試結(jié)果。

表1　免耕播種機(jī)性能測試結(jié)果

由表1可以看出：實(shí)際株距和理想株距的最大誤差為0.8cm，最小誤差僅為0.1cm；排肥量最大誤差為0.38L/min，最小僅為0.12L/min。根據(jù)JB /T 10293-2001中國家對精密播種機(jī)技術(shù)條件的相關(guān)規(guī)定，株距誤差在50%以內(nèi)都是符合要求的，本次研究的設(shè)計(jì)誤差在該設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

表2為高效伺服免耕播種機(jī)各項(xiàng)性能的測試結(jié)果。為了使試驗(yàn)具有普遍適用性，將測試地點(diǎn)選為3個(gè)地區(qū)，通過測試最終得到了如表2所示的測試結(jié)果。由表2可以看出：免耕播種機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。

表2　高效伺服免耕播種機(jī)各項(xiàng)性能測試

4結(jié)論

1)為解決免耕播種機(jī)株距不均勻問題、提高播種機(jī)排肥量的控制精度，設(shè)計(jì)了一種新的基于單片機(jī)和伺服控制系統(tǒng)的免耕播種機(jī)。通過測試發(fā)現(xiàn)，該機(jī)有效地提高了免耕播種機(jī)的自動化水平。

2)通過對基于單片機(jī)伺服控制系統(tǒng)的免耕播種機(jī)性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：實(shí)際株距和理想株距的最大誤差為0.8cm，最小誤差僅為0.1cm；排肥量最大誤差為0.38L/mim，最小僅為0.12L/mim，滿足精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)需求。在3個(gè)不同地區(qū)對播種機(jī)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測試，由測試可以看出，免耕播種機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)。

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Design and Research of High-efficiency Servo No-till Sowing Machine Based on Single Chip Microcomputer

Qiao Lin1, Hu Guoshun1, Liu Zhigang2

(1.School of Engineering, Yunnan College of Business Management ,Kunming 650304, China; 2.School of Software, Yunnan University, Kunming 650091,China)

Abstract：In order to improve the no tillage planter fertilizer and plant spacing control level of automation, solve the problem of uneven planter process spacing, row fertilizer adaptive adjustment, based on single chip computer and servo system,it designs a new no tillage planter, which greatly improves the efficiency and the automation level of the seeding machine. In order to test the reliability of the optimization design of the no tillage planter, the seeding performance were tested. The test items includes spacing control, row fertilizer control and no tillage planter of various performance indicators.Through the test ,it found out that the actual spacing and ideal spacing and the minimum error is only for 0.1cm and fertilizer amount of minimum error is only 0.12 L/mim ,which meets the requirements of precision seeding machine design.And the no tillage planter indexes were in the range of industry standards.

Key words：no-till sowing machine; spacing control; servo system; MCU; adaptive; fertilizer quantity

中圖分類號：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0171-05

作者簡介：喬琳(1983-)，女，昆明人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)zgliu@ynu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-08-16