解繼紅，李志偉

（1.晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院，山西晉中030619；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，山西太谷030801）

（編輯 申嫣平）

0 引言

變量技術(shù)（Variable Rate Technology）是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最重要的研究內(nèi)容，而研究開發(fā)相應(yīng)的變量作業(yè)裝備是實(shí)施變量作業(yè)的關(guān)鍵.[1]變量施肥機(jī)是變量技術(shù)實(shí)施的一個(gè)重要機(jī)械裝備.變量施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有三種類型：電控機(jī)械無級(jí)變速器型、電控液壓馬達(dá)型、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型.[2]黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院研制的基于GPS定位的大豆精密播種機(jī)變量施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)采用電控機(jī)械無級(jí)變速器變量施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中使用直流電機(jī)調(diào)整U34-0.75型脈動(dòng)式機(jī)械無級(jí)變速器的傳動(dòng)比.[3]吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院研制的變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)分別采用電控馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式.[4，5，6]經(jīng)研究比較表明，步進(jìn)電機(jī)簡單方便、價(jià)格便宜，是一種經(jīng)濟(jì)型控制系統(tǒng).但使用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排肥器軸的情況下，排肥軸數(shù)量受到電力限制.因此本研究開發(fā)了與地輪驅(qū)動(dòng)施肥機(jī)配套使用的步進(jìn)電機(jī)與無極變速器相結(jié)合的變量施肥控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)組成及原理

圖1 控制裝備硬件組成

變量施肥控制裝備系統(tǒng)如圖1所示，主要由USB存儲(chǔ)設(shè)備讀寫控制模塊、DGPS通信控制模塊、排肥和地輪轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊、單片機(jī)控制模塊、液晶顯示模塊和變量施肥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成.系統(tǒng)主要控制設(shè)備采用AT89S55單片機(jī)，接收USB存儲(chǔ)讀寫模塊提供的施肥變量處方信息，同時(shí)接收DGPS模塊獲取的農(nóng)機(jī)田間動(dòng)態(tài)位置信息，單片機(jī)相應(yīng)的支持軟件將施肥變量處方信息和農(nóng)機(jī)田間動(dòng)態(tài)位置信息相結(jié)合，形成智能控制信息來控制變量施肥作業(yè)，即控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)三連桿脈動(dòng)式無級(jí)變速器的變速比，從而調(diào)節(jié)排肥軸的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)田間變量施肥.

本系統(tǒng)中，施肥變量處方圖轉(zhuǎn)化為了對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)角數(shù)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為：緯度1，經(jīng)度1，緯度2，經(jīng)度2，電機(jī)轉(zhuǎn)角.系統(tǒng)根據(jù)DGPS傳送的定位信息，結(jié)合U盤中的數(shù)據(jù)，確定該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù).第二次接收的定位信息做同樣的操作，兩次轉(zhuǎn)角數(shù)差值即本次電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際角度，也就是對(duì)應(yīng)現(xiàn)在的播量.差值為正，則電機(jī)正轉(zhuǎn)增加播量；差值為負(fù)，則電機(jī)倒轉(zhuǎn)減少播量.

2 系統(tǒng)硬件

2.1 USB存儲(chǔ)讀寫控制模塊

國內(nèi)外在存儲(chǔ)介質(zhì)方面大部分使用IC卡，但目前的微型計(jì)算機(jī)都不支持IC，必須增加設(shè)備來讀取，因此該系統(tǒng)以USB存儲(chǔ)設(shè)備作為介質(zhì).該模塊采用南京沁恒有限公司生產(chǎn)的USB總線通用接口芯片CH375B，通信接口原理如圖2所示.

2.2 DGPS通信控制模塊

為了提高定位精度，本控制系統(tǒng)中采用廣泛用于精細(xì)農(nóng)業(yè)的GARMIN公司生產(chǎn)的GPS25-lvs OEM板采集作業(yè)農(nóng)機(jī)定位信息，并通過美信公司MAX232芯片與單片微型計(jì)算機(jī)的串行通信接口相連，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3，其定位精度<1 m.

2.3 排肥軸和地輪軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊

排肥軸和地輪軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊主要監(jiān)測排肥軸轉(zhuǎn)速、地輪打滑以及地輪軸變速比.該模塊采用霍爾傳感器，傳感器組件包含三部分：A3240LLHLT-T霍爾芯片、永磁和目標(biāo)齒輪.霍爾傳感器檢測電路如圖4所示.

2.4 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)采用TS12864A-3圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，液晶顯示器通過74LS00（與非門）和74HC138（譯碼器）與AT89S55單片機(jī)P0口相連接.

