液压控制变量播种系统设计及试验研究

2013 届本科毕业设计（论文）全 日 制 普 通 本 科 生 毕 业 论 文液压控制变量播种系统设计及试验研究DESIGN OF HYDRAULIC VARIABLES CONTROL SYSTEM AND TEST OF SEEDING学生姓名： 学 号： 年级专业及班级： 指导老师及职称： 提交日期：20* 年 5 月2013 届本科毕业设计（论文）目 录摘 要 1关键词 11 前言 21.1 绪论21.2 我国播种机发展现状31.3 国内外研究及应用概况41.4 研究的意义42 排种器的选择 42.1 排种器的技术要求42.2 排种器结构设定52.3 排种器工作原理62.4 排种器工作特点62.5 排种器相关参数分析 62.5.1 排种轮角速度和角转速的确定62.5.2 计算每米播种的籽粒数72.5.3 排种轮上窝眼数的确定73 播种机排种过程的影响与分析 73.1 影响播种量的主要因素 73.1.1 机具前进速度的影响73.1.2 排种器类型的影响83.1.3 排种器转速与排种实验 94 液压系统的设计及其整体方案确定104.1 液压系统设计要求104.2 液压控制变量播种液压系统设计的主要内容104.3 液压系统组成104.4 确定液压系统的压力和流量124.5 各主要液压器件选择及其工作原理122013 届本科毕业设计（论文）4.5.1 变量柱塞泵124.5.2 液压马达134.5.3 电磁换向阀144.5.4 溢流阀145 控制系统的设计 145.1 控制对象及要求145.2 控制装置的硬件设计155.2.1 单片机最小应用系统155.2.2 传感器系统电路的设计165.2.3 播种量信号的输入175.2.4 控制脉冲的输出195.2.5 直流稳压电源195.3 软件编写与调试205.3.1 单片机调频原理及实现步骤205.3.2 查表方式及表格数据的确定205.3.3 控制系统流程215.4 系统硬件抗干扰措施 235.4.1 供电装置235.4.2 接地线设计235.4.3 去耦电容配置235.4.4 光电耦合器245.5 系统软件抗干扰设计 245.5.1 指令冗余措施245.5.2 软件陷阱的设计246 试验及分析256.1 试验设备 256.2 试验材料276.3 试验系统工作方法原理276.4 排种器排种性能试验 272013 届本科毕业设计（论文）6.4.1 排种器排种均匀性分析276.4.2 排种器各行排量一致性分析316.4.3 排种器转速与播量的关系326.4.4 不同转速下播量的误差分析336.4.5 液压马达转速验证346.4.6 试验结论357 总结367.1 课题设计的优缺点 367.2 课题结论与讨论 36参考文献 37致谢 382013 届本科毕业设计（论文）液压控制变量播种系统设计及试验研究摘 要：精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入。播种机工作性能的优劣将直接影响到播种作业生产率及谷物出苗的质量。对播种机来说，排种器是它的核心部件，它对播种的质量起决定性作用。所以本文在对目前国内外播种机排种控制系统进行大量比较分析的基础上，研究设计了一种播种机排种自动控制装置并且能够实现变量播种的装置。本系统采用液压马达控制驱动排种器，可以通过调节阀块来实现不同状况下要求的播种量，液压马达和排种器转速与播种机作业速度一致。关键词：精准农业； 排种器； 液压系统； 变量播种Design of HydraulicVariables Control System and Test of SeedingAbstract:Precision agriculture is the worlds new trend of agricultural development, information technology support is the basis for spatial variability, location, timing, implementation of a set of quantitative operation of modern agricultural technology and management system, its basic meaning is based on crop growth, soil properties, regulation of crop inputs. Planter performance will directly affect the merits of planting corn seedling productivity and job quality. On the planter, the metering device is its