毕业设计（论文）-水稻育秧播种流水线控制系统设计（含图纸）.doc

全日制普通本科生毕业论文 水稻育秧播种流水线控制系统设计 control system design of rice seeding sowing pipeline图纸，联系 153893706学生姓名： 学 号：年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自化指导老师及职称： 学 部：理工学部提交日期：2012年5月 全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘要1 关键词1 1 前言2 1.1 课题研究的目的和意义2 1.2 国内外发展现状3 1.3 主要研究内容与方法5 2 水稻育秧播种流水线关键装置研究5 2.1 国内的流水线总体现状5 2.2 水稻秧盘育秧播种流水线的关键技术现状8 2.2.1 播种装置 8 2.2.2 秧盘育秧同步播种控制9 2.3 振动气吸式播种装置结构及工作原理9 2.3.1 2qb_330 型振动气吸式播种机已存在的问题及解决方案9 2.3.2 振动气吸式盘育秧播种流水线的总体方案12 2.4 本章小结 12 3 吸盘式水稻育秧播种流水线控制系统设计13 3.1 铺土装置13 3.1.1 铺土装置的构造13 3.1.2 自动控制系统14 3.2 播种装置16 3.2.1 播种装置的构造17 3.2.2 自动控制系统18 3.3 覆土装置22 3.4 洒水装置22 3.4.1 洒水装置的构成22 3.4.2 自动控制系统23 3.5 电源电路设计23 3.6 总硬件电路设计23 3.7 本章小结23 4 控制系统程序设计24 4.1 铺土装置24 4.2 播种装置24 4.2.1 播种的工作过程24 4.2.2 吸种盘移动及定位控制26 4.2.3 秧盘移动及定位控制26 4.3 洒水装置27 4.4 本章小结27 5 抗干扰措施28 5.1 硬件的抗干扰29 5.2 软件的抗干扰29 6 结论31 参考文献 32 致谢34 附录34 水稻育秧播种流水线控制系统)摘 要：本课题以研制的气吸振动式播种器为对象，研究自动播种控制技术及实现快速、高精度播种的控制方法，目的是实现穴盘精密播种器高精度和高效率的自动播种。分析气吸振动式精密播种器的工作原理基础上，制定了自动控制系统总体方案。运用单片机控制技术，以at89c51为核心，设计并研制微控制器、传感器检测电路、并从软、硬件两个方面采取相应的保护措施进行系统抗干扰设计，完成气吸振动式密播种器自动控制系统设计。播种器的工作质量及自动化水平高。通过对播种盘和穴盘输送自动控制以及气力排种元件的电流反馈控制，实现了播种器高精度、高效率自动播种。整个系统运行稳定、准确、可靠。 关键词：气吸振动；自动控制；单片机；育秧； control system design of rice seedling sowing pipeline abstract:this project targeted to research with suction vibrating scatter, study on control technology of automatic seeding and control method for fast, high-precision seeding, aimed at achieving tray precision seeding device of high precision and high efficiency automatic seeding. analysis of suction-vibration precision seeding device works on the basis of development of automatic control system of the programme. application of single-chip computer control technology, with at89c51 as the core, design and development of detection circuit for micro-controllers, sensors, and software and hardware from two aspects to take appropriate protection measures for anti-jamming design of the system, complete with suction vibrating type automatic control system design of dense sowing. sowing quality of work and the high level of automation. by sowing disc and plug transmission automatic control and current feedback control of pneumatic metering components, for seed high accuracy, high efficiency automatic seeding. entire system stable operation, precise and reliable.key words: vibration of suction; automatic control; single-chip computer; nursery 1 前言1.1 水稻生产情况及意义 水稻是世界上的重要粮食作物，在粮食安全中占有极其重要的地位。