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第 1 2期 2 0 1 2年 1 2月 机 械设 计 与制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 5 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 2 0 2 5 7 0 3 液压 变量施肥控制 系统设计与试验 陈书法赵真封成龙杨进 淮海工学院 机械工程学院, 连云港 2 2 2 0 0 5 De s i g n a n d E x p er i me n t o n Co n t r o l Sy s t e m o f Se l f - Pr o p e l l e d Va r i a b l e Ra t e F e r t i l i z e r C HEN S h u - f a , Z HAO Z h e n , F ENG C h e n g - l o n g , YANG J i n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5 , C h i n a 【 摘要】 为解决现有水田撒肥机械存在肥量调节控制技术落后、不能适应变量作业工作要求等 问题, 设计了一种 变量撒肥控制系统。通过分析国内外变量施肥技术研 究情况, 概述了变量撒肥机总体 结构和工作原理, 研究了控制 内容和控制策略 , 确定了以 A T 8 9 C 5 I 单片机作为主控制核心元件的计算机 控制系统, 进行软硬件设计和系统集成。通过场地和田间撒肥试验表明, 撒肥机作业效率达到6 h m , 施肥量偏差小于 5 %, 排肥量稳定性变异系数仅为 6 . 2 %, 撒肥机工作性能和控制 系统设计满足水田变量 撒肥工作要求。 关键词 变量撒肥机; 控制系统; 单片机; 控制策略; 施肥决策 【 A b s t r a c t 】 / n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m o f b a c k w a r d ma n u r e r e g u l a t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y w h i c h w a s n o t s u i t a b l e f o r v ari abl e 一 九 面 e f e r t i l i z ati o n n e e d s ofp ad f e r t i l i z i n g mach i n e . a v ari a b l e n e f e r t i l i z ati o n c o n t r o l s y s t e m W a S d e s i g n e d . B a s e d o n t h e d o m e s t i c a n d f o r e i gn r e s e arc h s i t u at i o n s oft h e v a r i abl e r ate f e r t i l i n g t e c h n o l o gy. t h e o v e r a l l s t r u c t u r e a n d w o r k i n g me c h ani s m of t h e v ari a b l e r e f e r t i l i n g m ach i n e { w e r e d e s c r i b e d, a n d c o n t r o l c o n t e n t an d s t r ate gy we r e s t u d i e d , A T8 9 C 5 1 s i n g l e c W as u s e d as a c o r e c o n - ‘ t r o l e l e m en t i n t h e c o n t r O l s y s t e m, h ard w are a n d s 窃e r e d e s i g n e d , a n d c o n t r o l s y s t e m W as i n t e g r ate e 1 .