core component, it played a decisive role in the quality of planting. So this drill at home and abroad in the control system for a large number of seed on the basis of comparative analysis to study the design of a seed planter and automatic control device to achieve variable seeding device. The motor control drive system uses hydraulic metering device can be achieved through the control valve blocks the requirements of different seeding rate conditions, the hydraulic motor and speed metering device consistent with the seeder operating speed.Key words:precision agriculture；metering；hydraulic system；variable seeding2013 届本科毕业设计（论文）1 前言1.1 绪论中国是一个农业大国，农业是国民经济的基础。传统农业的发展日益成熟，一味依赖高能源投入提高单产的潜力越来越小。同时，精准农业作为可持续农业的有效发展模式，有利于提高农产品产量和品质，高效利用资源，保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源，代表着现代农业的发展方向。播种机械化是农业机械化过程中最为复杂也最为艰巨的工作。播种机械面对的播种方式、作物种类、品种变化繁多，这就需要播种机械有较强的适应性和满足不同植物要求的工作性能。必须在较短的播种农时内，根据农业技术要求，将种子播到田地里去，使作物获得良好的发育生长条件。播种质量的好坏，将直接影响到作物的出苗、苗全和苗壮，因而对产量的影响很大。由于精密播种可以保证种子在田间最合理分布，播种量精确，株距均匀，播深一致，为种子的生长发育创造最佳条件，可以大量节省种子，减少田间间苗用工，保证作物稳产高产。因此，现代农业对精密播种机械的要求越来越迫切。据统计，精密播种能比传统条播增产1030然而目前采用的机械式排种装置有时难以保证精密播种的作业质量。传统播种机使用地轮驱动排种器，地轮阻力大，容易打滑。保护性耕作收获后不翻耕，土壤表面至少有30的残茬覆盖，秸秆和杂草使地轮的附着力减弱，地轮打滑更加严重，播种均匀性无法得到保证。另外，生产中精密播种机播种量的调节也比较困难，传统的方法是经人工计算后，手动调换不同的链轮或排种器，费时费力，而且此种调节是有级的，很难达到精密播种要求。针对上述问题，本文研究了一种用于精密播种机的液压控制排种装置。本文所研究的系统采用液压马达驱动排种器。为使液压马达及排种器转速与播种机作业速度一致，系统采用智能控制器(单片机)测量播种机作业速度，并根据测得的速度动态调节油泵的排量实现液压马达与作业行走速度协调。由于地轮不再作为驱动排种轴的动力，所受阻力较小，能准确反映播种机的真实作业速度，故用速度传感器测量地轮的转速，从而得出播种机的作业速度。1.2 我国播种机发展现状我国的播种机市场以传统的谷物条播机为主，与小型拖拉机配套的播种机及畜力播种机目前仍占主导地位。最近几年，我国的联合作业播种机市场发展2013 届本科毕业设计（论文）也较快，其播种机机具主要有播种-施肥联合作业机、耕作-播种联合作业机、松土-施肥-覆膜-穴播联合作业机和施水-播种联合作业机等，目前又发展了铺膜播种联合作业机。我国从80年代末便开始研制精密播种机械。其中较早的代表机型主要有2BY-24压轮式谷物播种机，2BQ-6气吸式精密播种机等。由于种子质量、整地条件、机械制造水平及机器价格等因素制约，我国80年代主要是推广半精量播种。为适应农村生产责任制的要求，大量推广了小型单体播种机。90年代以来，我国逐步推广精密播种机。精密播种机以作物种类分为玉米及大豆精密播种机、谷物（小麦）精密播种机、甜菜精密播种机；以配套动力分为小型、中型和大型播种精密播种机；以排种器形式分为机械式和气力式两大类精密播种机；机械式中又可分为垂直圆盘式、垂直窝眼式、锥盘式、纹盘式、水平圆盘式、带夹式等形式的精密播种机。播种机的类型很多，可以分为撒播机、条播机、点播机等等，无论是哪种播种机，它们的共同点都有一个主要构成部分排种部件或排种装置。所不同的，只是这个构成部分(排种装置)的简易复杂程度悬殊而已。