机电一体化设计说明书

1、VP6洋马高速乘坐式插秧机秧苗插植深度调节系统设计一·绪论：插植深度调节系统研究的目的及意义 水稻机械化育插技术是水稻机械化生产过程中不可缺少的一个关键环节，它不仅改变了千百年来农民“面朝黄土背朝天，弯腰曲背几千年”的手工插秧方式，而且是水稻生产重要环节的一场革命。目前，水稻生产机械化的发展已成为我国农机化发展的难点、热点和亮点。实践证明，实施水稻育插秧机械化技术具有五大优势：一是稳产高产。能保证插秧株距、行距及插植深浅一致，达到公顷保苗株数的要求；能够做到浅插，第一分蘖节都在地表，提高分蘖率，增加产量。二是省工节本。可以节省种子、农药、化肥、节省用工量；能育出壮秧，保证机插质量。三

2、是避灾增效。四是大幅减轻劳动强度。可以把广大的农民从繁重的体力劳动中解放出来，从事第二和第三产业。五是节省秧田，提高粮田的利用率。机械插秧的作业质量对水稻的高产、稳产影响至关重要。为了避免出现漏插、伤秧、漂秧等现象，因而机械插秧在保证插秧深度（以秧苗土层上表面为基准，一般插秧深度在010毫米）一致性方面，就显得尤其重要。本小组正是基于此目的而对VP6洋马高速乘坐式插秧机秧苗插植深度调节系统进行设计。二·VP6车身自带插植深度调节系统如图1-1所示， VP6车身自带秧苗插植深度调节装置，大致工作原理为：插植部下端的浮船4感应水田的软硬程度而产生上下方向的位移，与其相连接的传感导线3（力

3、传感导线）将此位移的变化转变为液压控制系统控制阀1阀口开合大小的变化，从而改变液压系统，最终控制液压缸对插植部整体5进行高度调节，达到了改变秧苗插植深度的目的。车身自带的控制系统虽然达到了控制秧苗插植深度的目的，但是从反应速度上来看，钢丝连接的力传导系统远不及电子传感系统灵敏；从准确度上来说，机器长时间使用后，机械装置出现的疲劳现象也是系统本身的灵敏度明显下降，基于此，我们拟设计用电子传感器代替力传导线，并通过电路控制液压控制阀的开合大小从而达到预期目的。三·改进插植深度调节系统设计 1.方案展示 方案1：在参考原有机构的基础上，初步选择机械式传感设备。它的特点最重要的是简单，方便实

4、现。此方案如图3-1所示，动触点2随着浮船1上下运动，分别与静触点3或者4接通后控制电磁阀6阀芯向左或是向右运动，打通不同的液压回路，从而达到控制目的。方案2：使用PSD位置敏感探测器红外三角测距原理传感器。位置灵敏探测器PSD (Position Sensitive Device)属于半导体器件。是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD的位置。入射光的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。PSD的主要特点是位置分

5、辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高， 处理电路简单、光敏面内无盲区，可同时检测位置的光强,测量结果与光斑尺寸和 形状无关。由于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，在位置、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。 方案3：使用电涡流位移传感器。电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高精度、高分辨力地测量被测金属导体表面距探头表面的相对位移变化。它是一种非接触的线性化计量工具。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。在所

6、有与机械状态有关的故障征兆中，机械振动测量是最具权威性的，这是因为它同时含有幅值、相位和频率的信息。机械振动测量占有优势的另一个原因是：它能反应出机械所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生磨擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。另外，电涡流位移传感器还具有一下两点有点：电电涡流传感器可以准确测量被测体(必怾是金属导体)与探头端面的相对位置。 2.方案比较方案1虽然机构简单，易于实现，但存在较大的误差，另外，农机本身的震动和工作环境是

7、比较差的，纯机械结构在机器工作一定时间后，容易因为疲劳而出现各种各样的问题，因此要频繁更换零件，从长远经济效益来考虑也不是最合理的。方案2中的这种传感器主要靠光学原理来进行测距，考虑到插秧机所出的工作环境，泥水较多，湿度较大，对光源的影响较大，虽然这种传感器使用越来越广泛，但在本设计中并不是很合理。方案3中，电涡流位移传感器长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型恐转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可分析出设备的工作状况和故障源头，有效地对设备进行保护及进行预测性维护。因此，本设计采用电涡流位移传感器进行信号采集