世界水稻种植区域主要集中在亚洲，其产量占世界水稻总产量的92，美国是北美的主水稻生产国，欧洲最大的水稻生产国是意大利。我国是世界上最大的水稻生产国，水稻常年种植面积约3000万公顷，占全国谷物种植面积的30左右，世界水稻种植面积的20左右；水稻也是我国最主要的粮食作物之一，稻谷总产量近2亿吨，占全国粮食总产的40，占世界稻谷总产的35，稻谷平均单产6.212吨公顷，我国有近60%的人以稻米为主食，每年直接消耗大米1.3亿1.4亿吨，同时水稻深加工产业也日益兴起，例如用米糠加工成的米糠油作为一种高档营养保健食用油，在美国市场上价格是橄榄油的3倍(米糠经深加工后总价值增加1940元/吨)，还可提取人体所需的多种维生素、工业用原料及饲料，进行多种产品精深加工，带来可观的经济效益，加工后的副产品附加值已引起各国家重视，所以水稻生产对推动国际国内的经济发展起着重要作用。可以看出，水稻是我国种植面积最大、单产最高、总产最多的粮食作物，水稻生产在我国粮食生产中占有极其重要的地位。加快发展水稻生产的机械化，减轻水稻生产的劳动强度，降低生产成本，增加产量和收益，是提高水稻综合生产能力，保障我国粮食安全的一项战略措施，对推动现代农业和社会主义新农村建设具有重要意义1。目前，美国、意大利、日本、韩国的水稻生产机械化水平均已达到97%以上，实现了水稻生产全程机械化。国内外的实践证明，水稻生产全程机械化具有如下显著优点： （1）效率高步进式和乘座式插秧机作业效率分别是人工栽插的11.5倍和30倍；机抛效率是人抛的25倍，是人力插秧的120倍；机直播人均生产率比手插高30倍；联合机械化收获作业效率是人工的4060倍。 (2) 省工节本 水稻机械直播比人工栽插可节省成本约750元/公顷；机械栽插比人工手插平均节约成本450元/公顷左右；机械收获较人工收获节省成本300元/公顷。 (3) 减少损失、增产增收 联合机械化收获总损失率低于5%，比人工收获减少损失8%左右；机插秧比人工栽插平均增产达5.3，提高单产375公斤/公顷以上；低温干燥可减少霉烂损失4%以上。 (4) 提高稻米品质水稻机械化能实现标准化作业，按照农艺技术要求精确控制各环节作业质量，为无公害米、绿色大米、有机米生产提供保障。因此，大力推进水稻生产机械化，是解决水稻生产劳动力短缺问题，抵御自然灾害的影响，增强水稻生产防灾减灾能力，保障水稻生产增产增收，稳定水稻生产，实现水稻生产节本增效，提高水稻生产的劳动生产率和水稻综合生产能力，保证粮食安全，增加农民收入的现实之需，迫切之举。发展水稻生产机械化，改善农民生产条件，提高农民生活质量促进农村劳动力向二、三产业转移，是加快农业现代化进程，促进城乡统筹协调发展，推动水稻主产区现代农业和社会主义新农村建设的必然要求。近年来，我国水稻生产机械化发展很快，到2007年水稻总体水平约为32.6%左右，总体趋势是南方比北方低，农村比农垦低，黑龙江垦区水稻综合机械化水平达84%。但与三大谷物比较偏低(小麦生产机械化水平已达81，玉米生产综合机械化水平为40%)，其中种植和烘干机械化水平明显偏低。根据全国水稻生产机械化十年发展规划(2006年2015年)的目标：水稻优势产区生产机械化水平达到70以上，基本解决种植与收获两个环节机械化问题，有条件的地方应率先实现水稻生产全程机械化，而且到2020年全国基本实现水稻生产全程机械化，为了实现这个目标，水稻种植机械化需要大力发展。1.2国内外发展现状及趋势1.2.1工厂化育秧技术国内外发展现状工厂化育秧技术始于20世纪60年代，从70年代开始有较大地发展。在欧美一些经济发达国家，对机械化育苗机械的研究起步较早，已经有了40多年的发展历程，工厂化育苗自动生产线己基本形成，并且研制出了很多功能全、自动化程度很高的育苗生产线和育苗系统，主要有育苗穴盘摆放机、送料机、基质装盘机、压穴及精量播种机、覆土和喷淋机等部分组成。如美国blackmore公司生产的播种系统可将单粒种子分别自动播到648个育苗钵中。speedingsystem公司发明蔬菜秧苗系统采用吸嘴式排种器可将种子单粒放到todd育苗钵(穴盘)。英国液体播种公司生产的fd6300v9kti型播种机是一种能播预发芽种子的播种机。美国威廉姆斯公司生产的williams st750型育苗生产线，这些育苗设备大多适用于蔬菜、花卉等育苗2。我国自20世纪70年代末期引进水稻工厂化育秧技术，1987年全国推广工厂化育秧31.33万公顷，工厂化育秧设备（主要是联合播种机）1.65万套。自90年代以来，水稻生产掀起了一场新的技术革命，推出了水稻旱育稀植和抛秧技术，具有省力、省种、高产、高效和操作简便等优点，已列入国家重大推广项目。据统计，2005年水稻种植面积约为4.38亿公顷，而采用抛秧技术移栽的面积从1990年的50万亩发展到2004年的1.5亿亩，15年间抛秧面积扩大了近300倍，约占全国水稻种植面积的三分之一以上3。水稻抛秧要求用穴盘育秧，秧苗质量的好坏直接影响水稻移栽及后期秧苗的生长过程。