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        單行玉米電動播種控制系統(tǒng)的設計

        2021-01-04 07:37:12匡麗紅趙雪張博石磊王淞張蕊
        黑龍江八一農墾大學學報 2020年6期
        關鍵詞:種器播種機株距

        匡麗紅,趙雪,張博,石磊,王淞,張蕊

        (1.黑龍江八一農墾大學工程學院,大慶 163319;2.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院)

        在我國南方,由于受地理環(huán)境、耕地條件等因素影響,農戶耕地分散,作業(yè)面積較小,通常采用小型拖拉機牽引單行播種機具進行播種生產作業(yè),造成壓實面積過大;受作業(yè)面積影響,機車作業(yè)行動不便;缺乏有效的監(jiān)測手段,易造成漏播、斷條等情況;同時,由于傳統(tǒng)播種機地輪與排種器之間通過鏈條進行動力傳遞[1],作業(yè)中的地輪打滑會嚴重影響播種均勻性[2]。因此,針對上述情況,研究一種具有小型牽引機構、自動監(jiān)測工況的全電驅動播種機具具有重要意義。

        目前,國外在電動播種機方面的研究比較成熟,已商品化,可以實現(xiàn)電動播種、施肥和工作狀態(tài)監(jiān)測等功能,功能齊全,作業(yè)效果良好,作業(yè)靈活性和效率高。日本研究了一種排種電控系統(tǒng)[3],針對圓盤式排種器,按照落種周期設計驅動電路,驅動電磁調節(jié)裝置控制種子的運動,驅動周期和落種時間要保持一致,才能保證正常播種作業(yè),適合于低速播種作業(yè)。日本還研究了依據(jù)地輪轉速實時調節(jié)播種量的自動控制系統(tǒng)[4],通過速度傳感器實時獲取作業(yè)速度,按照輸入作業(yè)參數(shù)、獲取的作業(yè)速度,調整排種軸轉速,通過試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),在播種株距變異系數(shù)方面,該系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)地輪驅動的排種器。美國Precision Planting 公司以SeedSense 20/20 為核心,開發(fā)了變量播種控制系統(tǒng)[5-6],每個播種單體可獨立工作,由SeedSense 向單體控制模塊下發(fā)作業(yè)速度、播種量等信息,單體控制模塊根據(jù)指令信息計算電機理論轉速,并將轉速信息發(fā)送至電機驅動模塊,電機驅動模塊根據(jù)反饋速度,準確調節(jié)電機轉速,功能完善,價格較高。美國Trimble 公司研發(fā)的Field-IQ 變量播種控制系統(tǒng)[7],使用控制器通過CAN 總線發(fā)送播種轉速指令,Rawson 播種單體驅動模塊接收指令后,控制排種電機實施播種作業(yè)。

        國內在播種狀態(tài)監(jiān)測方面的研究比較成熟,多數(shù)采用的是光電監(jiān)測的方法[8-16],而在電動播種作業(yè)方面的研究起步較晚,目前多處于實驗室研究階段。李劍峰等[17]研究的小麥播種機變量控制系統(tǒng)能夠完成變量播種,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理,完成排種器轉速的控制,在轉速控制精度上有待提高。張國梁等[18]研究了播種機變量控制系統(tǒng),電腦通過RS232通信將播種參數(shù)傳送給單片機,并通過反射式光電傳感器檢測播種機的作業(yè)速度,單片機根據(jù)播種參數(shù)與作業(yè)速度調節(jié)步進電機轉速,實現(xiàn)變量播種。婁秀華[19]研制的一種以單片機為核心的播種智能控制器,提前給單片機輸入地塊需要的播量,控制器計算出排種器轉速與播種機前進速度之間的函數(shù)關系式,根據(jù)測量的機車作業(yè)速度對步進電機的轉速進行實時調節(jié),減少了地輪打滑對播種質量的影響,提高了播種均勻性。趙雪等[20]研究的氣吸式玉米播種智能電控系統(tǒng),以工控機為核心,單片機為控制器,根據(jù)機車速度實時調節(jié)排種直流電機,實現(xiàn)變量播種。

        綜上所述,國外的電動播種控制系統(tǒng)技術成熟,但引進成本高,而且適用性上有偏差,國內目前有少量引進,但功能不能全部適用,性價比降低。國內的研究主要是針對由機車牽引的多行作業(yè)機具的自動化問題,對于南方小地塊的單行作業(yè)機具應用,具有局限性,而且牽引機車的作業(yè)不便,未能解決。因此,課題組提出了一種交流電機作為機具行進動力源、直流電機驅動排種器的單行電動播種機的方案,通過試驗證明,其作業(yè)效果較好。

