（农业机械化工程专业论文）排肥器试验台智能控制系统研究与设计.pdf

河南农业大学硕： ：论文 摘要 摘要 随着精细农业的发展，精量施肥作为精细农业的重要组成部分，其对施肥装置性能的要 求也越来越高。排肥器是精量施肥装置的核心部件，其性能是精繁施肥的关键。排肥器性能 试验是农机测试的重要组成部分，也是研制和开发新型精量排肥器不可缺少的重要环节。但 是，排肥器人多是做为插种机的一部分来进行研究，没有专门j l j 来检测排肥器性能的试验台。 为此，本论文拟开发一种操作简单、性能可靠、运行速度快的排肥器试验台智能控制系统。 系统的设计在硬件设计方面采用两级计算机控制的设计方法，由上位机( 计算机) 羽i 下 位机( 单片机) 构成。计算机实现对各项参数的设置和对最终数据的处理：单片机完成检测 过程中的数据采集、传送和动力系统的控制任务。在软件设计方面，上位机采用适应性强、 可视化的v b 语言编穰，使程序简单、清晰，操作界面友好；下位机心单片机c 5 l 编程，采 用模块化的结构设计，提高了可靠性和可扩展性。 本文通过对t t n l , 器试验台智能控制系统的试验研究分析，其性能具有以下特点： 1 ) 设计了专用的排肥器试验台智能控制系统，改善了h j 播种器试验台测试排肥器性能 的状况。 2 ) 通过改变步进电机的转速来模拟机其在田间作业时的实际状况，更能体现了排肥器 对不同地块和肥料的适应性。 3 ) 系统刖称重传感器对下落到托盘上的肥料进行采样，得剑肥料的实际重量。从而可 以从鼙上精确检测排肥器的均匀性和精确度。克服了光电法、高速摄影法等方法只能检测出 肥料是否有断行，或只能从图像上得到肥料的下落状况，无法从量上精确把握肥料的下落情 况。 关键词：排肥器；性能测试；智能控制；称重传感器；三次样条插值 英文摘要 d e s i g na n dr e s e a r c h o ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo ff e r t i l i z e r a p p a r a t u sp e r f o r m a n c e t e s t s u p e r v i s o r ：p r o f y u c h a n g y u m a s t e rc a n d i d a t e ：w e n y a nl i a b s t a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，p r e c i s i o n f e r t i l i z a t i o n r e q u i r e sm o r ea n dm o r ea b o u tt h ep e r f o r m a n c eo ff e r t i l i z i n gp l a n t 嬲a ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e f e r t i l i z e rf e e d e ri st h ec o r ec o m p o n e n t o fp r e c l s e f e r t i l i z i n gp l a n ta n di t sp r o p e r t yi st h ek e yf o rt h er e a l i z i n go fp r e c i s ef e r t i l i z a t i o n h o wt oa c c u r a t e l yd e t e c tt h eq u a l i t yo ff e r t i l i z e rf e e d e ri s o n ep r e r e q u i s i t eo fp r e c l s e f e e d i n ga n da l s oo n ek e yp o i n to fp r e c i s ef e r t i l i z e rf e e d e rd e s i g n a n de x p l o r a t i o n b u t n o w a l d a v sn os p e c i a lt e s t e rf o rt h ep e r f o r m a n c eo ff e r t i l i z e rf e e d e rh a sb e e nd e s i g n e d 0 rr e p o r t e d t h i sp a p e rd e s i g n san e wp r o p e r t yt e s t e r o ff e r t i l i z e rf e e d e rw h i c h p o s s e s s e sm a n ya d v a n t a g e ss u c h 弱o p t i m u ms t r u c t u r e ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c e a n df a s t r u n n i n g t h es t m c t i l r eo fn e wf e r t i l i z e rf e e d e rt e s