经过四十多年的不断发展，工厂化育秧技术突飞猛进，比较先进的育秧设备相继出现，如1997年，由农业部南京农业机械化研究所研制出2qb-330型气吸振动式秧盘精量播种机每小时可播种360500盘。2000年，由华南农业大学承担的“九五”国家科技攻关机械项目子专题，研制出了2bz-300型电磁振动式水稻育秧穴盘联合播种机，播种合格率大于90%，空穴率小于4%，生产率为500盘/小时。同年，中国农业大学研制出了2zbz-600型水稻穴（平）盘育秧设备，该设备播种的合格率大于90%，空穴率小于5%，生产率为600盘/小时4。另外，还有吉林大学研制的yb-2000型简塑秧盘自动精密播种生产线,采用了单片微机、步进电机、光电传感器、电磁离合器等控制和执行器件,具有自动化程度高、生产率高、节省种子、工作可靠等优点,是一套适合于工厂化秧苗生产的播种设备，对大豆、玉米现场试验可实现每一个苗穴中播入一粒种子，空穴率2.5%，重播率90%，空穴率2%5。1.2.2水稻秧盘育秧播种流水线的发展趋势为适应超级稻的种植技术要求，目前的水稻秧盘育秧播种流水线在播种精度、投种位置准确性、排土均匀性和检测等方面还需进一步研究。 （1）秧盘育秧同步播种控制目前还需应用机、电、气等技术，利用气缸限位等方法研究并配备简单实用的低成本秧盘育秧同步播种控制系统，以满足高速育秧精准播种的要求。另外采用振动或机器视觉等先进技术，用来识别种子的形态，并实现种子的精量提取和在秧盘上有规律的摆放，也将是今后高科技育秧播种器的研究热点。同时对于毯状秧盘在铺底土后，为了防止种子触土后的弹跳滚动，可以增加压沟工序，采用压沟和振动相结合，在沟底产生薄层细土，设计防滚屏障，更进一步保证投种位置的精确性。对满足抛秧作业的钵体秧盘在铺底土后，也有要求压实底土，由于软塑秧盘不同以往的硬塑盘，盘体较软，不易推动从动辊压穴，需要压穴辊主动转动压穴，因此为保证与输送秧盘同步，控制压穴定位精度也是今后使用软塑秧盘进行水稻育秧播种急需研究解决的关键问题之一6。 （2）铺/覆土装置 以往的铺/覆土装置都采用相同的形式，仅通过开口量的大小调节排出的土量，实际上应根据铺/覆土工序所需土量的多少和水分含量的高低等因素，选择不同形式的排土装置，会达到较理想的效果7。另外，铺/覆土装置的排土口开口的大小直接影响床土颗粒的大小，为了降低床土的加工经济成本，可通过加大传动比的方法，降低排土速度，增大排土口开度，可减少打滑和大粒土壤的堵塞，提高排土均匀性。 (3) 检测技术 目前针对播后水稻秧盘播种情况的检测技术研究还处于空白，该项技术可用于检测播种器性能和空穴情况，若能够实现播种量控制和补种过程，对提高水稻秧盘育秧的成秧率具有重要作用。1.3 主要研究内容与方法随着超级稻种植的推广，能适应其农艺要求的秧盘育秧播种技术及装备将是今后研究的主攻目标，因而从精量取种、准确播种、减少空穴等方面深入研究更加精密的播种器、更加简单实用的同步播种控制系统和秧盘检测等关键技术，尽快研制性能优良、工作可靠的新型精密育秧播种设备，进一步完善秧盘育秧播种体系，使水稻秧盘育秧播种机向着高速化、高精度、高自动化、低成本的方向发展，从而更好的满足超级稻秧盘育秧的精密播种需求8。论文研究的主要如下： (1) 将铺/覆土装置、播种装置、洒水装置所构成的水稻育秧播种流水线控制系统典型设计进行讨论并对其优点进行学习，比较各种装置的优点从而构造自己的流水线组成。 (2) 设计铺/覆土装置、播种装置、洒水装置的控制系统。对各个流水线的运动动作，使用光电开关 行程开关、继电器、光电传感器、单片机、步进电机等硬件设计自动控制电路。 (3) 对设计的自动控制系统进行总结，表述铺/覆土装置、播种装置、洒水装置的控制系统的过程控制，并作出相应的控制流程图。2 流水线的关键装置研究2.1 国内的流水线总体现状 20世纪80年代初国内主要采用机械式播种方式，研制单位有中国农业大学、黑龙江省农垦科学院工程所、嵊州市农机管理总站、黑龙江省二九一机械厂和灵川县农机技术推广站等多家，比如2zbz-600型水稻穴(平)盘育秧流水线(图1) 9，采用的播种部件为外槽轮式播种器；90年代起研制振动式原理的播种流水线，在播种质量上有了较大的提高；90年代后期，随着钵体苗移栽技术的发展，水稻钵体育秧技术有了较大的发展，中国农业大学、广西北海市农机化研究所、吉林大学、华南农业大学、江苏大学、山东理工大学、农业部南京农机化研究所、解放军军需大学、八一农垦大学等都开始进行钵体育秧技术研究，并以气吸式播种方式为主，可以实现精少量播种，如往复摆动式气吸精量播种装置，采用的是吸针式播种部件10；2qb-330型气吸振动式秧盘精量播种机，是国内播种部件采用吸盘式的代表(图2)；为解决气力式吸孔堵塞问题，1999年研制的2zbq-300型双层滚筒气吸式水稻播种机，如（图3）所示11。 1.皮带张紧螺栓 2.减速电机 3.排土箱 4.皮带 5.排种箱 6.链条张紧轮 7.覆土箱 8.机架 9.机架调平螺栓 图1 2zbz-600型外槽轮式水稻秧盘育秧流水线总体结构示意图fig1 2zbz-600 outside the tank wheeled rice seedling seedlings pipelined architecture diagram 1.铺底土装置 2.气力吸种盘 3.覆表土装置 4.种子盘振动台 5.