3 變量作業(yè)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)

圖2 USB通信接口原理

圖3 DGPS通信控制模塊

圖4 霍爾器件轉(zhuǎn)速檢測電路

本系統(tǒng)采用45BC340C步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有A、B、C三相繞組，運(yùn)行方式為三相三拍式，按照A-B-C-A…順序依次通電，其轉(zhuǎn)子上均勻分布有40個(gè)齒，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式進(jìn)行計(jì)算：

θ＝ 360°NEr

其中N為運(yùn)行拍數(shù)，Er為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，

N＝km

m為步進(jìn)電機(jī)的繞組相數(shù)，k=1或2（單拍時(shí)k為1，雙拍時(shí)k為2），因此，

N＝ 360°40×3＝ 3°

其步距角為3°，一個(gè)脈沖周期轉(zhuǎn)三步，即一個(gè)脈沖周期為9°.

為保證輸出較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在啟停方面應(yīng)用中采用升降頻控制，工作頻率采用240 Hz，經(jīng)測試用時(shí)3秒可完成最大播量和最小播量間的切換.

3.2 變量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)的定量施肥機(jī)上進(jìn)行改裝，傳統(tǒng)施肥機(jī)的工作部件（施肥軸）采用兩級(jí)鏈傳動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)變量作業(yè)，在中間加裝三連桿脈動(dòng)式無級(jí)變速器.

控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力傳遞的路線如圖5所示為：驅(qū)動(dòng)地輪1→主動(dòng)鏈輪2→輸入鏈輪6→輸入軸7→脈動(dòng)式無級(jí)變速器3→輸出軸5→輸出鏈輪4→從動(dòng)鏈輪9→排種（排肥）軸8.動(dòng)力由行走地輪1提供，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組前進(jìn)速度與排肥過程的同步.排肥軸8的變量實(shí)施，通過無級(jí)變速器3改變系統(tǒng)的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn).脈動(dòng)式無級(jí)變速器調(diào)節(jié)軸10的角度調(diào)節(jié)，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)13通過聯(lián)軸器12和減速比為1︰40的蝸輪蝸桿副驅(qū)動(dòng)控制，其中蝸輪蝸桿減速器一端與步進(jìn)電機(jī)相連，另一端通過連接器與脈動(dòng)式無級(jí)變速器的弧形調(diào)速板轉(zhuǎn)軸相連接，脈動(dòng)式無級(jí)變速器的動(dòng)力輸出端與作業(yè)機(jī)的排肥軸連接，帶動(dòng)排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng).

該變量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了無級(jí)變速機(jī)構(gòu)與步進(jìn)電機(jī)的有機(jī)結(jié)合，在調(diào)速范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)1°，變速器傳動(dòng)比的變化率為0.0163%～0.104%，具有很高的調(diào)速精度，滿足變量施肥作業(yè)要求.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用單片機(jī)開發(fā)語言C51和MSC51匯編語言開發(fā)了適用于變量施肥作業(yè)控制的軟件系統(tǒng).

軟件系統(tǒng)包括四部分：主程序、USB移動(dòng)存儲(chǔ)器讀寫子程序、串口中斷子程序、作業(yè)處方分析實(shí)施子程序.

主程序完成對(duì)硬件系統(tǒng)的初始化、子程序模塊的調(diào)用、顯示排肥軸和地輪轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測.

USB移動(dòng)存儲(chǔ)器讀寫子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)USB存儲(chǔ)設(shè)備中FAT32文件讀寫.

串口中斷子程序?qū)崿F(xiàn)不同波特率的GPS和微處理器異步串行通訊波特率自動(dòng)檢測識(shí)別.為了適應(yīng)不同型號(hào)GPS，在軟件設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法.

作業(yè)處方分析實(shí)施子程序包括GPS數(shù)據(jù)解釋、變量作業(yè)方案查表操作、步進(jìn)電機(jī)相對(duì)步進(jìn)量計(jì)算和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)等.

圖5 變量控制系統(tǒng)傳動(dòng)示意圖

5 結(jié)論

本文對(duì)變量施肥控制裝備的軟件和硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì).該裝備選擇AT 89S55單片機(jī)為主控設(shè)備，采用USB設(shè)備作為存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)處方信息，選擇GPS25-lvs OEM板采集作業(yè)農(nóng)機(jī)定位信息，使用霍爾傳感器檢測排肥軸和地輪軸速度，同時(shí)開發(fā)了相應(yīng)的軟件.變量作業(yè)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)和脈動(dòng)無極變速器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變量作業(yè).經(jīng)實(shí)踐證明該裝備能夠用于變量施肥機(jī)控制作業(yè)，與常規(guī)的地輪驅(qū)動(dòng)施肥機(jī)配套使用，目前已應(yīng)用在1GNF-200施肥機(jī)上.

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