{ T h e v ari a b l e - r a t e / e r t i l i z i n g e x p e r i m e n t i n s p ace andp a d d y fie l d s h o w s t h a t t h e w o r k i n g e f fic i e n c y i s u p t o 6 h m2 / h , e f e r t i l i z i n g e r r o r i s l e s s t h an 5 %, a n d t h e f e 舷 s t abi l i t y v ari ati o n c o e f fic i e n t is o n Z y 6 . 2 %, S O t h e w o r k i n g p e r f o r m anc e and c o n t r o l s y s t e m d e s i g n oft h e f e r t i l i z e r i s s u i t abl e f o r s p r e adi n g t h e f e r t i l i z e r i n { v ar i a b l e r at e w i d e ly and e ffic ie n t l y i n p a d fi e l d . Ke y W o r d s Va r i a b l e - Ra t e Fe r t i l i z e r ; Co n t r o l S y s t e m ; S i n g l e Ch i p; Co n t r o l S t r a t e g y; F e r t i l i z a - t i o n De c i s i o n 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1引言 国外已有撒施液态肥的变量技术成果,采用液压驱动控制 技术, 系统结构简单, 但在我国液态化肥的品种和生产量很少、 运 输不便, 推广应用受限, 不适合我国化肥供应以颗粒、 粉末状为主 的实际情况; 现有变量施肥机具多与通用的拖拉机悬挂连接, 两 轮驱动, 底盘低, 采用普通轮胎, 不适合水田行走要求的过埂通过 性、 高地隙、 转弯半径小的工作要求 。 根据现有研究成果, 设计和试验了一种适合水稻生长期、 撒 施颗粒或粉末状化肥的水田自主行走的高地隙液压变量撒肥机。 整机结构由机械本体及其控制系统组成, 文中主要介绍实现田间 液压变量施肥的控制系统设计、 原理与实现过程。 2变量撒肥机结构与工作原理 2 . 1变量撒肥机结构 水稻变量撒肥机整机设计主要以合理配置整机重心,降低 接地压力, 提高水田作业性能, 改善驾驶操作条件等方面出发, 尽 量简化机构, 增加功用, 满足变量施肥作业要求。如图 1 所示, 整 机由高地隙底盘、 发动机、 显示器、 控制器及控制系统、 G P S系统、 测速传感器、 液压顶升系统、 连接悬挂支架、 撒肥装置与液压驱动 系统等系统与部件组成, 撒肥装置通过三点连接悬挂支架与高地 隙底盘连接, 由液压油缸调节撒肥装置至合适的工作高度。撒肥 装置主要由肥箱、 撒肥盘 、 步进电机与排肥 口调节装置、 液压马 达、 齿轮传动装置、 支架等组成㈣。 2 . 2变量撒肥工作原理 变量撒肥机结构简图及变量施肥工作原理图, 如图 1 、 图 2 所示。撒肥机用于水田撒肥作业时, 控制系统能根据接收的 G P S 位置信号和测速传感器测得的实际作业速度以及作业幅宽, 自动 识别地块信息, 调用施肥决策卡中的施肥决策信息, 控制器自动 控制步进电机的开合和通电时间长短, 由步进电机驱动的排肥口 调节装置自动调节肥箱排肥口开度, 由排肥口流出的肥料经由液 压马达驱动的可无级调速的撒肥圆盘离心抛洒出, 实现 自动变量 连续撒肥; 整机由高地隙底盘驱动, 实现水田自走撒肥作业 。 ★来稿 E l 期 2 0 1 2 0 2 1 7 -R 基金项目 江苏省苏北科技发摩 } 计 划项目 B C 2 0 1 2 4 2 5 , B C 2 0 1 2 4 2 6 , B C 2 0 1 1 4 2 6 ; 江苏省农机三项工程项目 N J 2 0 1 0 - - 1 7 ; 连云港市科技攻关项目 C G 1 1 3 0 - , ,■ 女 综 述 t 2 5 8 陈书法等 液压变量施肥控制系统设计与试验 第 1 2期 图 1变量撒肥机结构简图 F i g . 1 Va r i a b l e Di s t rit u t o r S t r u c t u r e Di a g r a m 1 .发动机与油泵 2 驾驶室 3 .显示器 4 . 高地隙底盘 5 .