t e ri s i l l u s t r a t e d 雏f o l l o w i n g ：t h e f e r t i l i z i n gs h 硪i sd r i v e nb yas t e p p e rm o t o r , t h ea c t u a lw o r k i n g s i t u a t i o no ff a r m i n g m a c h i n ei ss i m u l a t e db yc h a n g i n gt h es p e e do fs t e p p e rm o t o r , t h ef e r t i l i z e rf a l l i n go n t h et m yi ss 锄p l e db yt h ew e i g h i n gs e n s o r , t h ec u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d t s u s e df 0 rt h es 锄p l i n gd a t ap r o c e s s i n g ，t h e nt h er e l a t i o n s h i pc h a r t so ff l o w w i t ht i m i n g a n df l o ww i t hd i s t a n c er e s p e c t i v e l ya l ef i n a l l yo b t a i n e d a ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nt h i ss t u d y t w os t a g ec o m p u t e r c o n t r 0 1i si n t r o d u c e dw h i c hc o n s i s t so fp c a su p p e rc o m p u t e ra n ds i n g l ec h i pa sl o w e r c o m p u r e r v a r i o u sp a r a m e t e r sa l es e ta n df i n a ld a t aa l ep r o c e s s e db y t h ec o m p u t e r s t h ep o w e rs y s t e mc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o na n d t r a n s f e r r i n gi sc o m p l e t e db yt h es i n g l e c h i pi nt h et e s t i n gp r o c e s s v bp r o g r a m i su s e df o rt h eu p p e rc o m p u t e rw h l c n p o s s e s s e st h eh i g hv i s u a l i z a t i o n ，f l e x i b i l i t ya n dh a st h ef r i e n d l yo p e r a t o r i n t e r t e c 51p r o g r 锄i su s e df o rt h el o w e rs i n g l ec h i pa n db l o c k i n g s t r u c t u r ed e s l g i lt o e n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t y a 舭rt h ep r o p e r t i e sa n a l y s i so fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo f f e r t i l i z e rt e s t e r ，i th a s t h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： 1 、d e s i g n e das p e c i f i cf e r t i l i z e rt e s t e rw i t hi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mt o 姗p r o v e 4 2 河南农业大学硕1 二论文 排肥器试验台智能控制系统 t h ed e t e c t i n gt e c h n o l o g yo ff e r t i l i z e rf a c i l i t i e s 2 ) t h ea c t u a lw o r k i n gs i t u a t i o no ff a r m i n gm a c h i n ei ss i m u l a t e db yc h a n g i n gt h e s p e e do fs t e p p e rm o t o ra n dt h ea d a p t a b i l i t yo ff e r t