对这个构成部分，在现代播种机上统称为“排种器”。排种器是播种机的核心部件，是决定播种机特性和工作性能的主要因素。对播种机来说，其播种方式和播种的质量主要取决于排种器，排种器是播种机的核心部件。多年来，国内外对播种机的研究改进，其核心问题也是放在对排种器的设计研究上。排种器的种类很多，但按农业技术的播种方式可以把各类排种器归为三大类，即撒播排种器、条播排种器和点(穴)播排种器。1.3 国内外研究及应用概况精确农业在国外发展很快，技术体系逐渐完善，已经成为主要发达国家农业发展的前沿性研究领域，变量播种技术则是其中重要一环。目前变量播种执行机构的种类主要分为：电控机械无级变速器型、电控液压马达型、电机直接驱动型等三种类型。国外对精密播种机控制系统的研究和应用比较早，具有代表性的有美国cyclo-500型播种机上的电子控制系统和法国NODET气吸式播种机上的控制系统。在我国，湖南农业大学施祖强等研究了排种器的转速与排量的关系，得到了排种量与转速存在一定的变化趋势。刘忠军等对斜槽轮式排种器工作长度对排量的影响进行试验，得出通过调节斜槽轮长度调节播量不如调节排种器转速来调节播量的均匀性好。袁文胜等提出了通过改变播种机前进速度2013 届本科毕业设计（论文）与排种器转速的传动比的方式来控制播种量的思路。1.4 研究的意义我国当前面临农业资源匮乏、农田环境污染严重的问题，另外加入WTO农业市场竞争激烈，因此在我国实施精准农业示范和研究工作具有重要的战略意义，将大力促进农业的可持续发展，而精量播种技术的研究是其重要组成部分之一。它能调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。2 排种器的选择排种器是种子群体与植株个体之间的转换环节，其前端是混沌的不定量集合散粒体，不具有个体属性和农艺栽培所必须的播种属性，不能赖以出苗成长或收获。只有当定量分离的种子被先后有序的定植于土壤中特定的坐标位置以后，种子才最终获得了播种属性。因此，排种器是播种机的核心和关键部件。2.1 排种器的技术要求 排种器的技术要求大体上有以下几个方面：1. 排种器排种均匀稳定，排种均匀性不受外界条件变化而产生严重影响。一台播种机的排种量应保持一致。2. 不损伤种子。3. 播种调节范围要大。4. 通用性好。5. 工作可靠，不易堵塞。2.2 排种器结构设定排种器是播种机的核心部件，排种器的充、排种机理不合适直接影响播种质量。因此排种器的结构和充排种机理的研究始终是研究精密播种机的主导因素。目前国内外理论上研究的排种器均达到了较高的水平，从机械式、气力式到电磁振动式等都有较为成功的机型。但这三类排种器又各有其优缺点。机械式由于结构简单，制造容易，排种精度较高而得到较为广泛的应用。但对种子尺寸要求较为严格，伤种率高，不适应于高速作业；气力式对种子尺寸要求没有机械式严格，适应于较高速度播种，种子损伤率低，但结构复杂，造价高，气密性要求高，噪音大，实际应用于田间作业的机型不多，大多应用于室内工厂化育秧；电磁振动式具有排量稳定，尺寸要求不严格，种子损伤率低，特别适合流动性差的种子，但排种均匀性差，造价高，工作环境的影响较大，不适2013 届本科毕业设计（论文）宜于田间作业，大多也应用于室内工厂化育秧。市场上现有的一些机械式排种器如外槽轮排种器、组合内窝孔精密排种器、倾斜圆盘勺式排种器、多功能精密播种机排种器等均按“一器一行”设计，即一个排种器只能完成一行作物地播种，对于组装到播种机上作业时实现 6 行或更多行的播种时，机组的宽度尺寸很大，每行排种器的播种量调节装置不能同步调整，每行播种量不一致，播种量的调整不方便。另外，有的排种器无泄种装置，某个品种的种子播种完毕或每个工作日播种完毕，料斗中剩余的种子无法泄出，从而发生混种或浪费。由于油菜籽粒形状规则，为近似球形，且流动性较好，综合各种因素，决定采用偏心轮型孔式排种器，结构如图 1 所示。偏心型孔轮式排种器。主要由主轴、型孔轮、左侧面板、平键、小齿轮、卡环、护种环、中间壳体、联接螺钉螺母、右侧面板、压板、压板螺钉、毛刷、播种量调节插板、泄种板等组成。该排种器可完成三行油菜种子的播种工作，大大缩小了播种机组的宽度尺寸。为了方便某个品种的种子播种完毕或每个工作日播种完毕将多余的种子泄出，设置了一个泄种板，就可快速清除排种器内的残余种子。为了实现传动的可靠性和播种的均匀性，设计了一对内啮合的直齿圆柱齿轮带动型孔轮转动实现充种和清种。2013 届本科毕业设计（论文）图 1 排 种 器 剖 视 图Fig.1 Metering cutaway view2.3 排 种 器 工 作 原 理工 作 时 ， 排 种 轴 的 动 力 经 过 小 齿 轮 传 动 使 内 齿 型 孔 轮 转 动 。 