机架 图2 2qb-330型吸盘振动式精量播种流水线总体结构示意图fig 2 2qb-330 vibration type precision seed line of suckers architecture diagram 1.秧盘 2.灌浆机构 3.搅浆机 4.刮浆 5.风机 6.滚筒播种器 7.种子箱 8.压种机构 9.链条输送机构 10.机架图4 2zbq-300型滚筒气吸式水稻精量播种流水线总体结构示意图fig4 2zbq-300-cylinder gas-suction precision seeding in rice line architecture diagram2.2 水稻秧盘育秧播种流水线的关键技术现状2.2.1播种装置 按播种装置的结构形式和工作原理分类，水稻育秧播种器主要有机械式、振动式、气力式等12。 (1）机械式播种装置 水稻秧盘育秧机械式播种器主要以槽轮式、窝眼轮式、型孔式或凸头式为核心工作部件，槽轮式属于条播，窝眼轮式或型孔式，凸头式属于撒播，从结构形式可以看出，机械式播种器具有机构简单，造价低，生产率高等特点，但为保证充分充种，种槽的结构尺寸相对都比较大，播种量可达27粒/穴(或取秧面积)，对播种量控制不算严格，而且伤种现象也比较严重，针对常规水稻的大排量育秧播种效果较为理想，也是国内外应用较广的一类播种器。 (2) 振动式播种装置 具有机械结构比较简单、不伤种、槽轮定量供种可保证播种量可调等特点，通过试验验证，影响排种速度的因素不仅有水稻种子千粒重及形状，还包括振幅、频率、振动方向角、排种盘倾角及弹簧钢度等，都会直接影响到排种盘里各v形槽中种子流的连续性和均匀性，有断流和落种窜穴现象，影响播种精度13；为了进步保证播种的精量程度，西南农业大学还研制出了光电控制穴盘精密播种装置，采用光电控制和电磁振动结合不仅实现所需粒数的精量播种，而且为定量供种且不伤种提供了新思路，精度得到了提高，但生产效率低。 (3) 气力式播种装置 目前用于水稻育秧的气力式播种装置主要采用气吸方式，气吸式播种器主要有吸针式、吸盘式和滚筒式。水稻吸针式播种器一般采用往复摆动式机构带动吸嘴，主要用于单粒播种，精度比较高，目前的工作频率提高范围不大，单排吸针生产效率仅能达到100盘/h左右，另外吸孔堵塞也是吸针式播种器不容忽视的问题，对于水稻种子，所需的吸嘴孔径一般在12 mm左右，又因为发芽后的水稻细小杂质较多，极易堵塞吸嘴，因吸针细长，目前除风力外，还没有强制通孔措施；不同形状种子所需吸针到种盘的拾起距离模型，压力继续升高时，拾起距离不再发生明显变化，为气源的选择和种盘的安装提供依据。水稻吸盘式播种器国内外研究的比较多，对吸盘式播种器的结构形式及其上的穴孔形状、大小、小孔数量和孔径的研究也多样14。像2qb-330型气吸振动式秧盘精量播种机属于单工位吸盘式播种器、意大利巴里大学的带吸嘴的吸盘式播种器等，从工作过程看，气力吸种盘工作行程长，往返运动及定位排种使速度不平稳，易使吸附不牢的种子中途掉下，造成空穴，而且由于长期吸种，吸孔容易出现堵塞，这些缺陷对吸种效果均有很大影响15。2.2.2 秧盘育秧同步播种控制 秧盘育秧播种不仅要求播种器能精量取种，而且还要使播种器投出的种子能准确地落入到秧盘对应穴坑中，通过这样的同步控制才能更好地保证钵体盘每穴或每盘对应单位面积有准确数量的种子，进而满足精密播种的育秧要求。采用大排量机械式播种装置的常规稻秧盘育秧设备，因播种器是将种子漫撒在秧盘上，落种随机性比较大，且窜穴，一般不要求穴坑与所播出的种子完全同步对中。对于杂交稻精少量育秧播种流水线，其位置控制方法一般依靠链条节距与穴距相匹配，实现秧盘穴坑与播出的种子一一对应，但由于受链条节距限制，采用的秧盘每排穴距尺寸并不是最理想的，尽管这种装置结构简单，但适应的秧盘尺寸单一。在投种位置控制方法上，还有采用步进电机与光电传感器、曲柄摇杆与电磁离合器、摆动马达与电磁换向阀相结合实现同步播种实现同步播种，但由于采用往复播种方式，工作效率偏低，控制结构较复杂，通常用于花卉、蔬菜等产出高的经济作物育秧16。2.3 振动气吸式播种装置结构及工作原理2.3.1 2qb_330型振动气吸式秧盘精量播种机已完成的研究、存在的问题及解决方案振动气吸式精量播种装置运用了振动和气吸相结合的新颖工作原理，具有结构简单、对种子形状适应性强、能播催芽种子以及不伤种等优点。振动气吸式精量播种装置主要由两部分组成，即种子盘振动台和气力吸种部件(如吸盘式排种器)。种子盘振动台主要作用是使种子沸腾(即使种子处于准流体状态)，有利于吸种的进行。气力吸种部件主要包括气力作用部件和吸种部件。气力作用部件主要是控制吸种和播种，吸种部件完成吸种排种17。振动气吸式精量播种装置按振动方式有机械式、电磁式、气动式、液力式等，按气吸方式有针吸式、吸盘式、吸嘴式等。赵立新、郑立允、王玉果等研究了吸针排种和气动振动相结合的振动气吸式水稻穴盘精量播种机及用于播种园艺花卉种子的bz一200型针式精量播种设备18；张广智、周晓峰研究了吸嘴式排种器和四杆机构机械振动式相结合的穴盘育苗精量播种装置；农业部南京农机化研究所和江苏大学共同研制的2qb-330型气吸振动式秧盘精量播种采用吸盘式排种器和偏心机械式振动台相结合的方式，每穴12粒种子的播种合格率为90以上，而且可与普通的软塑抛秧盘配套使用，可同时吸种561穴，是生产率较高的精密播种装置19。 