i l i z e rf e e d e rf o rv a r i o u sc o n d i t i o no f f a r m l a n dd u r i n gd i f f e r e n ts p e e dc a l lb eb e t t e rr e f l e c t e dt h r o u g ht h i ss i m u l a t i o n 3 ) t h ea c t u a lw e i g h to ff e r t i l i z e rc a l lb eg a i n e db ys a m p l i n gt h ef e r t i l i z e rf a l l i n g o nt h et r a yw i t hw e i g h i n gs e n s o r , s ot h ef e r t i l i z i n ge f f o r tr e f e r r i n gt ou n i f o r m i t ya n d a c c u r a c yo ft h e f e r t i l i z e rf e e d e rc a nb e a c c u r a t e l yd e t e c t e d t h i sm e t h o dc a n e f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ed e f e c t so ft h ep h o t o e l e c t r i cm e t h o da n dh i g h s p e e d p h o t o g r a p h i cm e t h o dw h i c hc o u l do n l yd e t e c tt h ee x i s t e n c eo ff a l l i n gb r e a k sa n dc a n n o ta c c u r a t e l ya c q u i r et h ef a l l i n gc o n d i t i o no ff e r t i l i z e r k e y w o r d s ： f e r t i l i z e rf e e d e r ；p r o p e r t yt e s t ；w e i g h i n gs e n s o r ；c u b i cs p l i n e i n t e r p o l a t i o n ；p r o t e l 9 9 s e 4 3 河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论排肥器试验台的智能控制系统的研学位 文题目究与设计级别 硕士 学生学科导师 姓名 栗文雁农业机械化工程余泳昌教授 专业姓名 学位论文 2 0 0 9 年月日 是否保密 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中 特另, j d n 以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料，指导教师对此迸行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 特此声明。 ， 研究生签名：果支雁聊签名：舍她 同 期：2 0 0 9 年月j 蚕同 r 期：2 0 0 9 年髟r 日 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定， 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存拱 刷本和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、鲡 复制手段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不帝 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规走 开河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文， 位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产移 业大学所有，否则，承担相应的法律责任。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 eli 臂厶- 研究生签名：采曼雁导师签名：名葛辱易 学院领导签名 i 譬0 木_ f 豫l f 1 期：2 0 0 9 年f 月i 方日日期：2 0 0 9 年乡月和 日期：2 0 0 9 名钿矿日 河南农业大学硕l 论文致谢 致谢 在论文完成之际，我首先向我的导师余泳昌教授表示真挚的谢意! 在论文的 选题、研究、试验、撰写及学业方面中给予悉心指导和谆谆教诲；在课题研究方 面给我提供的良好科研条件和工作环境，使得课题得以顺利完成。导师渊博的知 识、敏捷的才思、治学严谨和诲人不倦的精神以及勤奋的工作热情也给与我深刻 的印象，是我在以后的学习和工作中的榜样，我再次向导师表示深深的谢意! 