卸 种 插 板 以 上 空间 内 的 油 菜 种 子 在 自 身 重 力 、 离 心 力 和 种 子 间 压 力 的 综 合 作 用 下 ， 进 入 到 内 齿 型孔 轮 上 的 型 孔 并 随 内 齿 型 孔 轮 一 起 沿 图 中 所 示 方 向 逆 时 针 转 动 ， 部 分 种 子 在 摩 擦力 、 重 力 和 离 心 力 等 合 力 的 作 用 下 滚 落 ， 还 有 部 分 种 子 被 清 种 毛 刷 刷 下 ， 只 留 下型 孔 中 定 量 的 数 粒 种 子 经 过 护 种 区 运 动 到 护 种 环 的 条 形 开 槽 处 靠 自 身 重 力 下 落 ，完 成 该 排 种 器 的 一 个 排 种 周 期 。2.4 排 种 器 工 作 特 点（ 1） 结 构 更 加 简 单 紧 凑 。（ 2） 增 加 了 卸 种 板 ， 使 卸 种 操 作 更 为 简 单 直 接 。（ 3） 动 力 传 递 中 采 用 一 对 内 啮 合 的 齿 轮 传 动 ， 进 一 步 提 高 了 效 率 和 传 动 可 靠性 ， 延 迟 了 使 用 寿 命 。2.5 排 种 器 相 关 参 数 分 析对 于 此 排 种 器 ， 采 用 圆 柱 形 通 孔 的 窝 眼 ， 型 孔 的 充 种 性 能 较 好 ， 且 种 子 破 损率 较 低 。 根 据 油 菜 栽 培 的 农 艺 农 作 要 求 ， 条 播 油 菜 在 株 距 一 致 时 的 产 量 最 高 ， 要求 油 菜 籽 单 粒 点 播 ， 但 油 菜 籽 较 小 ， 单 粒 排 种 难 以 实 现 ， 在 此 将 设 计 每 个 窝 眼 可充 两 粒 种 子 ， 设 定 排 种 轮 直 径 为 100mm。2.5.1排 种 轮 角 速 度 和 角 转 速 的 确 定根 据 地 方 标 注 规 定 的 双 低 油 菜 播 种 的 农 艺 要 求 ， 行 距 为 300-500mm， 播 深 10-2013 届本科毕业设计（论文）20mm， 播 种 量 为 3.0-4.50kg/hm2。 根 据 机 械 工 程 手 册 的 数 据 ， 点 播 时 窝 眼 轮 的 线 速度 不 宜 超 过 0.2m/s。 取 播 种 行 距 300mm， 播 种 量 为 3.75kg/hm2， 排 种 轮 线 速 度 按0.2m/s来 计 算 。 排 种 轮 角 速 度 =v/r=0.2/0.05=4rad/s。 排 种 轮 角 转 速 n=w/2 =0.64r/s。2.5.2计 算 每 米 播 种 的 籽 粒 数播 种 量 为 3.75kg/hm2， 行 距 300mm， 根 据 油 菜 种 子 1000 粒 质 量 3.2g 有 如 下的 平 衡 方 程 式 ： （1）x1./106式中 为单行 1m 距离上播种的油菜籽粒数 ， =35x x2.5.3 排种轮上窝眼数的确定设计此排种轮与地轮的传动比为 0.64，则排种轮一个圆周上的窝眼数为N=35/0.64*2=27,为了方便加工，取同一圆周上窝眼的数目为 24 个。3 播种机排种过程的影响与分析31影响播种量的主要因素3.1.1机具前进速度的影响传统的播种机是利用地轮通过传动机构驱动排种器，拖拉机的前进速度改变排种器的主轴转速，达到播量与机具速度同步的目的。播种量与机具前进速度基本上成线性关系。当机具速度发生变化时，排种器的转速也随着线性变化，单位面积的播种量并没有明显的变化。然而精确农业的作业要求是根据不同地块的具体情况，机具不同的前进速度，实时改变播种量。所以排种器的驱动部分不能采用传统型的机构。当采用其他的执行机构代替地轮驱动排种器时，播种机每公顷的播种量Q(kg)为：Q=0.6q/vB （2）q单行排种器的排种量(gmin)；v机具前进速度(kmh)；B播种机行距(m)或单行排种器覆盖的幅宽；2013 届本科毕业设计（论文）N排种器的个数。从上式中可以看出，播种机行距或单行排种器覆盖的幅宽(B)与播种量成反比；机具的前进速度(v)与播种量成反比。实际机具速度可根据地轮传感器测出，单行排种器的排种量(q)在单位时间的排种量与总播种量成正比，此值可通过试验获得。因此，当排种器不用地轮驱动时，对排种器的控制必须考虑机具前进速度对播量的影响。3.1.2排种器类型的影响排种器的种类很多，包括圆盘式、槽轮式、搅龙式等。考虑到今后推广应用和排种效果，采用了在国内播种机上较多使用的外槽轮式。这种排种器的特点是结构简单，排种量较准确、稳定、排量调节方便。以下主要分析外槽轮式排种器。外槽轮排种器工作时，种子靠重力充满槽轮凹槽并被槽轮带着一起旋转进行强制排种；处在槽轮外面的一层种子在槽轮外圆的拨动和种粒间的摩擦力作用下也被带动起来，其运动速度从槽轮圆周线速度V。逐渐向外递减直至静止层。由槽轮强制带出和带动层带出的种子直接掉入输种管，然后经开沟器而落入种沟内。