喬　琳，胡國順，劉志剛

( 1.云南經濟管理學院 工程學院，昆明　650304；2.云南大學 軟件學院，昆明　650091)

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基于單片機的伺服高效免耕播種機設計與研究

喬琳1，胡國順1，劉志剛2

( 1.云南經濟管理學院 工程學院，昆明650304；2.云南大學 軟件學院，昆明650091)

摘要：為了提高免耕播種機排肥量和株距控制的自動化水平，解決播種機播種過程株距不均勻的問題，實現(xiàn)排肥量的自適應調節(jié)，基于單片機和伺服系統(tǒng)設計了一種新的免耕播種機，大大提高了播種機的效率和自動化水平。為了測試本次優(yōu)化設計的免耕播種機的可靠性，對其播種性能進行了測試，測試項目包括株距控制、排肥量控制以及免耕播種機的各項性能指標。通過測試發(fā)現(xiàn)：實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，滿足精密播種機的設計要求，其各項指標均在行業(yè)標準的范圍內。

關鍵詞：免耕播種機；株距控制；伺服系統(tǒng)；單片機；自適應；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業(yè)的灌溉。據(jù)不完全統(tǒng)計，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，嚴重制約了農業(yè)經濟的發(fā)展。保護性耕作是旱地節(jié)水的重要途徑，其典型的機械裝置為免耕播種機。由于種植區(qū)地形的復雜性，免耕播種機在行進時，其阻力的大小不同，而目前的免耕播種機的排種和排肥料量都屬于自行調整機械，還達不到自動化調節(jié)的水平。為此，擬采用單片機和相關伺服控制系統(tǒng)算法對高效免耕播種機進行優(yōu)化設計，以期提高免耕播種機的自動化和精確程度，為現(xiàn)代化免耕播種機的研究提供相關技術參考。

1免耕播種機結構改進

目前，免耕播種機在國外已經開始推廣使用，如澳大利亞和美國等地區(qū)，其播種機的性能優(yōu)良；但是國內免耕播種機的起步較晚，為了控制播種的株距，需要對排種器的結構進行優(yōu)化，其結構如圖1所示。

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

圖2為排種輪窩眼結構的放大圖。通過旋轉器的自動調節(jié)，窩眼的大小可以自適應的進行變化，從而提高了排肥量的控制精度。排肥器的設計如圖3所示。

圖1　排種器結構示意圖

圖2　排種輪窩眼結構

1.調節(jié)手輪　2.排肥架　3.輸肥管　4.排肥軸　5.集肥器

為了實現(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。當播種機車速過快時，將排肥器的排肥孔利用反饋系統(tǒng)進行調大；當播種機速度較慢時，將排肥口面積降低。

本設計中伺服控制系統(tǒng)通過播種機速度檢測來得到伺服控制系統(tǒng)的反饋信號。當速度出現(xiàn)偏差時，需要通過控制器進行調節(jié)，通過速度偏差計算得到需要的占空比，調整排種器和排肥箱的流量控制，實現(xiàn)株距和排肥箱的閉環(huán)控制。其總體設計框架如圖4所示。

圖4　直流伺服控制系統(tǒng)總體設計框圖

播種機的速度可通過單片機進行實時檢測，并利用I/O端口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，播種機的速度還可以通過顯示器進行顯示。

2單片機伺服系統(tǒng)控制原理

直流伺服電機和普通的電機相比，結構上并沒有很大的區(qū)別，其工作原理也十分相似，唯一不同的是伺服電機系統(tǒng)具有位置或者速度反饋裝置，從而可以提高響應速度。因此，可以利用伺服電機快速響應的特性，對免耕播種機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，依據(jù)播種機的速度反饋，利用伺服電機來調整播種機的株距和施肥量。直流電機的負載和接線示意圖，如圖5所示。

圖5　免耕播種機直流伺服系統(tǒng)接線示意圖

圖5中，Ua表示電樞電壓；Uf表示勵磁電壓；Te表示電磁轉矩；T0表示空載轉矩；T2表示機械負載轉矩。當勵磁電壓一定時，通過調整電樞的電壓，達到對伺服電機進行調速的目的。調速的機械特性的表達式為

(1)

圖6　伺服控制系統(tǒng)線性控制圖

伺服控制系統(tǒng)電機空載具有一定的損耗，其轉矩為T0，在Te=0時為理想空轉轉速；Tk表示伺服系統(tǒng)電機的堵轉轉矩，當伺服控制系統(tǒng)的電機轉速為0時，伺服控制系電機達到該轉矩；k的大小反應了轉速隨轉矩變化的大小，當伺服控制系統(tǒng)電機轉矩為恒定值時，轉軸上的總轉矩也恒定，電機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時電磁轉矩為常數(shù)。其表達式為

(2)

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

(3)

k1跟負載轉矩有關，其數(shù)值為轉矩決定的常數(shù)，表達式為

(4)

依據(jù)伺服控制系統(tǒng)的電機控制數(shù)學模型，對電機進行調速控制，調速后的電機可以對株距和排肥裝置進行控制，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)播種機的行進速度，行進速度由單片機測得。其工作流程如圖7所示。

圖7　免耕播種機速度檢測過程圖

首先對計算器進行清理，然后在判斷T0是否進入定時的狀態(tài)；當進入狀態(tài)后，光電編碼器利用脈沖信號進行記時，其外部中斷0服務程序流程圖如圖8所示。在定時器啟動后軟件進入該程序模式，當外部中斷0服務程序，計數(shù)器開始計時；在檢查到免耕播種機速度后，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，該單片機功耗低、抗干擾能力強，是51單片機的增強版，編程方便，響應速度快。其控制電路如圖10所示。

本次設計使用的晶振頻率為12MHz，利用外部連接電路來實現(xiàn)復位，當VCC上升時間不超過1ms時，可以實現(xiàn)自動電復位，實現(xiàn)實時反饋功能；利用實時反饋可以有效地對排種器和排肥箱進行控制，提高免耕播種機的播種精度。

圖8　外部中斷0服務程序流程圖

圖9　伺服控制系統(tǒng)數(shù)字PID增量式結構圖

圖10　單片機伺服控制系統(tǒng)電路圖

3性能測試

為了驗證所設計的單片機伺服免耕播種機的性能，對其播種性能進行了測試，測試項目包括株距控制和排肥量控制。通過測試，得到了如表1所示的測試結果。

表1　免耕播種機性能測試結果

由表1可以看出：實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技術條件的相關規(guī)定，株距誤差在50%以內都是符合要求的，本次研究的設計誤差在該設計范圍內。

表2為高效伺服免耕播種機各項性能的測試結果。為了使試驗具有普遍適用性，將測試地點選為3個地區(qū)，通過測試最終得到了如表2所示的測試結果。由表2可以看出：免耕播種機的各項指標均在行業(yè)標準的范圍內。

表2　高效伺服免耕播種機各項性能測試

4結論

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

2)通過對基于單片機伺服控制系統(tǒng)的免耕播種機性能進行了測試，測試結果表明：實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，滿足精密播種機的設計需求。在3個不同地區(qū)對播種機的各項性能進行了測試，由測試可以看出，免耕播種機的各項指標均在行業(yè)標準的范圍內。

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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

文獻標識碼：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。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-08-16