感谢我的父母、亲人和爱人，正是他们的关心、支持、理解和帮助才使我的 论文得以顺利完成。 感谢学习期间和论文完成过程中导师组李保谦老师、刘军老师、王万章老师、 李冠峰老师、刘存祥老师、史景钊老师、李云东老师、胡建东老师、姚新胜老师 的严格要求和无私帮助，我的每一步成长都渗透着各位老师的心血和汗水。 同时，我还要感谢学校研究生处和机电工程学院的领导、老师。感谢师弟胡 丰收、郭仓库，师妹安静在实验过程中的无私帮助，感谢同窗好友卢汇洋、吕金 龙、王威立、王晓雷、霍志军、宋中界、安晓东、李喜朋、胡丰收、王旭然和李 洲同学三年来的在各学习阶段所给予的关怀和无私帮助。 最后向百忙之中评阅论文的各位专家、教授表示我衷心的感谢! 栗文雁 2 0 0 9 年6 月于河南农业大学 河南农业人学硕：l ：论文 排肥器试验台智能控制系统 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 农业是人类赖以生存的基础产业。加快农业技术进步、提高农业产晶产量和质量是各个 国家努力的方向。中国是一个人口众多的农业人国，农业的兴旺发达。关系到国家的兴衰， 人民生活的安定。在中国，我们用世界百分之九的耕地养活了百分之二十二的人口，但不可 忽视的是，还消费了世界百分之三十的化肥。化肥施肥对于粮食增产、农业增收以及保持土 壤肥力等方面起到了积极作用，人们已经认识劁土壤肥力保持对作物产量的重要性。但是， 大量化学肥料以各种形式投入到十壤中，也造成了诸如环境压力等问题。鉴于我国地少人多 的国情，农业增产增收的主要途径是提高单产和农业物料的利用率。施用化肥，尤其是精量 深施化肥，则是提高单产、节约刚肥的关键措施之一2 。国外对此已有较多的研究，如美 国玉米种植带的统计表明，化肥施用每花费一美元，能收回1 6 美元；英国化肥施用的农业 新增产值一i 总产值4 0 ，其收益为化肥投资的4 倍。目前，中国已经成为t h = 界上最人的化肥 生产国。近3 0 年来，中国化肥消费总量和单位面积刚量都已经达到世界前列。中国小麦、 玉米和水稻施肥量及产量与其他国家相比还是比较高，但产量相对较低。化肥的施用白然虑 使其能有效地被农作物吸收，否则不仅会造成不可低估的直接损火和间接火，而且达不到预 期的增产效果。施肥机械性能也关系剑配方施肥技术进一步发展，恰当的施肥机械可让配方 施肥技术发挥出更加有效的作明。在我国，化肥施用以粮食作物为主，均在5 0 9 6 左右。与推 荐施肥量相比，部分作物氮肥、磷肥施朋过堵，但钾肥用鼙仍需增加。因此，应把发展：箝能 增效的施肥机械作为农业机械化发展的重要课题。 化肥深施的意义有四：第一，化肥深施会减少化肥分子挥发。如铵态氮肥、尿素等化 肥较浅地施入十壤后，铵态氮在士壤表层中，易被硝化细菌转化成硝态氮，土壤胶体不能吸 附，除了随水移动而流欠外，还会渗到土壤的下层中，变成氮气和一氧化氮“飞”火到空气中 去，降低化肥的效果。特别是太阿i 直射温度较高的地方，肥效降低更为明显。铵态氮肥深施 后，由于十壤下层硝化细菌极少，不易被硝化细菌转化为易流火挥发的硝态氮而存在土壤之 中米被作物所吸收。第二，可以减少肥分子的流失。比如，硝态氮化肥施入土壤较浅，其中 硝酸根离子不能被士壤胶体所吸附，分散在七壤颗粒之间。有些士壤本身对化肥的吸附、保 蓄能力本身就很差，要是遇暴雨或灌溉，化肥的有效分子便会随水或随士壤表层泥一起流失， 会使化肥效果明显降低，从而作物的的产量就要下降。而化肥深施后，由于土壤下层水移缓 慢，随水流失就会大大减少，这样才能有效地被作物所吸收。第三，深施化肥可减轻作物后 期早衰。例如晚茬水稻和低肥田所种作物，其生育后期常冈养料缺乏而早衰。化肥深施后， 有利于供应作物生育中、后期的养料，延长作物功能叶片的生命活力和叶绿素含量，增强光 合作用能力，有利于夺取高产。第四，化肥的深施能增强作物抗逆性。作物根系都有趋肥性， 要是化肥的浅施，会使作物根系大多集中在土壤表层，要是有大风暴雨，则有可能作物要倒 2 河南农业大学硕上论文排肥器试验台智能控制系统 伏。并且也不具有抗旱的作用。化肥的深施后，能够吸引作物根向土壤下层深扎，从而大大 增强作物抗倒伏、抗旱能力。化肥深施，是提高肥料利刚率的重要措旌，并且是我国：1 y 本增 效的重点工程之一。但是深施化肥要借助性能优良的施肥机械才能得以实现，而施肥机械又 是我国农业机械发展中的一个薄弱环节h 1 。根据多年的实践证明：机械深施碳酸氢铵、尿素、 氮的利用率比人j ：表面撒施分别由2 7 $ 1 3 7 提高n 5 8 和5 0 9 6 ，深施比表施其利川率相对 提高1 1 5 和3 5 。临安市于9 5 至9 6 年连续两年在长沙县开慧乡进行了机械深施与人：，i ：表施 碳铵的对比试验结果表明：每季每亩可：1 了约碳铵1 0 公斤以上，即相对提高利用率2 0 2 5 。 然而，由于目前我国施肥机械技术的不成熟，造成化肥施刖上的极人浪费。据有关资料介绍： 目前我国氮肥当季利刚率仅为3 0 - 3 5 ，磷肥利用率仅为1 5 - 2 0 ，钾肥利川率也不超过6 5 。 化肥流火加剧了湖泊和海洋等水体的富营养化，造成地下水和蔬菜中硝态氮含量超标，影响 - 十壤臼净能力。农业面临污染对人类健康的影响不容忽视，据调查，累积于饮用水源特别是 井水中的化肥氮磷和农药对至少1 3 个省份、数以百万计居民的健康构成威胁。