外槽轮排种器每转的排量为：（3）)(021 nqctfdLq式中： 、 排种器每转强制层和带动层的排量(g)；12d槽轮直径(cm)；L槽轮的有效工作长度(cm)：Y种子容重(g，cm )；3种子对凹槽的充满系数，可由实验得出；0每个凹槽的端面积(cm )；qf 22013 届本科毕业设计（论文）t槽轮凹槽的节距(cm)t= zd带动层的特性系数或计算厚度(cm)。nc由一式可以看出，d、 、t是在排种器设计时就固定的值。影响播种量的qf参数中 、 、 是和种子类型有关系的。nc0= (4)C01bec带动层与槽轮之间距离；n比例系数，取决于种子尺寸、形状、湿度、以及摩擦系数。0b由公式（4）可知，带动层计算厚度取决于比例系数 和出口高度c 。0b1由公式（2）可以看出，d、 、t是在排种器设计时就固定的值。本实验qf所用的外槽轮式排种器：L调到最大值L=4.0cm， qf=O.38cm ，d=6cm，n=14，t= =1.346cm。影响播种量的参数中 、 、 是2 zd0c和种子种类有关系的。根据查得的资料大致推出一般小麦的Y=800g/L，cn=O.31cm。由式可以看出，影响播量的参数有两个，一个是排种器的轴向长度L，它与播种量成正比；另一个是排种器的转速n， 、 是随着转nc0速而改变的，转速升高，播量增大。3.1.3排种器转速与排种实验（1） 试验方法试验时，用调速电机同步带动排种器排种轴转动，由手持式数字转速表测定调速电机的转速分别为10、20、30、.、90、100r/min。确定试验转速后，自接种箱接种开始计时，连续接种5min，称质量并计算得此转速下排种器单位时间排量，重复试验20次取平均值作为试验分析数据。（2） 试验结果与分析试验中得到的数据以转速为横坐标，以单位时间排量为纵坐标建立坐标系，将上述试验数据描绘到该坐标系中，观察试验数据点之间的关系发现呈线性趋势，故用最小二乘法对所得数据进行处理，建立其线性拟合曲线。根据最小二乘法原理，设线性方程的形式为y= +bx,系数 ，b可按下述a公式求得：） （5）xbyna(1 nxy/)(22拟合的线性方程通常用决定系数来衡量其拟合程度，它是对2个变量之间2013 届本科毕业设计（论文）线性关系强度的度量值，因此以拟合方程的决定系数作为排种稳定性能的衡量标准。（6）222 )()(yxR式中： 排种轴转速，r/min; y每个转速下对应的单位时间排量 ，g/min; 排x x种轴的平均转速，r/min; 平均排量，g/min; n样本数 ，n=20；R 线性方程的相关系数，其平方为决定系数。通过最小二乘法计算公式得到转速在070、080、090、0100r/min范围内排量随转速变化关系的线性方程并拟合成曲线，根据拟合曲线可知，在排种器转速范围为0100r/min时所得到的拟合线性方程最接近实际性能，此时的决定系数为 =0.9788。因此，试验分析得出，当转速达到100r/min时，仍能2R保证排种器排量随速度呈明显线性关系，此时其转速与排量之间的关系为y=0.2283x+0.6685。因此，在后面的设计中我们可以通过对排种器转轴转速的控制来实现对排种量的控制。4 液压系统的设计及其整体方案确定在分析国内外播种机排种控制系统的产品的基础上，借鉴它们的成功经验，根据国内现有产品的现状，以及现有的技术水平，以单片机为控制，以液压系统为执行机构，设计了一种精密播种机排种自动控制系统。在系统设计中，结合实验的实际需要，主要以油菜免耕播种机为研究对象。利用变量油泵进行排种器转速控制，通过对电磁阀的控制，实现油泵的不同排量，从而实现排种器的转速控制。排种器的轴向位移固定为最大值或定值时，液压马达驱动排种器主轴，实现播量变化。工作时需通过速度传感器采集机具前进速度信号、直接读取码盘上要输入的播种量，从而达到自动控制排种器的目的。4.1 液压系统设计要求（1）液压回路应满足运动要求，液压泵，液压马达以及排种器之间应匹配；（2）各液压子系统工作过程互不冲突；（3）液压系统结构简单紧凑，便于维护。4.2 液压控制变量播种液压系统设计的主要内容（1）根据变量播种工作控制要求，确定液压回路的基本类型和参数；2013 届本科毕业设计（论文）（2）确定系统压力；（3）计算变量播种液压系统的工作速度，以满足工作精度的要求；（4）依据各系统的工作负载的阻力，计算液压泵，液压马达，排种器的理论参数，并以此作为依据选择液压元件。4.3 液压系统组成液压原理图如下所示：1、变量柱塞泵 2、补油泵 3、O型电磁换向阀 4、节流阀 5、弹簧复位油缸 6、溢流阀 7、M型电磁换向阀 8、过载溢流阀 9、液压马达 10、散热器 11、过滤器 12、油箱 图2 液压系统原理图Fig. 2 Hydraulic System Figure该液压系统主要包括：变量柱塞泵1，补油泵2，O型电磁换向阀3，节流阀4，弹簧复位油缸5，溢流阀6，M型电磁换向阀7，过载溢流阀8，液压马达9，散热器10，过滤器11，邮箱12。液压马达后面连接着排种轴。该液压系统是一个开式回路。补油泵的作用是提供弹簧复位油缸的供油，实现对变量泵的变量控制。