玉米播種機(jī)械的播深檢測傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn),農(nóng)業(yè)工程論文

玉米播種機(jī)械的播深檢測傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn),農(nóng)業(yè)工程論文玉米是重要的工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原料。國家統(tǒng)計(jì)局頒布的數(shù)據(jù)表示清楚，2020年我們國家玉米種植面積為37076.1khm2,總產(chǎn)量到達(dá)21567.3萬t,其種植面積和產(chǎn)量均居國內(nèi)農(nóng)作物之首。隨著當(dāng)代科技的發(fā)展，玉米種植經(jīng)過中的種子處理、播種、田間管理及收獲等已經(jīng)大部分實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動化。隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，在提高科技含量、改善生態(tài)環(huán)境的方針指引下，保衛(wèi)性耕作技術(shù)正在不斷地推廣。實(shí)踐表示清楚，保衛(wèi)性耕作在蓄水保墑、培肥地力、控制沙塵暴等方面成效顯著[1].保衛(wèi)性耕作中的一個重要環(huán)節(jié)是在實(shí)現(xiàn)盡可能小地對地表毀壞的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)播種，要求播種機(jī)要具有良好的剛度、強(qiáng)度和構(gòu)造；同時，要充分利用電子技術(shù)對以往的機(jī)械式播種機(jī)進(jìn)行升級改造，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸、顯示和記錄[2].為此，進(jìn)行了以平行四桿仿形機(jī)構(gòu)為主體構(gòu)架的玉米播種機(jī)械的播深檢測傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。該裝置采用了編碼傳感器作為核心元件，不同于以往的電位器式[3]、角度式[4]、電感式[5]等傳感器，具有易于安裝、調(diào)試、更換等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了較好的效果。1整體原理本設(shè)計(jì)基于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院自主研發(fā)的播種單體平行四桿仿形機(jī)構(gòu)〔如此圖1所示〕,其詳細(xì)工作原理見以下為參考文獻(xiàn)[2].圖1所示中，仿形拖板與播種器單體之間采用軸連接方式，橫軸處帶有復(fù)位彈簧，傳感器與連接橫軸同心，復(fù)位彈簧分為正、反兩個方向，保證仿形拖板在正向和反向都有力矩促使其復(fù)位。播種機(jī)工作時，應(yīng)首先保證仿形拖板下沿與開溝器底部在同一水平面上，當(dāng)仿形拖板在工作一段時間后發(fā)生形變，應(yīng)予以更換。仿形拖板上端橫軸上縱向安裝編碼傳感器，構(gòu)造如此圖2所示。圖2中，仿形拖板橫軸從編碼傳感器中孔穿過并固定，正面4個定位螺栓與機(jī)架剛性連接。編碼傳感器采用360等分的形式，相當(dāng)于中軸轉(zhuǎn)動1周產(chǎn)生360個TTL脈沖信號，并且自帶數(shù)字濾波電路，信號具有較強(qiáng)的抗干擾性。圖2所示的傳感器共有5條輸出信號線，分別是1〔+5V電源〕、2〔正轉(zhuǎn)信號〕、3〔脈沖信號〕、4〔反轉(zhuǎn)信號〕、5〔GND〕.當(dāng)播種機(jī)單體在工作時，仿形拖板隨地形運(yùn)動，正、反向都輸出相應(yīng)數(shù)量的脈沖信號。華而不實(shí)，2、4引腳輸出信號反映了當(dāng)下播種機(jī)開溝器工作效果過深或過淺，開溝過深2號引腳輸出高電平，開溝過淺4號引腳輸出高電平。2硬件設(shè)計(jì)原理圖3所示為播深檢測電路的原理。華而不實(shí)，主控芯片采集到編碼傳感器送出的信號，判定當(dāng)下是正傳或反轉(zhuǎn)，同時接受編碼信號。編碼盤采用每周360個脈沖的形式，當(dāng)檢測到一個信號代表仿形拖板與地面之間呈1夾角的位置關(guān)系。所以，在硬件設(shè)計(jì)上只需檢測編碼信號發(fā)生變化的次數(shù)，即可得到仿形拖板與地面之間的夾角。2、4引腳輸出當(dāng)下編碼傳感器正、反轉(zhuǎn)信號，設(shè)計(jì)時考慮到在上、下限臨界點(diǎn)會出現(xiàn)震蕩的情況，故在輸出信號上參加硬件濾波電路；當(dāng)正、反轉(zhuǎn)信號持續(xù)輸出0.01s以上的時間后，系統(tǒng)以為該信號有效，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)程序。報(bào)警單元采用聲光報(bào)警器，當(dāng)播種深度不符合要求時，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲和報(bào)警燈光；同時，將信號傳送至上位機(jī)，為操作者提供參考信息。顯示模塊在調(diào)試系統(tǒng)時使用，由于控制電路部分在使用時一般進(jìn)行封閉處理，所以在系統(tǒng)上只保存相關(guān)的指示燈進(jìn)行狀態(tài)顯示。無線通信模塊具有連接上位機(jī)和控制器的功能，上位機(jī)給定的耕深處理結(jié)果和下位機(jī)檢測到的實(shí)際耕深都將通過此模塊進(jìn)行傳送。由圖1可知，仿形拖板在工作時隨地面起伏而與垂直方向呈一定的夾角，其工作原理如此圖4所示。