因此，研制性 能良好、适用性强的施肥机械是我国农机j i ：作者当务之急应解决的问题之一。 众所周知，排肥器是精鼙排肥装置的核心部件，其性能是实现精鼙施肥的关键。我国使 用的化肥土要有两种：一种是过碳酸氢铵和过磷酸钙等粉状化肥，其特点是易吸湿粘结，冈 而易造成机械排施时架空和堵塞；另一种是尿素等颗粒状化肥，其特点是流动性极好，稍遇 缝隙即自流不i ：，施锗控制难度较大情1 。目前使用的化肥排肥器中常用的有外槽轮式、转盘 式、振动式等儿种m 。外槽轮式排肥器适朋丁排流动性好的松散化肥和复合粒肥。排粉状及 潮湿的化肥时，易出现架空和断条等现象，且槽轮易被肥料枯附而堵塞，失去排肥能力。转 盎式排肥器由于是非强制性排肥，故均匀性亦较著。振动式排肥器由于振动关系，肥料排量 受肥箱内肥料多少、肥料密度、粘结力等的影响较火，排肥量的稳定性和均匀性较差。由此 可在看出，目前所使用的化肥排肥器械都有自己的优势和劣势。因此，要同时解决好两种不 同性质的肥料的排施问题，各种排肥器需要进行必要的改进。 农业机械作为现代农业生产重要的组成部分，其产品质量的优劣直接影响农业机械的作 业效率，关系剑农业增产和农民增收，也关系到农机使用者的健康和安全。排肥器性能试验 是农机测试的重要组成部分，也是研制和开发新型精鼍排肥器不可缺少的重要环节。排肥器 作为施肥机械的主要部件，其性能指标是否达到标准直接影响着施肥机械产品改进、完善和 性能质鼍的提高，施肥机械制造企业科学、合理的技术创新和经营决策，广大农民用户的生 产投入是否有针对性，施肥机械化技术的健康发展。如何正确地检测排肥器的性能是保证精 量施肥的措施之一，也是确保研制精量排肥器的关键。目前国内外在排肥器的检测上，主要 采用的是排种器的检测装置和方法。播种机性能试验有田间试验和实验窒试验两种形式。 由于田间试验容易受地点、季节、设备等因素的限制，试验周期长，费用高。所以播种机尤 其是作为主要工作部件的排种器性能的测试通常是在实验室内进行| 8 1 ，以此来提高试验的准 确性、重复性和经济性，缩短试验和设计周期因此，播种机试验台就成为实验室内测试播 3 河南农业大学硕上论文排肥器试验台智能控制系统 种机及各部件性能的主要试验设备和技术手段憎3 。国内绝人部分试验台的传动方式落后，检 测手段的自动化、智能化程度较低，其性能不能满足试验的需要。排肥器的检测手段也存在 着同样地的问题。冈此，迫切需要研制一种结构优化、性能可靠、成本较低的新型排肥器试 验台。 鉴丁以上情况，本课题拟研究开发一种适应性强、检测性能好、检测结果直观且清晰的 通川的排肥器试验台。本课题是我与师弟共同研究的，我主要负责的是试验台检测系统的控 制部分，在此，对排肥器试验台的机械部分我就不在进行介绍。 1 2 文献综述 1 2 1 排肥器的的研究状况 儿十年来，我国排肥器的研究： 作经历了一个蓬勃发展的时期。先后研究出不少新型的 排肥器，如定孔式、螺旋式、离心式、气流式、纹盘式、窝眼轮式、鼎齿式、弹性刮片式| 1 0 等排肥器。这些排肥器从国外引进，或是我国白行研制，对促进我国施肥机械技术的发展起 了一定的积极作用。但真正实现适应范嗣，“、使刚可靠、排肥性能好的排肥器却很少。现有 的化肥排肥器种类很多，常用的有外槽轮式、转盘式、离心式、螺旋式、星轮式和振动式等 儿种。 1 ) 外槽轮式排肥器。其特点是结构较简单，施肥均匀性较好，适用于排流动性好的松 散化肥和复合粒肥。排粉状及潮湿的化肥时，易出现架空和断条等现象，且槽轮易铍肥料粘 附而堵塞，失去排肥能力。 2 ) 星轮式排肥器。它是目前国内外使用最普遍的一种，其j l ：作原理是旋转的星轮将屉 齿间的化肥强制排出。在肥箱底部装有活页式铰链，箱底可以打开，以便清除残存的化肥。 3 ) 离心式排肥器。其t 作原理就是利用高速转动的物体具有离心力。离心式排肥器排 肥盘叶片有直形和弯形，叶片数目2 - 6 个不等。根所不同的叶片，使排出的化肥远近不同， 提高排肥的均匀性。它具有结构简单，效率高等特点，是欧美国家普遍采用的一种撒肥器1 。 4 ) 钉轮式排肥器。钉轮式排肥器属于条施排肥器，常见于丹麦等欧洲国家的联合条播 机上。用于排施流动性好的颗粒化肥时，排肥稳定性均匀性都较好；但它不能片j - 丁排施流动 性著的化肥。 5 ) 链指式排肥器。链指式排肥器是全幅施肥机上采用的一种排肥器。链指式排肥器j r 作时，撒_ 卜的化肥沿纵向和横向均有较好的分布均匀性。排肥量由排肥口高度和链条速度控 制。为了清除肥箱底部被链指压实的化肥层，在链条上每隔一定距离装有一把刮刀，为了防 止化肥在肥箱内架空。肥箱前肇还有一块振动板。 6 ) 转盘式排肥器。利用水平转盘与排肥盘的相对速度和肥料与排肥盘摩擦力的关系， 使肥料从水平转盘的边缘排出。钢丝弹簧式不易被肥料粘附，排施潮湿肥料的能力较强，但 对吸水性很强而松散性较差的化肥如碳铵、粉状过磷酸钙、磷矿粉等的适虑性仍然较差。在 排肥量小时，螺旋式排肥器的排肥均匀性都比较差。 4 河南农业人学硕二l ：论文排肥器试验台智能挖制系统 7 ) 螺旋式排肥器。其 ：作原理是利用螺旋同转达到排肥目的。叶片式摊肥鼍大，对肥 料压实作用也大，故只适用于排旎粒状及干燥的粉状化肥，排肥量大小由转速决定。 8 ) 定孔式排肥器。它的基本特征是肥箱底部开有孔口，：l ：作时箱内绕水平轴转动的圆 盘将化肥送山孔口。其排肥量由肥料箱底部的孔口决定。