通过对电磁换向阀的控制调节油缸的位置，从而实现对变量柱塞泵排量的控制，从而实现对排种器转速的变量控制，实现不同情况下排种的变量控制。节流阀4的作用是保证对弹簧复位油缸供油时平稳进行，减少液压冲击。冷却器10的作用是对整个回路中的液压油进行冷却，避免系统过热。过载溢流阀的作用是当排种器或油路卡住时，能够实现自动溢流，保护整2013 届本科毕业设计（论文）个液压系统和器件的安全。该液压系统的工作原理：第一阶段：排种器不工作阶段此阶段是指播种机行走阶段不需要排种时或者暂歇时，这段时间排种器不工作，这就要求液压马达无输出。此时电磁阀3和7都处于中位，变量柱塞泵的输出液压油不经过马达直接流回油箱。第二阶段：开始作业阶段此阶段包括定量播种和变量播种两种形式。定量播种时，电磁阀3不得电，电磁阀7左位得电，马达开始工作带动排种轴定量播种。变量播种时，电磁阀3右端得电，阀体右移，补油泵和油缸接通，推动油缸右移，带动变量泵的斜盘，排量增大，排种器转速增大，从而排种量也增大；电磁阀3左端得电时，阀体左移，补油泵和油缸接通，推动油缸左移，带动变量泵斜盘，排量减小，播种量也减小，从而达到变量播种的目的。4.4 确定液压系统的压力和流量工作压力的大小关系到系统经济型，压力选的偏低，则结构尺寸大，质量大，系统所需流量也大；压力选得偏高，则对元件的制造精度和系统的使用维护要求较高，并使容积效率降低。通常情况下，工作压力的选择采用类比法，按主机类型来选择。根据排种器排种时排种轴受力的大小，同时参考液压缸，液压泵，液压马达国家标准，所以选择系统压力为10MPa。系统压力确定后，调整液压回路中的溢流阀压力使之与系统压力相适应。由液压系统的压力计算：（7）160PQ其中：P系统功率，kw；Q液压系统流量，L/min； P液压系统压差，kpa； 液压系统效率,柱塞泵取0.86。1由公式（7）得Q= L/min P1603.4实际流量：Q =KQ； （8）p式中：K回路泄露折算系数，通常取K=1.1-1.2，这里取K=1.1，代入数据Q =KQ=15.73L/min.p2013 届本科毕业设计（论文）4.5 各主要液压器件选择及其工作原理4.5.1变量柱塞泵变量柱塞泵的压力油经泵体、泵壳变量壳体中的通油孔通过单向阀进入变量壳体的下腔，当拉杆向下运动时，推动伺服活塞向下移动，伺服阀的上阀口打开，变量壳体下腔的压力油经变量活塞中的通油孔进入变量壳体上腔，由于上腔面积大于下腔，液压力推动活塞向下运动，带动销轴使变量头绕钢球中心旋转，改变变量头的倾斜角（增大），柱塞泵的流量随之增大。反之拉杆向上运动，变量头的倾斜角向相反方向变化，泵的流量也随之变化。当倾斜角度变至零以后，则变量头向负偏角方向变化，液流产生换向，泵的进出油口变换。这里选择V15型变量柱塞泵，此泵具体参数为：最大转速1800r/min,最高压力25MPa，油温范围-20-80，排量15ml/r,近似质量11.5。则有公式计算：N= r/min （ 9）1659.0.7351qQN液 压 泵 转 速 Q泵 的 输 出 流 量 液压泵的排量 液压泵的容积1q1效率4.5.2 液 压 马 达从能量转换的观点来看，液压泵与液压马达是可逆工作的液压元件，向任何一种液压泵输入工作液体，都可使其变成液压马达工况；反之，当液压马达的主轴由外力矩驱动旋转时，也可变为液压泵工况。因为它们具有同样的基本结构要素-密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。 但是，由于液压马达和液压泵的工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以同类型的液压马达和液压泵之间，仍存在许多差别。首先液压马达应能够正、反转，因而要求其内部结构对称；液压马达的转速范围需要足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求。因此，它通常都采用滚动轴承或静压滑动轴承；其次液压马达由于在输入压力油条件下工作，因而不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。由于存在着这些差别，使得液压马达和液压泵在结构上比较相似，但不能可逆工作。根据要求，排种轴的转速在30-70r/min，按高速时的转速选择液压马达，查液压设计手册 ，根据排种轴的尺寸，选择IHM系列径向柱塞马达；则有公式可以进行如下计算，液压马达的排量：2013 届本科毕业设计（论文）高 速 时 rmlnQqm/20975.908.162低 速 时 in/483.21Q泵的输出流量 泵至马达的容积效率，取0.95 马达的容积效率，取120.92液压马达的输出转矩：高速时 M=0.159 =0.159pqNm619.02.0低速时M=0.159 =0.1594348而根据计算得到马达的理论计算参数：排量209-489ml/r 最大扭矩143N/m，比较后，选择IHM3-350型液压马达。