游兆延， 胡志超 ， 吳 努 ， 吳惠昌， 彭寶良， 謝煥雄

（1．農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 江蘇 南京 210014；2.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

在田間旋耕、收獲、播種時(shí)，經(jīng)常需要控制機(jī)具的作業(yè)深度，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備多無(wú)機(jī)具作業(yè)深度監(jiān)測(cè)設(shè)備，既費(fèi)力又影響田間耕作效果[1]。我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備處于起步階段，以東方紅X-804拖拉機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和作業(yè)機(jī)具升降控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向操縱控制和作業(yè)機(jī)具自動(dòng)升降控制[2]，但整套設(shè)備價(jià)格昂貴，推廣尚需時(shí)日。本文提出了基于NEC單片機(jī)的田間超聲波測(cè)距方法，設(shè)計(jì)了一種地面仿形裝置，利用超聲波測(cè)距傳感器和NEC單片機(jī)，將機(jī)具作業(yè)深度通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)。該方法在降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高勞動(dòng)效率，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 超聲波傳感器發(fā)射地面試驗(yàn)

由超聲波傳播理論可知，聲波在傳播過(guò)程中如果遇到直徑小于超聲波半個(gè)波長(zhǎng)的障礙時(shí)，其聲波會(huì)繞過(guò)障礙物而繼續(xù)傳播，即產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，選取花盆上方同一水平面3行3列的9點(diǎn)測(cè)量。如圖1所示，用超聲波測(cè)量距書(shū)桌高度，圖2為利用超聲波傳感器模擬測(cè)量地面的一組數(shù)據(jù)，在其傳播路徑中放有花盤(pán)時(shí)，超聲波未發(fā)生繞射，原因是由于收獲植物莖葉直徑較大時(shí)，發(fā)射的超聲波還未到達(dá)地面就發(fā)生了反射，影響測(cè)量結(jié)果。為解決此問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種非剛性接觸地面仿形裝置。

2 非剛性接觸仿形裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

圖1 超聲波傳感器模擬測(cè)量地面試驗(yàn)Fig.1 Simulation test of ultrasonic sensor measuring ground

圖2 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of ultrasonic distance measuring

仿形裝置由地輪，導(dǎo)向管a，導(dǎo)向管b，焊接板，壓簧，長(zhǎng)螺桿，測(cè)量基準(zhǔn)板等組成。壓簧嵌套在長(zhǎng)螺桿上，并始終運(yùn)動(dòng)于兩導(dǎo)向管之間，導(dǎo)向管b隨著地面的起伏在導(dǎo)向管a內(nèi)上下滑動(dòng)，活動(dòng)距離為335 cm，導(dǎo)向管a和導(dǎo)向管b之間連接有六角頭螺栓，限制了導(dǎo)向管b繞長(zhǎng)螺桿軸線(xiàn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的的自由度，更好的起到了導(dǎo)向作用。超聲波傳感器安裝在超聲波測(cè)量基準(zhǔn)板上方，測(cè)量超聲波傳感器距離測(cè)量基準(zhǔn)板的距離可以得到機(jī)具作業(yè)深度的變化。

圖3 非剛性接觸地面仿形裝置Fig.3 Nonrigid ground-contact copying mechanism

2.2 地輪滾動(dòng)模型動(dòng)力分析

根據(jù)車(chē)輪在平坦地面的運(yùn)動(dòng)、受力和只滾不滑的條件[3]可以列出以下方程：

圖4 地輪滾動(dòng)受力分析Fig.4 Tension analysis of rolling ground wheel

3 電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件

超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由硬件和軟件2部分組成。硬件部分主要由超聲波傳感器、DC-DC電源模塊、NEC單片機(jī)、LCD顯示器等組成[4]，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和顯示等功能，其系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框圖Fig.5 Diagram of hardware system

3.1.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器安裝在測(cè)量基準(zhǔn)板上方，選用的是恒瑞天創(chuàng)公司的HR/JCS1501型測(cè)距元件，其供電電壓為12 V/24 V，檢測(cè)距離為精度為0.5%，輸出方式為模擬信號(hào)：4~20 mA/0~5 V，聲束角為10-15°，工作溫度為-10-70℃。

3.1.2 DC-DC電源模塊

在田間，單片機(jī)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，干擾多，電源起伏變化，同時(shí)為了適應(yīng)不同牽引拖拉機(jī)的電源輸出，選用致遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的ZY2405UHBD－6W隔離DC－DC電源模塊，為長(zhǎng)寬壓型，電壓輸入范圍9～36 V，1 k V隔離單電源輸出，對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用[5]。