定孔式排肥器只适宜丁- 流动性好的 化肥，它的稳定性变量系数为2 0 - 3 0 ，结构简单。 9 ) 振动式排肥器。其，l 作原理是凸轮使振动板不断振动，使化肥在肥料箱内循环运动， 同时，清除肥料箱内化肥“架空”。并使化肥沿振动板斜面下滑，经排肥口排出，排肥量人 小由调：1 ，板凋：精。由予振动关系，肥料排量受肥箱内肥料多少、肥料密度、粘结力等的影响 较人，排肥量的稳定性和均匀性较差。 美国在1 8 3 0 年就公布了施肥机械的第一个专利一撒彳i 灰机。到上世纪3 0 年代，他们的施 肥机械生产已初具规模，7 0 年代己拥有相当数簧的用于有机肥料与化肥的贮运、装卸及田间 作业的各种类型的机具，从而实现了施肥过程的全面机械化引。直n 2 0 世纪5 0 年代，我国的 施肥机械技术研究：j ：作才开始起步，比国外发达国家晚了1 0 0 多年。为加快我国排肥机械的 发展速度，缩小与发达国家的差距，我国早期排肥器主要从国外引进。这些引进的排肥器也 确实给我国施肥机械技术的发展注入了活力。如苏联2 c k 1 6 及c k 一2 4 谷物联合播种机的滚筒 上排式排肥器n 引；苏式a t 一2 和a t 一2 a 转盘式排肥器：法国气吸式精密播种机上的人槽轮式排肥 器；英国r o b o t 马铃薯种植机上的单振动火槽轮式排肥器以及英国m f - 7 1 8 马铃薯种植机的双 振动方轴式排肥器引、英国的摆动槽排肥器引等。而国外川丁条施作业的排肥器基本上都 只适用于小颗粒化肥。故而，我国施肥机具仍面临适应粉状与小颗粒状、干燥与潮湿两类物 理机械性状截然不同的化肥排施问题。因此，研究出适合我国化肥特性和农艺技术要求的通 刚性强、结构简单、j ：作性能可靠的排肥器是我们农机研究j i ：作者刻不容缓的任务。 1 2 2 排肥器检测技术的现状与发展 由于精密农业机械的发展方向为大型化，排肥器常常作为播种机的一部分米进行整体的 研究，单独对排肥器检测的研究并不多。对排肥器性能检测的技术主要借助于排种器的检测 技术。目前，国内外在精密排种器的性能检测方法和手段上开展了人量的研究，为精密排种 器的改良设计提供了宝贵的依据2 1 小坩1 。在此，主要介绍一下精密排种器检测装置的发展状 况n 。在便从精密排种器检测装置的研究来探索排肥器的检测方法。 精密播种技术已成为现代播种技术的主要发展方向，而实施精密播种技术的精密排种器 性能优劣直接影响精密播种的质量。快速、准确地检测精密种器的性能已成为研究和评价精 密播种机质量的核心瞰”。国内外研究人员都非常关注精密排种器测试手段的研究，目前已研 究出多种检测设备和检测方法。国内采用的方法主要有：直接观测法、帆布带法。近些年来， 播种均匀度测定方法主要有压电效应法、光电效应法和高速摄影法、基于微机的检测法、基 于图像处理的检测法和基于虚拟仪器的检测系统等。这些方法比帆布带法更好，更精确。除 了帆布带试验台以外，还有移动式试验台，可以使排种部件沿十槽运动，模拟报种机的j ：作 5 河南农业人学硕十论文排肥器试验台智能控制系统 过程。英国皇家学会农机研究院的试验台就属于这一种。该试验台上装有3 5 毫米的照相机， 记录种子的运动轨迹。它可以测定不同投种高度种子的运动轨迹和速度，还可测定种子在士 槽表面的碰撞和总位移量。 1 2 2 1 检测的方法 1 ) 寅接观测。在排种器低速：l = 作时，这种方法是最直接、最有效的，大部分设计缺陷 都可以发现。但当排种频率达到一定程度时，人眼已经观察不到排种部件的+ r 作情况，就需 要借助于其他手段来完成幢。 2 ) 帆布带法。6 0 年代，我国播种机试验设备较少，火多是仿制前苏联的帆布带式排种 器试验台，应用最广的实验室测定方法是涂黄油( 或其他粘结物料) 的帆布带法。帆布带试验 台一般是摊种器不动而帆布带做相对运动。结构简单，操作方便，能够直观地获得实验数 据，因而应用较广。美国卡罗林州人学的帆布带排种器模试验台附有摄影装置。为了研究落 种的位置误差，帆布带上撒一层沙子和锯末混合物，形成与土壤近似的条f ，l ：。德国贝克公司 的试验台还有自动喷油和刮油装置，省掉了人j l ：涂油和清种i ：序。但这种涂粘结物的方法， 种子和粘结物不能同收，造成较人的浪费，：作效率也比较低恤1 。此法比较直观，能在一定 程度上反映种子的着落性能、状态。属人j r ：检测统计法，主要检测i ：具为匀速运动的传送带、 刻度尺、记录本、计算器等，结果受人为因素影响较大，周期长。这种法虽然比较直观，但 冈浪费种子、污染环境、耗费【：时，且采集数据有限等缺陷而被淘汰心川列。 3 ) 利用高速摄影法检测。高速摄影是一种较为通心的测试手段。既可以记录种子的投 射轨迹，也可以测定种子间距的均匀性。高速摄影能以l o 3 lo - ”之间的时间分辨率对快速 过程进行照相记录。得到按时间发展为顺序的一幅幅图片，通过慢速放映。能再现被记录过 程的运动或变形过程。该方法结合光电传感器检测装置与高速摄影技术，应用丁紧密排种器 的性能检测，以提高排种器性能检测的真实性和可行性。高速摄影川- 丁精密排种器排种性能 检测，为精密排种器的改进设计与试验研究提供了理论依据和技术依据憎川删。但冈成本、 消耗太高而未得到广泛的应用伫5 1 。 4 ) 基于微机的检测法。1 9 7 4 年，我国种植机械专家，教授级高级。i ：科师张波屏研制成 功了移动式排种器试验台。