變量撒肥機關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)及其控制系統(tǒng)搭建,農(nóng)業(yè)機械化論文

變量撒肥機關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)及其控制系統(tǒng)搭建,農(nóng)業(yè)機械化論文糧食生產(chǎn)在很大程度上依靠于作物品種的改良、生產(chǎn)技術(shù)的完善,以及施肥量、施肥效率的提高[1].生產(chǎn)實踐表示清楚,在作物不同生長階段,因地制宜施用肥料已經(jīng)成為農(nóng)事活動十分是作物增產(chǎn)措施的重要內(nèi)容[2].合理利用化肥及研究施肥技術(shù)對我們國家農(nóng)業(yè)發(fā)展有著非常積極的意義[3].變量施肥技術(shù)是精到準(zhǔn)確農(nóng)業(yè)的重要組成部分,它根據(jù)作物生長的實際需要,基于科學(xué)的施肥方式方法(如養(yǎng)分平衡施肥法、目的產(chǎn)量施肥法等)對作物進行變量投入,即按需投入[4].實踐表示清楚,變量施肥可大大地提高肥料利用率、減少肥料的浪費以及多余肥料對環(huán)境的不良影響,具有顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益.但傳統(tǒng)的人工撒施肥料不僅施肥勞動強度大、生產(chǎn)效率低,而且施肥均勻性差;現(xiàn)有的撒肥機械當(dāng)車速變化時,由于不能及時地改變排肥量,使得施肥量隨車速增大而減少,不能知足農(nóng)藝技術(shù)要求.研究表示清楚,對于既定排肥口形狀(如圓形、長方形、正方形等),排肥口開度與排肥量之間并非線性關(guān)系.為了提高撒肥機的施肥質(zhì)量,本文對變量撒肥機關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)(肥料高度對施肥量的影響、排肥口開度對施肥量的影響)進行研究,并在這里基礎(chǔ)上設(shè)計一種基于單片機的小型變量撒肥機控制系統(tǒng).1關(guān)鍵參數(shù)確定1.1肥料高度對施肥量的影響變量撒肥機的肥箱有多種構(gòu)造,如圓筒形、圓錐形、方錐形、方形等.在實際應(yīng)用中,方錐形的肥箱應(yīng)用最廣泛,因而選擇一種方錐形的肥箱來研究肥料高度對施肥量的影響.將固體顆粒肥料在排肥口開口大小一定的情況下,在肥箱內(nèi)肥料平面下面的不同高度測其流量,每次取10個不同高度,測得10個流量值,通過8次實驗所得數(shù)據(jù)如此圖1所示.從圖1看出,流量和高度之間不成比例函數(shù)關(guān)系,流量始終在0.100kg/s左右,上下浮動不超過10g,偏差范圍不超過1%.因而,高度對流量影響不大,在實際應(yīng)用中能夠不考慮高度對施肥量的影響.1.2出肥口開度對施肥量的影響排肥口形狀有圓形、長方形、正方形多種形式,本次試驗排肥口選擇為長方形,試驗所用肥料為普通顆粒尿素.將一樣質(zhì)量、一樣種類的固體顆粒肥料放入肥箱中,分別在排肥口總開度S0的2/10、3/10、4/10、5/10、6/10、7/10、8/10、9/10、10/10時測量肥料流完需要的時間,重復(fù)進行5次,求其平均值;然后將不同排肥口開度排完定量體積肥料的時間換算成單位時間的排肥量(流量),得到排肥量與排肥口開度之間的關(guān)系,如此圖2所示.從圖2能夠看出:所選用顆粒狀肥料在長方形排肥口條件下,排肥口開度與排肥流量之間并不是線性關(guān)系(閥門移動距離越大,排肥口開度越大),而是呈拋物線函數(shù)關(guān)系.這表示清楚,隨著所需流量的變化,排肥口開度也要符合拋物線函數(shù)關(guān)系變化,才能提高施肥質(zhì)量.本機構(gòu)中施肥機每公頃的排肥量Q(kg)為根據(jù)擬合曲線得到關(guān)系式如式(2),R的檢驗值為0.9916,達(dá)顯著水平,表示清楚式(2)可用于本實驗裝置排肥量修正.式(2)為華而不實,q為排肥量,kg/s;v為機具前進速度,m/s;B為施肥機行走距離,m;s為閥門移動距離,m.每一種變量施肥機排肥口形狀和尺寸不盡一樣,在不同的撒肥機設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際排肥口尺寸再做實驗,確定其函數(shù)關(guān)系.2撒肥機的硬件選擇與設(shè)計2.1撒肥機的整體構(gòu)造變量撒肥機由車速信息采集系統(tǒng)、單片機控制電路、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、排肥設(shè)備等4部分組成.