2qb-330型气吸振动式秧盘精量联合播种机采用偏心机械式振动台，激振运动由曲柄连杆等机构来实现，这种激振机构存在着以下的问题： (1) 振动参数调节困难，适用范围受限。其振动幅度a与曲柄、连杆的长度尺寸r、l有关，振动频率f与曲柄转速60(或电动机转速)成正比，因此，当需要改变振动参数，尤其是振幅a时，只有改变曲柄、连杆尺寸才能实现。 (2) 结构复杂，体积较大，成本较高。由于种子盘振动的振动源为机械力，产生机械力的曲柄连杆机构尺寸较大，且需电机带动，使得整个振动机构体积较大，结构复杂，不便将其置于播种生产线下方，从而减小占地面积。 (3) 种子在种子盘上易偏集，影响吸种。由于种子盘振动由曲柄连杆机构实现，曲柄连杆转动时会产生水平方向的惯性力，而种子盘由四根振动弹簧支承，与振动机构铰接，在惯性力的作用下产生水平方向运动，由此与垂直方向的运动的形成比较复杂的合成运动，使盘内的种子偏聚于一侧，而不是均匀平铺于盘面，这样就会大大影响吸种的吸种效果，播种时育秧盘出现空穴。 (4) 曲柄连杆机构的制造、装配精度及重复使用精度等几种精度指标不易保证，铰接处存在间隙，使用一段时间后间隙增加，造成间隙运动死区，形成冲击波动运动，使精度进一步下降，影响设备的使用寿命。 (5) 振动盘采用四角安装弹簧，弹簧的尺寸及参数不能保证完全一致以及弹簧安装位置精度不能保证对称，都将使振动盘受力不均匀，种子将向一侧或一角积聚，并影响振动的效果及振动的稳定性。 (6) 对振动台台面进行静态受力分析可知：即使不考虑台面的重力影响，台面四角安装弹簧受到向上的弹簧力作用而台面中心受激振力作用时，台面一直处于扭弯应力状态，在振动过程中会激发台面的多阶模态响应，台面将产生复杂的弯扭组合变形，影响振动的效果，种子不能按照预期的目的产生吸种运动，这在文献研究中也已体现出来。鉴于以上分析，须采用新的振动方式对精密播种装置的振动部件加以改进设计。如采用气动振动式、电磁振动式、液力振动式等。课题最后确定采用电磁振动方式，主要是因为电磁振动方式具有以下几个特点：电磁振动方式调节参数为外加电压或电流的频率和幅值易于实现计算机控制，调节、操作方便、参数选择范围广；易于扩展精密播种机的应用范围，设计、制造结构简单，容易安装；振动支承弹簧采用橡胶弹簧，具有一定的粘滞阻尼特性，振动稳定性好；支承弹簧的结构及安装与电磁振动器的振子(含种子振动盘)的设计和安装同时考虑，结构对称性好，振动台台面受力均匀、对中性好；我们设计或选择的电磁振动器将与种子振动盘垂直安装，激振力直接作用于种子振动盘(种子振动盘作为激振器质量块的组成部分与振动器成为一个整体)，而与其他电磁振动器在精密播种机上的应用有一定的区别。其他电磁振动器在精密播种机上的应用主要是利用振动出矿的工作原理使种子呈粘液质流动状态，与振动盘面呈一定倾角安装。电磁振动控制系统常用的控制方式主要有硬件电路的直接控制，一般是根据需要进行设计计算选择相应的控制方式。课题拟采用单片机控制，主要是该播种机除振动台的控制外还有其它的控制要求，因此将各控制要求用计算机控制方式统一结合起来，减少控制设计难度，另外单片机控制具有一定的柔性，一般可以通过程序的修改而不去修改其硬件电路，就可以达到所需要修改的目的20。刘彩玲、陈进、李耀明、吴国瑞等对机械式振动台的工作频率、弹簧刚度、质量、偏心距等参数影响种子的运动和吸种效果进行了理论和试验研究，建立了单一吸种孔对种子的吸附运动模型21。本课题从实际情况出发认为，吸盘上的吸孔数多达561穴，只建立单一吸孔的吸种运动模型是不充分的，各孔间的流场是相互影响和作用的，同时各孔在吸盘上所处位置的不同也决定了它们对种子运动的影响也不相同，对有效吸附种子的要求也不相同。课题拟从空气动力学汇点及其镜像迭加原理出发，建立吸种场的压力分布及流速数学模型，以找到各孔都能有效吸附种子的临界条件；另一方面，气吸场和振动场对种子的吸附运动过程是共同影响和作用的22。在吸种气流场中引入振动场后对吸种场的压力、流速分布变化的情况进行分析，实现有效吸种时振动设计参数与吸种气流场结构参数之间的关系，为选择和确定振动设计参数提供更有力的理论依据及有效解释试验中出现的一些现象发生的原因。2.3.2 振动气吸式盘育秧播种流水线的总体方案振动气吸式盘育秧播种流水线可分为前输送、播种和覆表土 3 个作业段，如图所示。其中前输送段由自动放盘机构、铺土机构、洒水机构构成，播种段由精密播种器、种子振动台、秧盘变速输送装置构成，覆表土段由覆土机构、秧盘输送装置构成。 作业时，在前输送段由电机驱动凸轮机构实现间歇放盘，在匀速转动的橡胶输送滚轮带动下首尾相接匀速通过铺土机构和洒水机构，铺土机构在秧盘中铺入一定厚度的育秧底土并由电机带动的毛刷刷平表面后，再由洒水机构在底土上均匀地喷淋水。完成铺底土和淋水后的秧盘被输送至播种段，当秧盘经过触发光电开关时，单片机得到光电开关触发信号后控制步进电机加速，秧盘以高速运动，当即将到达播种位置时提前减速，以防急停造成冲击，破坏了底土在样盘中原来的平整状态，确保秧盘缓慢准确停到待播种工位等待播种作业；与此同时，单片机控制吸种盘到达振动台种盒吸种后并回到播种位完成播种作业。播种后的秧盘被输送到覆表土段，覆表土机构在秧盘表面覆盖一定厚度的表土并由毛刷刷去多余土，然后秧盘被输送至下线工位，并由人工移走。总体结构如下图。1. 自动放盘机构 2.铺土机构 3.洒水机构 4.精量播种器 5.种子振动台 6.