该试验台采用可控碎凋速系统和控制系统，能无级调节j i ：作速度， 采用加速和缓冲装置，在有效沙盘上可以达到7 k m h 的作业速度。8 0 年代以后。国内外一些 科研单位研制出了一些比较先进的播种机试验设备。如北京市农机所研制的帆布带式排种器 试验台，采用光电扫描采样和计算机统计技术，具有较高的试验精度和效率：德国d l g 农业研 究中心的种植机械试验设备，试验项目测控的自动化群度较高，代表着国外的先进水平。1 9 9 6 年，中国农大测试中心丁至成教授研制了基于单片机的排种均匀度检测仪。该仪器以8 0 3 1 为中央处理器，轻便，成本较低，除能在显示设备上显示检测数据外，还能打印结果。其原 理是利用压电式声电传感器将下落籽粒机械碰撞产生的声波转换成电脉冲。并采用放大、整 形、限压电路；下落籽粒的时间间隔采用了计数计时器计时，并通过中断方式实现。1 9 9 8 6 河南农业大学硕上论文排肥器试验臼智能控制系统 年，河北农业大学机电系开发完成了= - 套精密播种机一i 二作性能的微机化检测系统。该系统采 用光电传感器测量落种，采h j 电磁传感器测量排种器转速。软件采用了i b mp c8 0 8 8 汇编语 言，对信号进行采集、处理和分析，可测定出操作速度、排种均匀性以及变异系数等参数1 2 制。 广泛研究的光电传感器检测方法，虽然优于人j ：检测，可以采集人量数据，而且操作简单。 但实践证明，传感器检测对漏播检测效果良好，而对重 番检测准确性差，速度快时误差容易 产生。 5 ) 基于虚拟仪器的检测系统。该系统主要由硬件系统和软件系统组成。软件主要由排 种信号采集模块、转速测定模块、数据处理和存储模块、报表生成和显示模块组成；硬件系 统主要由精密排种器及试验台、传感器、信号预处理电路、数据采集砖和计算机组成。该系 统能够充分地发挥计算机高速采集数据的优点。系统研制了h j 于排种检测的新型光电传感 器，开发了基于虚拟仪器的排种性能检测系统，设计了机械式精密排种器排种性能试验台1 。 虚拟仪器的检测法，仅仅是虚拟仪器技术在播种机检测系统上的初步研究，其中很多问题还 没解决。特别是在重播检测上，由丁受到传统的橘种机微机检测系统的设计思想的影响，其 检测精度仍停留在原来的检测系统的基础上，还有待丁进一步的研究。 6 ) l 鳘i 像处理技术检测。此系统主要由计算机、图像采集号、摄像机、照明装置等组成。 随着智能化技术的不断发展，利用计算机视觉技术进行无接触测量的研究逐渐地在国内外展 开。这种方法运川计算机图像处理技术，米实现对糖密排种器性能快速、准确地检测。通过 软件对图像进行采集、传送、处理、分析和显示得到对排种器检测的结果。由丁计算机图像 技术的应用日益广。泛，它也被应川剑检测排种器的性能上面，但是由丁图像处理的局限性无 法做到定鼙的检测并计算出排种器的具体性能，只能做一些简单的定性判断；且投资人，所 应用的一些理论还不成熟忆引。 1 2 2 2 精密排种器检测装置发展趋势 随着计算机视觉系统的高灵敏度、低噪音及快速摊种器性能检测系统的发展，对于实现 高精度检测排种器性能的各项指标具有重要意义。提高精度是精密排种器发展的重要的一 环，检测系统各项指标将直接影响采集种子图像的质量，且制约着图像中种子特征参数提取 的准确性、种子空间位置的恢复精度及系统的运行速度。所以，为准确、快速地检测排种器 性能，全面地设计和优化检测系统是提高精密排种器检测装置精度的有效途径晗7 矧。 随着电子技术的飞速发展，图像处理技术在各行各业上得剑了广泛的应用。图像处理的 最火特点就是可以用机器或计算机代替人的眼睛和大脑，直接得到物体的图像。通过对图像 的加工识别和处理，达到对事物的感知和检测。特别是随着图像处理所需的计算机设备的不 断发展，高频的c p u j f i ! 大容量物理内存及图像数字化设备不断更新，采集快速运动、多目标 的图像成为现实。目前，国内采用此项技术检测排种器的研究还比较少。但这将是排种器检 测手段的发展趋势心4 1 心7 瑚1 。 精密排种器的检测手段从人工检测到计算机视觉系统和图像处理技术的麻用，检测性能 7 河南农业大学硕士论文排肥器试验台智能控制系统 有了很大的提高，为了能更精确、高效地检测精密排种器的性能，达剑能检测精密排种器的 各项指标，还需进一步研究种子一系列随机冈素。今后，播种机应向着适应性强、多功能、 高效率的高速精密播种器方向发展，高速精密播种机的性能检测将依靠更先进、更可靠的高 精度检测设备米完成。 1 3 本论文研究的主要内容 精量施肥是现代精细农业的重要组成部分，排肥器性能的优劣是实施精量施肥的重要前 提之一，因此研制开发排肥器智能检测试验台是实施精细农业的前提条件。本论文以现代精 细农业思想为指导，针对排肥器性能检测这一主题，并结合当前国内外已有的测试装置的优 缺点，系统地对排肥器智能测试试验台的软硬件进行设计和试验研究。研究殴计内容如。f ： 1 ) 设计开发测试系统的硬件结构，包括传感器的设计、传感器数据处理电路设计、单片 机的没计、步进电机驱动器的设计等。 2 ) 冈为机具在田间作业时受地形和地势的影响，其行驶速度在人多数情况f 是无规律 的突变的变速运动，所以施肥机械的实际效果和实验数据往往有较人差异。本文把检测时间 分成若干个时间段，通过对各时间段内速度的殴定来模拟机具在田间作业时的实际情况。 