車速信息采集系統(tǒng)由電磁傳感器來完成,通過采集機具的運行速度和設(shè)定的肥料施撒信息一起輸入單片機控制電路,經(jīng)過運算得出所需的脈沖數(shù);將這個脈沖數(shù)輸入步進電機的驅(qū)動器,控制步進電機變速轉(zhuǎn)動,進而改變排肥口的大小,按需輸出肥料.其變量施肥機控制構(gòu)造如此圖3所示.當(dāng)前,微控制器的型號和種類有很多(如M3系列、MSP430系列、STC51系列等),每一款微控制器都有自個的優(yōu)勢和適用的環(huán)境.本次設(shè)計對微控制器的要求主要有:1)穩(wěn)定.系統(tǒng)工作環(huán)境比擬復(fù)雜,溫濕度變化大,而且灰塵比擬大,要求微控制器能夠在較復(fù)雜環(huán)境下正常工作.2)控制能力強.本系統(tǒng)中機電設(shè)備較多,包括兩個行走電機和一個物料投放控制電機,還包括行駛路程檢測等,這就要求選用的微控制器具有強大的控制能力.3)較高的運行速度.系統(tǒng)中需要控制器對物料質(zhì)量、行駛路程做出準(zhǔn)確而快速的判定,及時調(diào)整行駛速度和物料投放速度.根據(jù)以上實際需求,本系統(tǒng)選用工業(yè)級STM32F103R8T6作為本系統(tǒng)的核心微控制器.該微控制器包含一個主頻為72MHz的ARM32-bitCorte-xTM-M3核心,存儲空間包含128kbFlash和20kbSRAM,43個中斷源,最多47個可用I/O,包含有多個PWM輸出單元;除此之外還包含有豐富的接口模塊,如I2C接口、UART和CAN等,寬工作電壓,2.0~3.6V皆可正常工作.2.2控制系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)要求,整個單片機控制電路包括機具作業(yè)速度信號輸入及控制脈沖輸出等部分.2.2.1撒肥機行程和作業(yè)速度的采集在本次設(shè)計中,機具的作業(yè)速度是一個不可忽略的因素.行程和車速檢測一般都是采用光電傳感器或電磁傳感器記錄車輪或主軸轉(zhuǎn)動圈數(shù)的方式方法.本設(shè)計選用的是電磁傳感器,在主動輪上安裝永磁體,通過霍爾開關(guān)記錄車輪轉(zhuǎn)動圈數(shù);用單片機對單位時間內(nèi)脈沖進行檢測,測得到運行時的車速.選用的霍爾傳感器為OH44E,該傳感器體積小、功耗低、電路簡單、便于安裝.行程和車速檢測電路主要由霍爾傳感器和比擬器組成,應(yīng)用電路如此圖4所示.2.2.2控制脈沖輸出由于步進電機的驅(qū)動電源具有功率放大電路和脈沖分配器,因而單片機輸出給步進電機的僅為5V電源和控制脈沖信號.5V電源與步進電機的驅(qū)動電源共地,實現(xiàn)脈沖壓差,到達(dá)了高低電平的轉(zhuǎn)換[5].3控制軟件設(shè)計本設(shè)計以C語言為開發(fā)平臺,開發(fā)變量施肥機控制系統(tǒng)[6].該系統(tǒng)可根據(jù)車速的變化而改變施肥口開度大小,并對不同施肥口開度施肥流量用所得修正函數(shù)(公式2)進行修正,進一步提高施肥質(zhì)量.其控制系統(tǒng)流程圖如此圖5所示.4結(jié)束語1)對于固定施肥量的撒肥機,機組前進速度的變化會導(dǎo)致施肥量變化.因而,撒肥機的施肥量應(yīng)根據(jù)車速的變化自動改變施肥量,即變量施肥.2)本研究對肥料高度對施肥量、排肥口開度對施肥量的影響進行了實驗研究.實驗結(jié)果表示清楚,肥料高度對施肥量對施肥影響不大,在撒肥機設(shè)計中能夠忽略不計;但排肥口開度對施肥量有較大影響,在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)加以控制.3)基于單片機的撒肥機控制器,能夠知足撒肥機變量控制需要,變量控制顯著提高施肥精度[7].以下為參考文獻(xiàn):[1]段潔利,李君,盧玉華.變量施肥機械研究現(xiàn)在狀況與發(fā)展對策[J].農(nóng)機化研究,2018,33(5):245-248.[2]龔艷,丁素明,付錫敏.我們國家施肥機械化發(fā)展現(xiàn)在狀況及對策分析[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)研究,2018,9(5):6-9.[3]馬旭,馬成林,桑國旗,等.變量施肥機具的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005,36(1):50-53.[4]張偉.農(nóng)業(yè)發(fā)展的新課題精到準(zhǔn)確農(nóng)業(yè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1997,