8、及分析。四·电涡流位移传感器的选择 1.传感器工作原理 传感器系统的工作机理是电涡流效应。当接通传感器系统电源时，在前置器内会产生一个高频电流信号，该信号通过电缆送到探头的头部，在头部周围产生交变磁场H1。如果在磁场H1的范围内没有金属导体材柞接近，则发射到这个范围内的能量都会全部释放；反之，如果有金属导体材柞接近探头头部，则交变磁场H1将在导体的表面产生电涡流场，该电涡流场就会产生一个方向与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，就会改变探头头部线圈高频电流的幅度和相位，即改变电感线圈的有效阻抗。这种变化既与电涡流效应有关，又与静磁场效应有关，即与金属导体的电导样、磁导样、几何形

9、状、线圈几何参数、激慈电流频率及线圈到金属导体的距果等参数有关。假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈金属导体系统的物理性质通常可由金属导体的磁导样、电导样、尺寸r，线圈与金属导体距果，线圈激磁电流强度I和频样等参数来描述。愁此线圈的阻抗可用函数Z=F(,r,I,)来表示。 如果控制、r、I、恒定不变，那么阻抗Z就成为距果的单值函数，由麦克斯韦尔公式，可求得此函数为非线性函数，其曲线为“S”形曲线，在一定范围内可近似为一线性函数。在实际应用中，通常是将线圈密封在探头中，线圈阻抗的变化通过封装在前置器中的电子线路的处理转换 成电压或电流输出。这个电子线路并不是直接测量线圈 的阻抗

10、，而是采用并联谐振法，见图4-2，即在前置器中将一个固定电容C 0和探头线圈Lx并联与晶体管T一起构成一个振荡器，振荡器的振荡幅度Ux与线圈阻抗成比，此振荡器的振荡幅度Ux会随探头与被测间距改变。Ux经检波虑波，放大，非线性修正后输出电压Uo，Uo与的关系曲线如图4-3所示，可以看出该曲线呈“S”形，即在线性区中点0处(对应输出电压U0)线性最好，其斜率(即灵敏度)较大，在线性区末端，斜率(灵敏度)逐渐下降，线性变差。(1，U1) 线性起点，(2，U2) 线性末点。 2.传感器的选择经测量浮船上下浮动在2030mm，经综合比较选择（参看附录）， 最终选定 广州精信仪表电器有限公司生产的JX20

11、XL传感器，JX20XL系列电涡流位移传感器是JX20系列产品的全新升级，采用更新工艺技术及零件组件，在继承JX20系列稳定可靠的优良性能的前提下，全面提升产品外观及内部品质，可完全替代美国本特利(BN)公司3300、3300XL系列产品。传感器技术参数如下：A: 探头直径：50mm 线性量程：25mm 非线性误差：2%B：动态特性： 频响：010kHz 幅频特性:01kHz衰减小于1%，10kHz衰减小于5% 相频特性:01kHz相位差小于10°，10kHz相位差小于100°C: 互换性误差5%D: 工作温度 探头：工作温度-50 +175°C 温漂0.05%/

12、°C 前置器：工作温度-50 +120°C 温漂0.05%/°CE: 工作介质：空气、油、水。F: 探头最大工作压力：12Mpa五·单片机、模数转换器的选择 1. 单片机选择 MCS-51单片机系列8031 2. 模数转化器及接口程序 (1).模数转化器选择 ADC0809 分辨率：8位。 模拟量输入通道：8路。 转换时间：100us。 总的不可调误差：在+-（1/2）LSB和+-1LSB之间。 电源：+5V。 模拟输入电压范围：单极性0+5V，双极性+-5V+-10V。 具有可控三态输出锁存器。 启动转换控制方式：正脉冲。上升沿使内部所寄存器清零，下降