控制器及控制系统 6 . G P S 系统 7 .连接悬挂支架总成 8 腋 压顶升系统 9 , 撒肥装置总成 1 0 肥箱及排肥口 l 1 .步进电机与排肥口调节装置 1 2 .撒肥盘 1 3 . 齿轮传动装置 1 4 .液压马达与驱动系统 1 5 . 支架 1 6 . 行走轮及测速传感器 施肥决策卡 J m G P S 系统 S/ _ A s 地块信息模型 速度传感器及信号调理电路 } ‘ _ 1 变量撒肥机 1 0 l 1 l 2 1 3 1 4 图 2变量]淹肥工作原理图 F i g . 2 Va r i a b l e F e r t i l i z a t i o n P rin c i p l e Di a g r am 3控制系统控制内容分析及控制策略 3 . 1控制内容分析 控制内容分析的目的主要是确定所需的控制信息、信号性 质, 以便确定其所需的控制方式。由图 1 、 图2 撒肥机结构与工作 原理, 可以确定采用计算机控制系统时的主要控制内容如下[5 - 6 ] 1 G P S 全球定位系统定位导航的实时定位信号与撒肥机 所处的位置信号处理; 2 施肥决策卡的地块信息与G P S 定位信息的融合; 驾驶操 作与G P S 、 施肥决策之间的信息融合; 3 施肥决策控制 主要完成对变量撒肥的实时控制, 这是 计算机控制系统设计的核心, 主要完成对步进电机控制和液压驱 动系统电磁阀控制。 4 测速传感器的速度信息、 限位开关、 液压系统油温超限、 油位信号的处理、 报警等。 其中 1 、 2 是数字化信息, 由相关软件直接与计算机 C P U 进行数据处理和交换, 属于弱电性质; 3 是主要控制设计内容, 属于强电性质 ; 4 中速度信号为模拟信号, 属于弱电性质, 须经 调理电路处理成数字量; 液压系统油温超限、 油位信号的处理 、 限 位开关信号报警为开、 关信号可直接调理成 1 、 0 信号由计算机处 理 , 属于弱电性质 。 3 - 2控制策略研究 根据变量施肥工作需要, 确定控制策略如下 1 采用以硬件设计为主的计算机控制系统, 满足系统的 稳定性、 可靠性要求。 撒肥机工作于室外大田水田, 工作环境差; 而且不同季节、 不同地区的温差变化也较大, 对系统的影响和要 求较高, 其他还有防雷电、 防腐蚀 、 防潮防水等多方面的可靠性 要求。 2 采用高性能单片机作为主控核心元件, 满足系统对施肥 决策卡、 G P S 数据处理的需要。 控制系统对强电、 弱电以及软硬件 要求很高, G P S 、 施肥信息卡的控制信息处理数据量大, 为此应加 强信息信号方面处理的能力。 3 模块化软硬件设计, 以简化设计难度, 提高可维护陛。系 统中所需处理的信息、 信号复杂, 有强电、 弱电; 有数字信息、 模拟 信号、 开关信号等。 4 软件设计以定时中断子程序为主。系统中需要处理的信 息、 信号量较多, 如 变量施肥量与撒肥机实时位置的确定和校 正; 机械系统的迟滞性与计算机控制系统的快速性之间的协调处 理; 速度传感器模拟信号等。采用定时中断以便在中断时序内及 时处理完成数据, 互相不干扰。 控制系统的可选技术方案 1 、 2如图 3 所示。左侧为计算机 侧, 弱电性质; 方案右侧为机械本体侧, 强电性质。 其中 方案 1以 硬件界面设计为主, P L C控制器采用独立式结构、步进电机的脉 冲分配为硬件环形分配器;方案 2以软件界面设计为主, P L C控 制器采用内装式结构设计, 与计算机控制系统共用 C P U , 步进电 机为软件环形分配器。 综合以上分析及控制策略, 选择技术方案 1 。 i i r一一一一‘。。。。⋯。一一一一’ 信 息 系 统 馨 .i .i 主 控 制 系 统 撒肥机 - , 一 蓊 控制器H 琶矗卜 变 量 撒 卜 亚巫圉 薹巫卜 - 肥 装 置 传 感 器 、 开 关 等 及 其 信 号 调 理 电 路 I . J 方累 1 方案 2 . . 1_ 计算机侧 机械本体侧 图3撒肥机控制系统原理图 F i g .3 F e rti l i z e r C o n t r o l S y s t e m Di a g r a m 4计算机控制系统设计 由控制系统技术方案 1 可知, 控制系统由信息处理系统 、 计 算机软硬件、 主控制系统所组成。控制系统的硬件由主控制电路 和微型计算机硬件控制电路组成, 其中主电路控制系统主要对系 统中强电执行器件进行通电及热、 过电流电压、 开断路等安全保 护的设计与控制, 这是一些常规设计不再详述。 4 . 