3.1.3 主控制器

主控制器采用NEC公司的 78K0/LF3系列8位單片微處理器μPD78F0483，內(nèi)置高精度的環(huán)行震蕩器，在-40-85°的時(shí)候精度可達(dá)到0.1% ，最多可以使用 62個(gè)I/O端口[6]，芯片內(nèi)部集成 32 KB FLASH存儲(chǔ)器、1KB內(nèi)部高速 RAM[7]，芯片資源滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

3.1.4 LCD顯示與狀態(tài)指示

顯示采用LCD顯示屏，顯示設(shè)置菜單、運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)和報(bào)警異常等信息。操作人員可以根據(jù)LCD顯示器、蜂鳴器和LED狀態(tài)指示等聲音和光的形式，隨時(shí)調(diào)整機(jī)具作業(yè)深度。電路原理圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)軟件

NEC單片機(jī)有專(zhuān)用代碼生成工具Applilet，是一種非常方便的軟件開(kāi)發(fā)工具，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際要求靈活的生成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)代碼，在Applilet中設(shè)置所需要的外圍設(shè)備功能，輸出需要的C語(yǔ)言代碼，根據(jù)需要對(duì)代碼進(jìn)行修改，由NEC專(zhuān)用軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的集成環(huán)境平臺(tái)PM+建立目標(biāo)源文件，最后將程序經(jīng)燒寫(xiě)器燒入到單片機(jī)中去，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。圖7為Applilet生成的部分代碼。

圖6 主電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of main circuit

4 結(jié) 論

1）選用的NEC單片機(jī)內(nèi)置上電復(fù)位清零電路，低電壓偵測(cè)電路和獨(dú)立源看門(mén)狗電路，不需要任何外圍元件。功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，支持自編程，62個(gè)I/O能夠?yàn)闈M(mǎn)足今后研制智能化收獲裝備提供開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2）本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測(cè)距原理的自動(dòng)限深裝置，該裝置能夠適用于田間復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，自動(dòng)化程度高，可以有效提高挖掘效果，此套裝置可安裝于整地機(jī)械、各類(lèi)土下果實(shí)的收獲機(jī)械中，具有廣泛的適應(yīng)性。

圖7 Applilet生成的部分代碼Fig.7 Part of the code generated by Applilet

[1]游兆延，吳努，胡志超，等.土下果實(shí)收獲挖掘自動(dòng)限深系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（3）:184-187.YOU Zhao-yan，WU Nu， HU Zhi-chao，et al.Design of automatic depth-control system of un-derground fructification harvesting[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2013，34（3）:184-187，191.

[2]羅錫文，張智剛，趙祚喜，等.東方紅X-804拖拉機(jī)的DGPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）：139-145.LUO Xi-wen，ZHANG Zhi-gang，ZHAO Zuo-xi，et al.Design of DGPS navigation control system for Dongfanghong X-804 tractor[J].Transactions of the CSAE，2009，25（11）:139－145.

[3]周曉.對(duì)車(chē)輪滾動(dòng)的受力分析及其應(yīng)用的探討[J].包鋼科技，1991（3）:71-81.ZHOU Xiao.Investigation of tension analysis and application of rolling wheel[J].Baogang Technology，1991（3）:71-81.

[4]巫榮聞，盧榮勝，李勇.基于NEC單片機(jī)的壓力變送器系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（8）：19-21.WURong-wen，LURong-shen，LIYong.New design of pressure measuring system[J].Instrument Technique and Sensor，2010（8）：19-21.

[5]吳惠昌，胡志超，彭寶良，等.牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行系統(tǒng)研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（12）：17-24.WU Hui-chang，HU Zhi-chao，PENG Bao-liang，et al.Develo-pment of auto-follow row system employed in pulltype beet combine harvester[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE），2013，29（12）:17－24.

[6]NEC Electronics Corporation.78K0/LF3-8-BitSingle-Chip Microcontrollers User’s Manual[R].2007.

[7]孟超普，羊彥，宋職政.基于NEC單片機(jī)電動(dòng)車(chē)充電器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（7）:155-159.MENG Chao-pu，YANG Yan，SONG Zhi-zheng.A design of battery charger control system for electric vehicle based on NECMCU[J].Electronic Design Engineering，2013，21（7）:155-159.