        1 單行電動播種機的總體結構及原理

        單行電動播種機結構及實物如圖1 所示。系統(tǒng)包括了機具部分和動力源部分。機具部分有開溝器、覆土器、行走輪、排種器、液肥罐以及播種監(jiān)控系統(tǒng)等;動力源部分包括牽引電機、卷盤、行走導軌及電機控制系統(tǒng)等。動力源部分安裝在作業(yè)地塊兩端的工字鋼上,可以移動,由兩端的牽引電機作為機具動力源,一放一收,通過卷盤和鋼絲牽引機具移動,整個機具四角下安裝有萬向輪,為保證其行走軌跡不發(fā)生偏移,要求釋放鋼絲電機和收卷鋼絲電機要同步,保持機具前后受到一定的牽引力,才能保證其直線行走軌跡。根據(jù)南方作業(yè)地塊特點,鋼絲長度定為100 m,采用單相交流電機帶動卷盤,卷盤通過鋼絲牽引機具做直線運動,卷盤收放速度為12 m·min-1,作業(yè)速度小于1 km·h-1。

        排種器選用的是毛刷式大豆、玉米排種器,排種器受同軸直流電機旋轉驅動,播種控制系統(tǒng)通過一個專用的測速輪采集機具作業(yè)速度,根據(jù)機具速度調節(jié)直流電機轉速,使播種株距達到要求,每次到達地頭,機具需要橫向移動一條作業(yè)帶時,測速輪抬起鎖住,以免誤認為是機具處于作業(yè)狀態(tài)。

        圖1 單行電動播種機結構框圖及機具實物圖Fig.1 The structure diagram of single-row motor-driven seeder

        2 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)結構設計

        電動播種監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖2 所示。系統(tǒng)包括微處理器、作業(yè)速度傳感器、作業(yè)工況傳感器、作物類型選擇輸入、步進電機控制電路、聲光報警電路等。

        控制單片機根據(jù)作業(yè)速度傳感器或者GPS 模塊獲取的機具速度,通過驅動電路實時調節(jié)排種電機轉速,在播種起始和結束時電機轉速變化較大,正常播種時電機轉速變化較小,同時,監(jiān)測單片機實時監(jiān)視導種管中種子下落情況,一旦發(fā)生異常,立刻驅動聲光報警電路,同時通知控制單片機停止播種作業(yè)。

        圖2 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.2 The schematic diagram of motor-driven seeder control system

        根據(jù)排種器選擇合適的電機是保證播種合格率的重要因素。結合系統(tǒng)重量、體積、成本等因素考慮,系統(tǒng)選用了哈爾濱雙福農機公司生產的毛刷式排種器,玉米盤型孔數(shù)為15,省去了風機的成本,降低整機重量和功耗。為確定排種器轉動扭矩,將排種器中充滿實驗玉米種子,采用精度為0.1 N.m、量程為0~135 N.m 的開拓扭力測試儀進行測量,得到扭矩為4.5 N.m,考慮到排種過程可能會存在卡種等情況,驅動扭矩至少為轉動扭矩的2 倍。根據(jù)需求和現(xiàn)場條件,作業(yè)速度需控制在1 km·h-1以下,機架下四個萬向輪輪徑為200 mm,株距為250 mm,根據(jù)表達式(1),計算最大轉速為4.45 rpm。

        式中,n 為轉速(rpm),v 為機具前進速度(km·h-1),k 為排種盤的型孔數(shù),s 為株距(m)。該排種器要求驅動電機應具有低轉速、大扭矩的特點。如果采用普通的775 型直流減速電機,雖然功耗低,但是在低速下電機抖動,并且一旦卡種,電機就會損壞。因此,系統(tǒng)選用了57 步進電機配二級減速器的方法,輸出扭矩最大可以達到30 N.m,步距角1.8 °,電源范圍24~48 VDC,實驗測試,低速下電機無抖動。

        準確獲得機具的實時速度,根據(jù)行進速度及時調節(jié)排種電機的轉速,是保證合格粒距的重要前提。因此,設計了兩套測速裝置。一是預留的GPS 模塊接口,在沒有差分基站和低速作業(yè)的情況下,GPS 模塊輸出速度波動大,無法作為電機調速依據(jù),如果當?shù)鼐邆淞瞬罘只荆梢岳肎PS 模塊獲取準確的作業(yè)速度和位置信息,用于統(tǒng)計作業(yè)量等信息。二是在機具上裝配了一個可伸縮的測速膠輪,直徑200 mm,可根據(jù)機具運動方向調節(jié)其升降,通過安裝在測速輪上的光電碼盤,碼元數(shù)為200,實時采集機具前進速度;微處理器根據(jù)獲得的脈沖數(shù),由表達式(2)計算出機具速度:

        式中,v 為機具作業(yè)速度m·s-1,N 為編碼器輸出的脈沖數(shù),d 為測速地輪直徑mm,K 為光電碼盤碼元數(shù),t 為采集周期s。由于測速地輪存在打滑現(xiàn)象,根據(jù)現(xiàn)場土質,將表達式(2)計算的速度乘以打滑率0.9,該系數(shù)可根據(jù)土質條件進行修改。微處理器根據(jù)作業(yè)速度計算出當前排種器的理論轉速,調節(jié)步進脈沖,使排種器達到理論轉速,保證播種株距。

        由于播種作物可以是玉米和大豆,通過兩位開關作為作物類型輸入選擇,以便于根據(jù)播種株距計算電機轉速。為防止出現(xiàn)漏播情況,采用工況監(jiān)測傳感器,實時監(jiān)測導種筒中種子流運動情況,一旦發(fā)生漏播,驅動警示燈,發(fā)出聲光報警信息。避免電線過長、干擾機械運動,播種監(jiān)控系統(tǒng)電源采用36 V 100 AH的鋰電池供電,充滿電為42 V,完全能夠滿足一天的作業(yè)用電量。

        3 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)電路設計

        電動播種監(jiān)控系統(tǒng)是由三個微處理器單元構成的集散控制系統(tǒng),微處理器均采用STC15W401,具有一個串口、兩個定時器,程序存儲器1KB,SRAM 容量256 B,2.4~5.5 V 的寬電源電壓范圍,在蓄電池供電情況下,也能穩(wěn)定工作。微處理器1 的部分電路如圖3 所示,主要完成與GPS 模塊的通信,GPS 模塊采用的是GS-216,每秒傳輸一次位置坐標和速度信息,價格低,但是精度不高,尤其是速度采集誤差較大,需要建立差分基站,以提高定位和速度精度,微處理器1 通過MAX232 與GPS 模塊通信,獲取速度信息后,通過SPI 接口,將速度信息傳輸給微處理器2 和微處理器3。

        圖3 微處理器1 與GPS 模塊接口電路Fig.3 The interface circuit of MCU 1# with GPS module

        微處理器2 為整個系統(tǒng)的核心,它完成采集機具速度、排種器速度控制和電池電壓監(jiān)測等功能,部分電路如圖4 所示。由于試驗現(xiàn)場無差分基站,GPS模塊采集的速度誤差相對較大,因此,利用安裝在測速輪上的光電碼盤測量機具速度,利用單片機的兩個16 位定時器,累計相鄰兩個脈沖間隔時間,根據(jù)表達式(2),計算機具行進速度。根據(jù)機具速度、作物類型和株距要求,使用表達式(1)計算得到電機理論轉速,利用1 個16 位定時器和1 個I/O 口產生所需步進脈沖,控制排種器的轉速,使其達到播種株距要求。由于播種控制系統(tǒng)采用鋰電池供電,需要保證鋰電池不能虧電而影響播種作業(yè),同時避免其過放電,縮短電池壽命,因此,采用DSC_CN302 監(jiān)測鋰電池電壓,CN302 是一款可調整遲滯的低功耗電壓檢測集成電路,如果FTH 管腳電壓低于CN302 下行閾值,在短暫延時(典型值13 μs)后,5 腳輸出低電平,CN302 特別適合檢測單節(jié)或多節(jié)鋰離子電池;通過其外圍的三個電阻匹配,構成其上行和下行閾值,即可完成鋰電池電壓監(jiān)測。在系統(tǒng)設計中,當電池電壓低于31 V 時,5 腳輸出低電平,引起微處理器2 產生外部中斷,微處理器2 點亮電量指示燈,提示操作人員注意。

        圖4 微處理器2 與電池電量監(jiān)測電路圖Fig.4 The circuit of MCU 2# and battery level monitor

        微處理器3 主要完成播種狀況監(jiān)測功能,當收到機具工作信息時,開始循環(huán)檢測種管中種子流情況,一旦發(fā)生堵塞或者排空,立即啟動24 V 高分貝旋轉式聲光報警器工作,并將故障信息發(fā)送給微處理器2。