13、沿使A/D转换开始。 (2).程序查询方式接口程序 模拟量由通道0输入，将其转化成对应的数字量后存入内部RAM的40H单元中。 ORG 1000H MOV A,#0 MOV DPTR,#7FF8H MOVX DPTR,A JB P3.2,$ MOVX A,DPTR MOV 40H,A END 3. 数模转换器选择、接口及正弦波程序 (1).数模转换器选择 DAC0832 是一种具有两个输入数据寄存器的8位电流输出型D/A转换器，电流稳定的时间为1us,可工作在单缓冲、双缓冲或直通方式下。采用单一电源供电（+5V+15V），能直接与MCS-51单片机相接，不需要附加任何其他I/O接口芯片。因只有

14、一路模拟量输出，故本设计采用单缓冲方式。因在随动系统中，控制量不仅与大小有关，还与控制量的极性有关，故本设计要求D/A转换器输出为双极性。(2).接口程序当P2.6=0MOV DPTR,#0BFFFHMOV A,#dataMOVX DPTR,A(3).正弦波程序将数字量转换为模拟量，正弦波稳定性好，电压为双极性电压SIN: MOV R7,#00HDAS0: MOV A,R7 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTRMOV DPTR,#0BFFFHMOVX DPTR,AINC R7LJMP DAS0TAB: DB 80H 83H 86H 89H 8DH DB 90H 93H 96H

15、 99H 9CHDB 9FH 0A2H 0A5H 0A8H 0ABH 0AEH.DB 69H 6CH 6FH 72H 76H 79H 7CH 80H六·整体方案设计 1.方案初定 【1】通过使用说明书知道，浮船出场有六个档位，1-2在软地工作，3出厂设置，4-6在硬地工作。 因此设定3档位为基准位置，由传感器测出其对应电压U0，当探头上下移动时电压Ui随着变。 将输出的电压Ui和U0进行比较，使用电压比较器。【2】将输出的模拟电压量输入到A/D转换器中进行转换，输出一个数字量，将此数字信息输入单片机内利用程序控制二极管的通断，来实现PLC按钮的接通与断开，从而控制线圈KM1和KM2的

16、接通与断开。【3】线圈KM1和KM2的接通与断开，可以控制三位四通电磁阀的左右移动，是的液压缸伸缩控制插值部得上下浮动。从而实现调节。【4】液压缸的运动图，如图6-1所示： 【5】初定方案系统原理、电路图 2.初定方案改进 在初定方案基础上，省略PLC部分，最终可得： 【1】改进后整体系统图 【2】改进后电路图七·三维仿真 1.仿真说明说明：此部位是为了服务与传感器工作而在原始机械结构上做出的合理改进。金属板与探头封装在壳体内部，且金属板相对壳体可以上下滑动，在保证传感器正常工作的前提下，避免了水田中泥水以及震动对传感器灵敏度的影响。 2.仿真结果展示附录一JX20XL电涡流传感器技

17、术指标：1.线性量程、线性范围、线性中点、非线性误差、最小被测面非线性误差指实际输出值与理论值(按标准特性方程计算)最大误值。2.平均灵敏度（线性范围内输出变化除线性范围）平均灵敏度误差：±53. 动态特性频响：010kHz幅频特性:01kHz衰减小于1%，10kHz衰减小于5%相频特性:01kHz相位差小于10°，10kHz相位差小于100°4.互换性误差5%5. 工作温度探头：工作温度-50 +175°C 温漂0.05%/°C前置器：工作温度-50 +120°C 温漂0.05%/°C6.工作介质：空气、油、水。7.探头最大工作压力：12Mpa附录二小组成员设计分工 方案分析设计：李晓 杜佳 金蓓 电路图系统图设计：金蓓 PPT设计：杜佳 设计说明书编写：李晓参考文献【1】单片机原理与接口技术/郭文川 主编，中国农业出版社，2007.8【2】液压与气压传动/姜继海 宋锦春 高常识 主编，高等教育出版社，2009.5【3】传感器原理设计及应用/刘迎春 主编，国防科技大学出版社，1989.2【4】0809单片机原理及应用/李杰猷