4.5.3 电 磁 换 向 阀电磁换向阀是用电磁铁的推力来推动阀芯运动以变换流体流动方向的控制阀，简称电磁阀。电磁换向阀有滑阀和球阀两种结构，通常所说的电磁换向阀为滑阀结构，称球状或锥状阀芯的电磁换向阀为电磁换向座阀，也称电磁球阀。电磁换向阀的品种繁多，按其工作位置数和通路数的多少可分为二位三通、二位四通、三位四通等；按其复位和定位形式可分为弹簧复位式、钢球定位式、无复位弹簧式；按其阀体与电磁铁的连接形式可分为法兰连接和螺纹连接；按其所配电磁铁的结构形式可分为干式和湿式，每一类又有交流、直流、本整等形式，而且所需电源电压又有好多种，因而在其结构上存在很多差别。4.5.4 溢流阀是一种液压压力控制阀。在液压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用。定压溢流作用：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。安全保护作用：系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高1020）。实际应用中一般有：作卸荷阀用，作远程调压阀，作高低压多级控制阀，作顺序阀，用于产生背压（串在回油路上）。5、控制系统的设计2013 届本科毕业设计（论文）5.1 控制对象及要求变量播种电控液压驱动控制系统为闭环系统，该系统采用单片机控制排种轴的转速，以达到变量控制播种量的目的。上位计算机接收GPS定位数据，通过对位置数据进行处理，对当前位置进行网格识别，读取数据库中的播种量数据，然后将变量播种数据送到下位机中，将播种数据由数字量转变为模拟量输出，通过放大器将变量信号放大，以控制电磁换向阀是否得电，控制变量泵的排量，从而控制液压马达的转速，进而控制排种轴转速，达到控制播种量的目的。控制原理框图如下：图3 控制原理框图Fig.3 control block diagram52控制装置的硬件设计播种机排种控制系统中，单片机是执行元件电磁换向阀的控制信号发生器。单片机的作用是接收各种输入信号，通过处理输出，控制电磁换向阀的电磁铁得失电从而控制换向位置，从而调节变量泵的的排量，实现对排种器转速的控制，从而实现排种器的变量播种。根据系统的要求，整个单片机系统包括播种量信号输入、机具前进速度信号以及排种轴转速反馈信号输入和控制脉冲输出三个部分。5.2.1单片机最小应用系统单片机是整个控制系统的核心部分，软件的储存测量、数据的处理执行、组件控制命令的发出等都要经过单片机，它是一个微型计算机系统，有存储、IO、定时及中断等功能。单片机最小系统即为单片机系统能进行工作所必需的功能结构，其他功能都2013 届本科毕业设计（论文）在最小系统的基础上实现。单片机系统对传感电路输出的脉冲信号进行推理计算并输出信息到显示器显示，并依据模糊推理出的速度信号、播量要求输出控制电磁阀的脉冲。其结构原理图如图4所示。由于系统控制方案不是太复杂，数据量也不是很大，8位单片机可以胜任。因此，选用Atmel生产的AT89C52作为控制系统的核心，为了处理实时数据，外扩一片Intel6264数据存储RAM。系统电路主要包括：1、主机（AT89C52）；2、光电传感器1（检测种子下落）；3、光电传感器2（检测机具行走速度）；4、D/A转换器（数字信号和模拟信号之间的转换）；5、8279键盘/显示接口（监视键盘输入和显示控制）；6、报警系统；7、数据存储器RAM等。单片机及其接口电路原理图如图4所示图4 单片机及其接口电路原理图Fig. 4 SCM and its interface circuit diagram5.2.2传感器系统电路的设计排种器不仅能够人为控制，也能实现自动控制，根据已设好的参数，提取机具的行走速度，自动调整播种量，因此需要设计一个传感器。传感器位于系统的入口处，是获取信息的第一个环节，其特性的好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要。转速传感器的类型很多，因光电传感器具有线性度好、分辨率高、噪音小和精度高等优点，所以本检测系统选择光电转速传感器来进行转速的检测。这种传感器主要是是利用被检测物体对光束的遮光或反射，由同步回路选通电路，从而检测光线的有无。本检测系统由红外发光二极管LED与光敏三极管组成的对射式光电耦合器和外围电路组成。光电传感器1接单片机的INT1引脚，传感器2接单片机的T1（定2013 届本科毕业设计（论文）时 /计数器）引脚，实现对机具行走速度的检测。由光电传感器将种子流信号转化为脉冲信号，该脉冲信号经过放大、整形、滤波产生单片机可以接受的TTL脉冲信号输入单片机的INT1口。