1计算机硬件控制系统设计 微型计算机硬件控制电路由 A T 8 9 C 5 1 单片机作为主控制 核心元件, 完成对步进电机、 液压驱动系统电磁铁、 流量阀、 方向 阀、速度控制阀等的控制以及机器运行状态相关数据的采集 、 处 理、 显示等。 A T 8 9 C 5 1 的主要特点有 与 MC S - 5 1 系列的单片机在 指令系统和引脚上完全兼容;片内有 4 k字节在线可重复编程快 擦写程序存储器; 全静态工作, 工作范围 0 - 2 4 MH z ; 1 2 8 x 8 位 内部 R A M; 3 2位双向输入输出线; 两个十六位定时器计数器 ; 五 个中断源, 两级中断优先级; 一个全双工的异步串行 口; 间歇和掉 电工作方式。单片机控制系统硬件系统框图16 l , 如图 4 所示。 No . 1 2 D e c . 2 0 1 2 机械 设 计与 制造 2 5 9 图 4撒肥机计算机控制系统框图 F i g .4 F e r t i l i z e r Co mp u t e r Co n t r o l S y s t e m Bl o c k Di a g r a m A T 8 9 C 5 1 单片机对步进电机的控制采用硬件环形分配器方 式, 增加系统的可维护性、 操作安全陛, 但也增加硬件电路的设计 难度。 4 . 2控制系统程序设计 系统程序采用模块化结构设计 ,主要由主程序模块及相应 子程序模块组成。 如图5所示。 主程序主要完成系统上电自检、 系 统初始化、 相关子程序调用等, 为系统工作做好准备。 子程序模块 主要有 测速传感器模块; 步进电机运行循环、 升降速及正反转控 制模块; 中断服务程序模块; 输入愉 出/ 显示模块等。 图 5控制系统主程序设计流程图 F i g .5 Ma i n Pr o g r am De s i g n F l o w Ch a r t o f t h e C o n t r o l S y s t e m 5变量施肥性能试验 试验条件 时间 2 0 1 0年 8月 l 6 、 1 7日, 天气晴朗, 温度 2 9 3 1 ℃, 空气湿度 4 9 ~ 5 1 %, 微风, 试验肥料 尿素 颗粒尺寸 1 .0 ~ 4 . 6 ram、 堆密度 6 6 2 k m 3 、 含水量 0 . 4 % 。 性能检测试验场地 连云港市元天农机研究所试验场地, 场 地面积 8 0 x 8 0 m, 水泥地面, 平整无坡度, 地表覆盖一层帆布, 便 于收集肥料17 --9 1 。 田间试验地点 连云港市某农场 , 试验面积 5 O亩, 水稻品 种 连稻 3 号, 水稻正处拔节期。 试验检测仪器设备 机械秒表 0 1 5 m i n , t O . 1 s 、 钢卷尺 0 5 m, l m m、 电子天平 E S 一 3 0 K H T S O 3 0 k g , l g 、 台式干燥箱 D G / 2 0 - 0 0 2 A 0 ~ 2 o o o c, l o C 、 温湿度计j ws 2 2 一 1 0 . - 4 0 c C, 1 O ~ 1 0 0 %R H; I C, 5 %、 温度表 D M一 6 9 0 2 一 5 0 7 5 0 C , l c c、 方孔 筛 1 . 0 5 . 6 m m, 0 . 0 1 ra m。撒肥机撒肥试验结果, 如表 l 所示。 表 1撒肥机撒肥试验结果 T a b . 1 Ma n u r e Sp r e a d e r S p r e a d i n g Te s t Re s u l 试验结果分析 由表 1 试验结果可以看出, 撒肥机施肥量偏 差为 5 %, 总排肥量稳定性变异系数为 6 .2 %, 施肥均匀性变异系 数仅为 1 4 %, 整机性能达到施肥机械国家标准要求 , 且撒肥盘离 地高度、 撒肥幅宽、 工作效率等性能指标均达到预期设计目标要 求。 6结论 1 通过调节电磁式流量阀开度从而改变液压马达输出轴 转速的液压系统设计保证了撒肥盘在 0 9 0 0 r / mi n连续变速的 变量撒肥工作要求; 2 通过场地和田间撒肥试验, 撒肥盘离地高度可达 1 1 0 0 m m, 作业效率达到 6 h m 2 P n , 撒肥幅宽达到 1 4 m, 撒肥机控制系统设计 和工作性能满足稻田变量撒肥工作要求。 参考文献 [ 1 ] 林昌华, 唐群峰, 唐树梅 动变量施肥技术的研究与应用现状[ J J _ 华 南热带农业大学学报 , 2 0 0 6 , 1 2 2 7 6 7 9 . 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