3 ) 运用数值分析方法，对采集剑的数据建立数学模裂。并由此数学模型对系统所得到的 数据进行处理，得到排肥器的性能指标。 4 ) 设计可视化的人机交互式的上位机科序，方便朋户输入各项参数数据，并能够处理一f 位机所传递上米的数据信息。 5 ) 设计下位机的软件，使之能够执行上位机传米的各项指令、驱动传感器和步进l l i 机 工作，最后把所得剑的数据传给上位机。 8 河南农业大学硕1 ：论文排肥器试验台智能控制系统 2 系统总体设计 2 1 检测系统的硬件组成 本系统原理结构框图如图2 1 所示，它是一个小型的分布式数据采集与控制系统，是由 数据采集( 称重传感器) 、下侮机( 单片机) 和执行机构( 步进电机、排肥轴、排肥器) 上 位机( 计算机) 等组成的控制系统。 上位机( 计算机) i i 串行通信接口l i r 单片机 订u l 称重传感器步进电机 介u 排肥器bl 排肥轴 图2 1 原理结构图 其中数据采集由相应的a t 8 9 s 5 2 单片机实验系统、称重传感器、信号放火器、a d 数模 转换所组成。f 侥机既可以完成箨种信息的采集、预处理及存储任务，义可接收从上位机送 来的控制参数没置。执行机构通过单片机产生的脉冲驱动步机电机，土要检测系统的动力装 置。上位机选用i n t e l 赛扬2 o 系统机，配置l g 内存，8 0 g b 硬盘，有较强的数据存储、处 理能力。上位机根据用户的检测情况来完成各项参数的设定，并通过串行通信将参数传递给 下位机，同时也对上位机传递上米的数据进行分析和处理。 2 2 工作过程 上位机完成各项参数的设定后就向单片机发出启动信号，同时准备接收下位机即单片机 发送来的信号和数据。被启动的下位机，一方面按上位机的指令要求启动步进电机，另一方 面同时启动称重传感器，并将采集到的信号经放大器放大，送入a d 转换电路换成相应的数 字量后送入单片机，然后通过串行通信把采集剑的数据向上位机发送。上述测试和数据采集 过科结束后，计算机便把接受到的数据进行存储、计算处理、显示、打印。 9 河南农业大学硕j 二论文 排肥器试验台智能控制系统 3 系统硬件设计 系统硬件是由上位机p c 微机、称重传感器、步进电机驱动电路和下位机a t 8 9 s 5 2 单片 机组成。p c 微机就是一般的微硝计算机，这里仅对其最低配置提山要求：1 、内存不低于5 1 2 m b ； 2 、硬盘空间不低于8 0 g b ；3 、彩色显示器等。这里就下位机中的核心部件a t 8 9 s 5 2 单片机 的特点及基本组成、存储器、中断系统以及串行通信进行说明。 3 1 称重传感器的选择及电路设计 3 i 1 称重传感器的选择 电子天平的核心部件是称重传感器，电阻虑变式传感器特点：精度高，测量范围广； 使刚寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重鼙轻；频率响应较好，既可用于 静态测量义可朋丁动态测量；价格低廉，品种多样，便丁选择和人鼙使用。由予电阻应交 式传感器具有一系列优点，已被麻埘剑了几乎所有称重领域和各种测力领域。 3 1 2 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器由感压装置、电阻应变片和惠斯登测量电路三部分组成，其1 ：作原理 是：被测负载作j h j 在弹性感压装置上使其发生弹性形变；通过枯性物质使粘贴在感压装置上 的电阻廊变片发生形变，进而转化成虑变片的阻值人小变化；通过惠斯登测避电路将电阻应 变片的阻值变化，转化为与负载成止比的电信号输出m ，如图3 1 所示。 a 图3 1 电阻应变片组成的惠斯登电桥 d 蜀，b 、忍，局分别为四条桥臂的应变电阻，u 为电桥的激励电压，u o 为对应的输 出电压，可得： u o = u 1 丙r 酉2 r 1 网- r , r 4 ( 3 ，) l o 河南农业大学硕 ：论文 排肥器试验台智能控制系统 典型的称重电桥电阻蜀，r 4 随着压力增大其阻值减小，电阻r 2 ，r 3 随着压力增大其阻值 增大。工作时各桥臂均有增量欲l 、欲2 、欲3 ，歙4 且z x r 2 = z x r 3 = 一a r i = 一z k r 4 = z x r ， 欲粼r 咄( f = 1 勰4 ) t - 是有：= u 等( 3 2 ) 可见，电阻应变式传感器的输出电压与激励电压和传感器形变量成线性关系1 1 。 3 1 3 传感器的硬件设计 基于电阻应变式传感器的称重传感器的电路图如图3 2 所示。 彤 二 图3 2 称重传感器电路图 1 ) 电源的选择。称重传感器的桥式结构决定了其输出与激励电压息息相关，为提高精 度须使用高精度的电压源作为激励，此外高精度的a d 转换也要求使川精密电压源作为参 考，若按常规方法考虑，需要两个精密电压源，实现起来难度较人，成本也高，为此我们采 用了比例测量技术。所谓比例测量技术，是指a i ) c 参考电压与称重传感器的激励电压由同一 电源提供，如图3 3 所示。 图3 3 比例测量原理图 河南农业人学硕j ：论文排肥器试验台智能控制系统 设a d c 输出为d o r ，放火电路部分的总增益为4 ，结合电阻应变式称重传感器的j i ：作 原理，我们有： d o u t - - 上v r p v + - v 艇f _ = 等矗= 圪百a r 瓦a =