检测电路有3根引线，分别为+5V电源线、地线与脉冲输出线，+5V电源线和地线利用单片机上的电源和地线。脉冲的输出线接到AT89C52的INT1和T0引脚上，这样，传感器每输出一个脉冲，就会在单片机内部产生中断，调用中断程序。图5 光电式传感器原理图Fig. 5 Schematic photoelectric sensor5.2.3播种量信号的输入触发器输出高电平。速度传感检测电路拨盘是机电一体化系统中常用的一种输入设备，若系统中需要少量的参数，采用拨盘较为可靠方便，这种输入具有保持性。拨盘的种类很多，作为人机接口，使用最方便的就是十进制输入，BCD码输出的BCD码拨盘，如图6所示。拨动正面的拨盘，可置定一十进制数(在开关正面将显示该数)，并转换成BCD码(呈现在背面8、4、2、1引脚上)，而输入计算机。在BCD码拨盘开关中，引脚A一般接高电平，8、4、2、1四个引脚原来是低电平；当置定某十进制数时，拨盘的转动将使引脚A与，8、4、2、1四个引脚有定的接通关系，与引脚A接通的将改出高电平，不与引脚A接通的仍出低电平，从而转换成与该十进制数BCD码拨盘开关相当的BCD码。当然也可以反过来接。一片BCD码拨盘可以输入一位十进制数。当需要输入多位十进制数时，可以选用多片拨盘拼接。2013 届本科毕业设计（论文）图6 BCD码拨盘开关Fig.6 BCD code dial switch表1 BCD码通断状态表Tab. 1 BCD code off the state table十进制数 BCD码“8”引脚 “4”引脚 “2”引脚 “1”引脚0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 03 0 0 1 14 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0 1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 1在本文中，考虑到播种量变化范围为 150450kghm ，用 BCD 码拨盘的 12代替5kghm 的排种量，那么BCD码拨盘的数值范围应该是3090。文中选2用两片BCD码拨盘，输入可从“00”到“99”之间变化，最大的播种量可以达到995=495kghm ，即播种量可在从0495kghm 之间调节。2 2在实际播种过程中，确定BCD状态的方法就是每公顷耕地要求的播种量数除以5，将BCD码的状态调到该值的状态，播种机的播量即是要求的播量。例如，每公顷需要播种300kg，300 ，则BCD码拨盘应置于“6”“0”位置。605P1口与AT89C52的连接采用静态接口方法，BCD码拨盘直接与单片机的并行口Pl相连，以BCD码形式输入要求的播种量的信息。每一片拨盘占用4根I0口线，两片拨盘正好占用P1口的8条I0口线。AT89C52通过Pl口直接读取拨盘数据。BCD码通断状态表和两片BCD码拨盘的连接分别见表1和图7。 2013 届本科毕业设计（论文）图7 BCD码拨盘的连接示意图Fig. 7 BCD code dial the connection diagram5.2.4 控制脉冲的输出系统以电磁换向阀为执行元件，单片机所需输出即为控制电磁换向阀得失电的信号。实际应用上就是控制继电器的开与关来控制。由于继电器具有电流和电压放大作用，因此单片机只需控制一个使继电器正常工作的电压即可。因为P3并行口带负载能力比较强，且系统中P3口也没有被完全占用，所以可以选其一闲置引脚做为控制脉冲的输出引脚。本文选择P33即INT1输出控制脉冲。5.2.5 直流稳压电源单片机系统中需要的电压为5V直流电压，而播种机的工作环境属于田间作业，没有此类型的电压。电源是拖拉机上的+12V电瓶。电瓶是直流电源，但其电压不稳定需要设计+12V电压转换为稳定的+5V电压的电路，为系统提供适当电源。图8 电源设计电路2013 届本科毕业设计（论文）Fig. 8 Power circuit design本电源设计有+12V电压通过3300Uf50V的电解电容器Cl作为滤波器，输入到集成稳压器7805组件的输入端，7805输出稳定电压为+5V。7805稳压器一种三端固定正集成稳压器，有输出端、输出端和公共端三个引出端，输入电压为735V，最大的输出电流为10A，内部设置有过流保护芯片过热保护及调整管安全工作区保护电路，所以使用安全可靠。在电路中输入电容C2用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡；C3是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。53 软件编写与调试5.3.1 单片机调频原理及实现步骤控制脉冲的实现在此文中采用单片机的定时计数器T0进行脉冲宽度的控制。在控制脉冲中，高电位的时间即是电磁阀线圈通电的时间