設(shè)圖4中實(shí)線部分是仿形拖板的初始位置，拖板長度為L,與垂直面呈角度，能夠計(jì)算出原始地面高度為L0=Lcos〔1〕由此推斷出：播深最淺位置-A和播深最深位置+A分別為+A=L-Lcos〔2〕-A=Lcosmax-Lcos〔max+〕〔3〕華而不實(shí)，L為仿形拖板長度；、為編碼傳感器輸出的脈沖信號個數(shù)，同時是最淺播深角和最深播深角。在實(shí)際應(yīng)用中，由于玉米播深與當(dāng)?shù)赝寥缐勄?、積溫、播種時間、土壤溫度及地表等眾多條件相關(guān)，根據(jù)黑龍江省農(nóng)作物種植規(guī)范，玉米播深一般在6cm左右為宜。當(dāng)土壤含水率較低時，可適當(dāng)深播；反之，適當(dāng)淺播，其播種范圍大致在4~8cm之間。本設(shè)計(jì)中，仿形拖板長度L取25cm,可推算出、角度取23.07和18.98，分別取整數(shù)=24，=19，代表正向最大脈沖為24個，反向最大脈沖為19個；當(dāng)系統(tǒng)檢測數(shù)值超過上述數(shù)值時，將進(jìn)行報(bào)警處理。由圖4可知：播深檢測角度在+~-變化經(jīng)過中，+A~-A的變化經(jīng)過存在一定的非線性，采用相應(yīng)的余弦函數(shù)即可得到相應(yīng)的線性關(guān)系。本設(shè)計(jì)中，選擇仿形拖板的長度為25cm,通過公式〔2〕和公式〔3〕可得到表1,即+~-的變化經(jīng)過中相應(yīng)檢測深度的變化范圍。由表1可知：系統(tǒng)檢測的最大步長為0.17cm,最小步長為0.01cm,知足設(shè)計(jì)要求。3軟件流程根據(jù)設(shè)計(jì)原理，制定如此圖5所示的軟件流程圖。在接受傳感器信號經(jīng)過中，采用硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方式，能有效減少外部干擾的影響。在開場部分包括初始化程序，重點(diǎn)是檢測編碼盤初始狀態(tài)能否在原始位置上。初始位置的狀態(tài)信息是正傳、反轉(zhuǎn)信號都為低電平，使用經(jīng)過中如發(fā)現(xiàn)初始狀態(tài)存在正、反信號存在，應(yīng)調(diào)整傳感器靈敏度，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。4比照分析當(dāng)前，國內(nèi)外對耕深檢測方面已經(jīng)做了很多的研究，主要有機(jī)械方式和電子方式：機(jī)械方式由于調(diào)整速度慢、誤差較大等因素的影響，當(dāng)前只在一些低成本、精度要求不高的場合進(jìn)行應(yīng)用；電子方式包括電感式、電容式、電位器式及角度測量儀等方案，部分實(shí)現(xiàn)了檢測裝置與控制裝置相結(jié)合，獲得了一定的生產(chǎn)實(shí)際效果。電子方式采用的傳感器多為數(shù)字式或模擬式，信號在進(jìn)行發(fā)送前需進(jìn)行預(yù)處理，一般存在檢測速度慢的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)有效地減小了系統(tǒng)檢測信號的延時，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量播深。有效檢測種子播深，能較好地控制種子發(fā)芽率、出苗率，保證播種深度的一致性，進(jìn)而提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。設(shè)計(jì)中采用的編碼傳感器構(gòu)造簡單、可靠性高，能有效檢測播種機(jī)的播深。其最大檢測精度為0.03cm,通過調(diào)整正、反向標(biāo)志之間的距離，能夠有效地避免系統(tǒng)在臨界點(diǎn)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)分析表示清楚：當(dāng)正、反向之間保持20個脈沖的裕量時，其檢測精度在0.75cm之間，完全知足實(shí)際生產(chǎn)需求。5結(jié)論1〕設(shè)計(jì)的基于編碼器的播深檢測裝置，可實(shí)時測量免耕播種機(jī)的播種深度，在仿形輪無堵塞、運(yùn)動良好的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。2〕耕深檢測傳感器的檢測范圍為〔62〕cm,系統(tǒng)穩(wěn)定裕量范圍設(shè)定在〔60.75〕cm.當(dāng)傳感器檢測到的信號4cm或8cm時，向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信號，同時本身也發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。3〕系統(tǒng)檢測精度與編碼器精度有關(guān)，如想提升或降低檢測精度，可通過選擇不同脈沖數(shù)量的編碼器來進(jìn)行調(diào)整。4〕系統(tǒng)的檢測精度與仿形托板的長度有關(guān)系，如播種機(jī)在更換仿形拖板后，要根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)值對系統(tǒng)軟件進(jìn)行校正。以下為參考文獻(xiàn)：[1]羅海峰，湯楚宙，吳亮堂，等。免耕播種開溝器的發(fā)展現(xiàn)在狀況[J].湖南農(nóng)機(jī)，2005〔5〕:16-18.[2]馬永財(cái)，張偉，李玉清，等。播種機(jī)單體兩種仿形機(jī)構(gòu)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018,33〔8〕:101-103.[3]阿依丁克扎突拉，吳明濤，何培祥，等。耕深自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020,