覆土机构 图5 振动气吸式盘育秧播种流水线总体结构图 fig5 overall structure vibration of air suction seedlings planting lines2.4 本章小结 本章对国内流水线进行初步的分析和总结，了解各种流水线中各个装置的发展情况，并对各种装置的发展趋势进行分析。选用气吸振动式播种流水线进行研究，初步确定流水线的组成，提出系统自动运动的简要过程，拿出振动气吸式盘育秧播种流水线的总体方案。3 流水线控制系统设计3.1 铺土装置3.1.1铺土装置的构造 按照排土结构的不同，有平带式、槽轮式、波纹滚筒式、刮板式，另外还有泥浆铺土装置。平带式排土结构中皮带与土壤容易打滑，槽轮式容易堵塞和将土壤架空，波纹滚筒式由于波纹槽太密太窄容易堵塞，刮板式排土结构对土壤的适应能力比较好，但是由于刮板窄而长，在长时间工作后，刮板会变的扭曲，会对排土带了影响，另外，该结构在低转速的时候不能连续排土，有明显的间歇排土的现象。由于生产环境的限制，不宜采用泥浆播土。现有的播土装置结构进行分析，在整体结构上都包括土箱、排土结构、闸门、导流板。而他们之间相互区别的地方就是排土结构，结构的不同，导致了不同的工作性能。论文的铺土装置试验台包括机架、链轮、侧板、承土箱、排土滚筒结构、开口度调节板、轴、导流板、挡土板。图给出了铺土装置的总体结构方案示意图。 1.机架 2.链轮 3.侧板 4.承土箱 5.开口调节板 6.轴 7.排土滚筒结构 8.导流板 9.挡土板 图6 铺土装置总体方案 fig6 soil paving unit projectv形推土片滚筒式排土结构，该结构包括v形推土片、滚筒、轴、法兰盘、端面。法兰盘通过平键与滚筒轴配合，端面与滚筒是焊接在一起的，端面与法兰盘用螺栓固定在一起。装置将一个苗穴里添加苗穴 2 /3高度的营养土。下图所示为排土滚筒的结构示意图。 1.轴 2.法兰盘 3.端面 4.滚筒 5.螺栓 图7 v形推土片滚筒式排土结构fig 7 v-bulldozing drum dump structure3.1.2 自动控制系统由于铺土装置中对电机的速度控制要求不是很高，综合市场价格和机器运动的可行性论文中选用额定电压为12v的90zyt001的直流电机，其额定转速为4900。使用固态继电器hhg1-1/032f-38控制直流电机的停转，使用一个二极管保护电路，防止断电后，继电器残余电流影响电路。 下图为覆土装置控制线路 图 8 覆土控制线路fig 8 earth control circuit值得注意的是对于穴盘育秧，育秧盘上有穴坑数z=416个，穴坑上径=20mm，下径=10mm，穴坑高=18mm，秧盘长s=600mm。根据穴盘育秧要求，每个穴坑中床土体积占穴坑总体积的1/22/3。根据工艺要求，设每次排土所需土壤体积与穴坑总体积之比为，则01。播床土时，1/22/3；覆表土时，1/31/2。设穴坑中床土高度为，则有下列关系17： (1) (2) (3) 因此，的取值为设育秧生产率为p（盘/小时），秧盘的长度为s（mm），则播完一盘床土所用的时间t（s）和秧盘输送带速度v（mm/s）分别如下： (4)而在时间t内，滚筒的排土量应该与秧盘中的土量相等，则： (5)通过计算得排土滚筒转速为： , (6) 播床土和覆表土所需土壤体积不一样，因此，根据农艺要求，播床土时，1/22/3；覆表土时，1/31/2。对于平盘育秧，根据育秧要求，平盘中床土厚度为20mm25mm之间，平盘尺寸为长宽=600300mm秧盘厚度为5mm。设床土厚度为h3，生产率为p（盘/小时），则每个秧盘中床土量为 (7)因为在时间t内排土滚筒排出的土量与秧盘所需土量应相等，即： (8)解得滚筒转速为： , (9)3.2 播种装置振动气吸式精量播种装置主要由两部分组成，即种子盘振动台和气力吸种部件(如吸盘式排种器)。种子盘振动台主要作用是使种子“沸腾(即使种子处于准流体态)，有利于吸种的进行。气力吸种部件主要包括气力作用部件和吸种部件。气力作用部件主要是控制吸种和播种，吸种部件完成吸种排种。3.2.1 振动台的设计电磁振动台由振动支架(基础件)、种子盘3、振动弹簧4和电磁激振器5组成。电磁激振机构是利用电磁铁产生的断续吸力及振动弹簧的弹性回复，使种子盘做上下垂直振动，而电磁力的大小与外加电压成线性关系，并可通过调节电压高低改变振动幅度和频率，具有调节方便、结构简单、体积小的特点。该电磁式振动台的种子盘直接作为振动台台面(或称为振动块、振子)，垂直安装，直接激励种子的振动，其他电磁振动式播种机或排种器所用的电磁振动器主要是使种子产生如粘性液体流动的形式进行排种24。 1.吸种部分 2.种子 3.种子盘 4.振动弹簧 5.电磁振动图9 电磁式振动台原理图 fig9 schematic diagram of electromagnetic vibration 电磁振动台的设计参数主要有振动功率、频率和幅值。直接设计一台电磁激振器，需要设计计算电磁铁的各种参数及电磁线圈的安匝数等，计算步骤和参数选择繁杂，也不是课题研究设计的重点，因此只要符合要求，可以直接选择适合的电磁激振器。激振器对吸种的影响因素主要是激振器的频率和振动幅值两个参数，并已经进行了相应的实验确定了参数的选择范围，每盘种子量以2kg为最佳，振幅取为15一5mm，频率0-100hz，振动台面(含种子盘)重量为21kg。为保证能够完全达到使用和扩展要求，适当放宽参数的可选范围，经计算选用cz-lf0a型仓壁式电磁振动器。