        4 電動播種監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

        電動播種監(jiān)控系統(tǒng)微處理器2 的軟件流程如圖5 所示。系統(tǒng)開機后,單片機上電初始化,讀取播種作物類型,檢測機具是否運動,如果未做移動,則處于待機狀態(tài),如果機具移動,則判定為機具開始工作,獲取機具速度信息,并將開始工作信息發(fā)送給微處理器3,使其開始檢測種管中種子流情況,根據(jù)獲取的速度信息和作物類型信息,確定排種器當前的理論轉速,輸出轉速調節(jié)脈沖,一旦微處理器3 監(jiān)測到播種異常信息,立即向微處理器2 發(fā)出報警信息,并發(fā)出聲光報警,微處理器2 停止電機工作,直到機具再次移動,恢復正常工作狀態(tài)。三個微處理器之間采用SPI 通信,利用中斷方式工作,提高每個單片機的工作效率。電池電量監(jiān)測采用的是外部中斷方式,一旦電池電壓低于31 V,在微處理器2 的外部中斷引腳產生低電平,觸發(fā)中斷,在中斷處理中,點亮低電量指示燈。

        圖5 微處理器2 軟件流程Fig.5 The software flowchart of MCU 2#

        5 系統(tǒng)試驗

        系統(tǒng)性能試驗于2018 年7 月在黑龍江八一農墾大學土槽實驗室進行,2019 年5 月于湛江市熱帶植物研究所完成了田間試驗。試驗作物為千粒質量為313.8 g 的德美亞1 號玉米種子,株距設定為250 mm,測速輪直徑200 mm,作業(yè)距離為50 m,作業(yè)速度小于1 km·h-1,主要進行了株距合格率、重播率和漏播率測試,檢驗電動播種是否滿足國標要求,株距檢驗使用量程30 cm、精度1 mm 的鋼尺,人工數(shù)種校對。進行了20 組實驗,重復5 次。統(tǒng)計試驗結果如表1 所示。

        表1 播種均勻性測試Table 1 Uniformity test of the seeder

        國家在《JB/T10293-2001 單粒(精密)播種機技術條件》對精密播種機要求的作業(yè)指標中規(guī)定:當株距≥20 cm 時,精密播種機作業(yè)性能指標應達到粒距合格指數(shù)≥80%,重播指數(shù)≤15%,漏播指數(shù)≤8%。表1 中結果表明,單行電動播種機各項指標符合上述規(guī)定,試驗中重播指數(shù)較高的原因是:種子篩選不嚴格,導致小粒種子在同穴重復下落。漏播指數(shù)較高的原因是:在部分地塊不平整,機具速度有突變,排種電機轉速調節(jié)延遲,導致出現(xiàn)漏播。另外,機具在啟動和停止階段,速度變化較為劇烈,造成排種器速度不能及時跟隨機具速度,從而引起作業(yè)地塊兩端的株距合格率降低。因此,針對速度突變情況,如何調節(jié)電機轉速仍需深入研究。

        作業(yè)狀況監(jiān)測試驗,通過人為設置排種管堵塞或排空故障,檢查響應時間和誤報警情況。進行了10組試驗,分別設置在作業(yè)地塊的起始段、中間段和停止段,觀察其報警正確率、報警響應時間、排種電機是否停轉、是否正常啟動工作等。通過試驗得到,誤報警率達到2%,報警響應時間<0.3 s,每次故障時排種電機都能正常停止,當機具再次移動時,能夠正常轉動。誤報警率高的原因在于:毛刷排種器經過了改造,轉動不順暢,導致電機偶爾出現(xiàn)脈動,對種管監(jiān)測探頭形成干擾,需要提高其抗干擾能力。

        6 結論

        針對南方小地塊作業(yè)的特點,設計了一種全電驅動的單行玉米播種機,由交流電機作為動力源,帶動排種單體移動,采用直流電機作為排種器動力源,去除鏈傳動,減輕作業(yè)負荷,對種管工作狀態(tài)進行實施監(jiān)測,避免出現(xiàn)漏播、斷條情況。實驗結果表明,播種株距合格指數(shù)>95.3%,重播指數(shù)<3%,漏播指數(shù)<2.7%,滿足國標要求,誤報警率2%,響應時間<0.3 s。該套機具及控制系統(tǒng)能夠大大減輕小地塊作業(yè)對機車的要求,減少人力投入,提高作業(yè)效率。當然,系統(tǒng)在隨動控制和誤報警率方面,有待于進一步提高。

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