在该振动器振子(可动衔铁3)上钻4个螺钉孔，将种子振动盘与之连接形成新的振子结构形式，振动器的底座固定在振动支架上；振动支承弹簧4为橡胶弹簧。该振动器的安装中心与种子盘的中心重合，能有效防止种子盘被激励后产生变形和倾斜，避免机械式振动器在种子盘四角安装振动复位弹簧导致种子向种子振动盘中心积聚或偏心的现象。单位时间内播种量是育秧穴盘精量播种机研究和设计的主要指标，是振动台激振功率选择的主要依据。播种量与穴播粒数、每盘播种穴数、单位时间生产率及种子千粒重等因素有关。根据生产的农艺技术要求，蔬菜花卉等穴播粒数一般要求控制在12粒，水稻等25粒；空穴率小于4；另外，由于不同种子品种的形状、尺寸和千粒质量均有较大的差异，播种机要求的播种粒数和播种量变化范围很大，设计播种机时应充分考虑这一问题，即在考虑满足播种精度要求的同时，还要考虑到播种量变化的要求。播种量可按下式计算25： (10) 式中播种量，kgh； 每盘播种粒数； 稻种的千粒质量，； 为 平均穴播粒数； 为育秧盘穴孔数； 为每小时生产率，盘数。3.2.1 播种装置的构造播种装置主要包括滚轮、挡块、右侧行程开关、吸种盘、上侧行程开关、下侧行程开关、步进电机、左侧行程开关、光电开关等。其结构如下图选用常用的at89c51单片机26 ；选用 75byg4501 型以及 75byg4502型步进电机，其相数均为 2 相75byg4501 的保持转矩为 1.8 nm，75byg4502 的保持转矩为 3 nm；选用smd2n2 型步进电机驱动器；选用 sa-3702 型牵引电磁铁，额定吸力为 50 n，额定行程为 20 mm，以及 sa-2402型，额定吸力为 10 n，额定行程为 15 mm；继电器 1 选用 my2nj 型，固态继电器 2、3 均选用hhg1-1/032f-38 型。 1.滚轮 2.挡块 3.右侧行程开关 4.吸种盘 5.上侧行程开关 6. 下侧行程开关 7.步进电机 8. 左侧行程开关 9.光电开关 图10 播种装置结构图 fig10 sowing equipment chart3.2.2 自动控制系统单片机定时控制功能是用片内时钟电路和定时电路来完成的，而片内时钟产生有两种方式:内部时钟和外部时钟方式。本课题采用内部时钟方式，如图11所示，片内高增益反相放大器通过xtali和xtalz外接作为反馈元件的晶体(呈感性)与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。sst89e516rdz工作的时钟频率为0一40mhz。这里选择11.0592mhz的石英晶振与30pf的电容构成并联谐振电路。图11 时钟电路图fig11 the clock circuit diagram通过某种方式，使单片机内各寄存器值变为初始状态的操作称为复位。为使单片机正常工作，必须保证良好复位。复位分为上电复位和外部复位两种方式。上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位，外部复位可由外部脉冲复位或者手动复位。这里选用上电复位方式，复位电路如图3.7所示。图12 复位电路图fig12 reset circuit diagram系统上电瞬间，由于电容c5两端电压不能突变，所以电容正极电压为低，经过74ls14反相施密特触发器反相后，单片机reset脚保持高电平。随着电容正极电压的逐渐上升，reset脚的电压逐渐下降。只要合理选择r;的值使reset脚上高电平的保持时间超过两个机器周期，就可以使单片机可靠复位，电容c1、c2起滤波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作27。 进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的特点是能将电脉冲转化为角位移，没有积累误差(理论上精度为100%)，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有电子装置来驱动，这种装置就是步进电机驱动器，有脉冲分配电路和功率放大器组成，作用是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。 目前主要有三种类型:反应式步进电机(vr)定子上有绕组、转子由软磁材料组成，结构简单，成本低、步矩角小、但动态性能差、效率低、发热大、可靠性难保证;永磁式步进电机(pm)转子是用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同，动态性能好，输出力矩大，但电机的精度差，步矩角大(7.5角度);混合式步进电机(hb)综合了反应式、永磁式的优点、其定子上有多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度，输出力矩大、动态性能好、步矩角小、但结构复杂、成本相对稍高。由于播种器对滚筒转动要求稳定性比较高、且保证较高的运转精度，所以滚筒步进电机选用 57bygh，传送带步进电机选用86bygb，由常州泽明自动化设备有限公司生产。并分别选用同一生产厂家生产的wzh一2h057m、wzh一2h090mh细分驱动器进行驱动其主要特点如下28: （1）相最大驱动器电流为3.0安培，且电流八档可调。 （2）细分数可选(1/2，1/5，1/10，1/20，1/40)。 （3）所有输入信号都经过光电隔离。 （4）供电电源:直流(240v)。 （5）驱动电流:根据不同电机，调节驱动器使输出电流与电机相匹配，如果电机能够拖动负载可以调节小于电机额定电流，但不能调节大于电机额定电流。 （6）驱动方法:恒流斩波。 单片机对步进电机进行控制，有串行控制和并行控制两种方式，本设计采用串行控制。采用串行控制时，单片机与步进电机驱动器接口之间一般有三条控制线，即有三路信号送至驱动器输入端22: （1）步进脉冲信号cp:这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，cp的频率与步进电机的转速成正比，cp的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度，控制系统通过脉冲信号cp就可以达到电机调速和定位目的。 （2）方向电平信号dir:此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平是，环形分配器按正方向进行脉冲分配，电机正向旋转;此信号为低电平时，环形分配器按反方向进行脉冲分配，电机反方向旋转。 （3）脱机信号free:此信号为选用信号，并不是一定要用的，只在一些特殊情况下使用。此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态;此端为高电平或悬空时，此功能无效。 自动控制系统由系统硬件和软件两部分组成。系统硬件主要由at89c51单片机、步进电机、光电开关、行程开关、继电器以及牵引电磁铁组成，其硬件组成如图 3 所示。控制系统以单片机为主机，输入信号 9 个，输出信号 8 个。输入信号部分由光电开关、旋钮和微动开关组成，完成秧盘、吸种盘、电磁铁、气阀等位置、状态的检测以及控制。输出信号控制继电器电磁铁气阀，气阀控制吸种盘吸种、投种动作。整个控制电路接线简单，且输入和输出控制端均由发光二极管指示其当前的工作状态，便于设备的检修与维护。各输入、输出信号所代表的实际含义见表。表1 i/o分配表table 1 i/o distribution table 输入信号 实际含义 输出信号 实际含义 p32 秧盘进入信号 p01 发出脉冲信号控制吸种盘速度p10 秧盘到达待播位信号 p03 发出脉冲信号控制秧盘速度p11 吸种盘到达右侧指定位信号 p02 发出秧盘左右移动方向控制信号p12 吸种盘到达下侧指定位信号 p04 发出秧盘上下移动方向控制信号p13 吸种盘到达上侧指定位信号 p06 发出秧盘前进控制信号p14 吸种盘到达播种位信号 p00 切换吸种盘的横向和纵向移动p15 启动单片机自动控制程序 p06 控制挡块的工作p16 启动单片机手动上升复位程序 p20 控制气阀的关闭p17 启动手单片机动左移复位程序 图13 播种自动控制硬件示意图 fig13 sowing control hardware diagram3.3 覆土装置 覆土装置机架、链轮、侧板、承土箱、排土滚筒结构、开口度调节板、轴、导流板、挡土板、光电传感器该装置完成敷土工序,即把每个苗穴的种子用营养土覆盖,将苗穴填满 (未满的 1/ 3)。 它的设计理念与铺土一样利用三极管将单片机的信号表达出来，从而控制电磁继电器来控制直流电机的停转。3.4 洒水装置3.4.1 洒水装置的构成 洒水装置由洒水导管、水管、洒水喷头、控制阀、光电传感器、步进电机等组成。该装置完成洒水工序，此工序在很多不同设计中要去都不严格，主要从经济实用性和工人的一定生产经验适当控制用水量。有些设计都不采用，如2bdy-500型水稻育秧播种机。洒水过程在育苗温室内，由自动洒水系统来完成。洒水装置的总体结构方案示意图如下。 1.导水接口 2.控制阀 3.水箱 4.导水管 5.洒水口图14 洒水装置fig14 watering device 洒水装置相对精度要求不是很高，但是种子的发芽湿度却非常重要。利用控制阀调节水量来控制好土壤湿度。3.4.2 自动控制系统洒水装置的控制系统与铺土装置相似。不过在实验中了解洒水对于种子的发芽率影响不是很大，所以一般直接接水龙头进行送水。3.5 电源电路设计电源是整个控制系统基础，是至关重要的一部分，电源电路设计是否合理将决定着系统的稳定、可靠、准确。电源设计的原则为29: （1）线宽输入:适合比较宽的电源电压范围，以适应生产现场的应用，因此采用开关电源; （2）为了减少交流电源的噪声干扰，在交流输入端加双端lc滤波; （3）为了减少开关电源噪声对系统的影响，在直流电源进入系统端均增加二型lc滤波电路; （4）为了防止现场开关信号对系统的影响，开关信号量均采用光电隔离电路，对其单独供电; （5）模拟电源与数字电源分离，采用星型接法单点共地，在每种地中采用串联接法。 图15 供电电源模块结构图 fig15 power supply module structure diagram电源系统采用两路电源供电，a路:dc24v及dc12v、3a，主要为两台步进电机供电和传感器供电;b路为系统其它部分提供电源，包括单片机电源电压等。 电源采用自行设计的电源，电路原理图如图所示，输出电为士5v、输出电流1.5a的稳压电源。它有电源变压器，两路桥式整流电路dd4、ds一ds，滤波电容ci、c3、c5、c7，防止自激电容cz、c4、c6、和两只固定