基于單片機(jī)的棉花打頂機(jī)打頂高度的控制研究

何 靜

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120)

基于單片機(jī)的棉花打頂機(jī)打頂高度的控制研究

何 靜

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120)

打頂是棉花生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，可以去除頂端優(yōu)勢(shì)，提高棉鈴的數(shù)量和質(zhì)量。人工打頂?shù)膭趧?dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致人力成本上升，成為棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的瓶頸。研制作業(yè)精準(zhǔn)度高、適用性廣的棉花自動(dòng)打頂機(jī)械可以解決上述問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。為此，研制了一種基于單片機(jī)的棉花打頂高度控制系統(tǒng)，采用超聲波和傳感器進(jìn)行株高測(cè)量，包括控制模塊、株高測(cè)量裝置、速度感應(yīng)裝置、升降裝置和打頂裝置。室內(nèi)的適應(yīng)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)70～95cm高度范圍內(nèi)的棉花植株具有較好的適應(yīng)性。該控制系統(tǒng)裝載在3MDZ-1型棉花打頂機(jī)上，田間試驗(yàn)結(jié)果表明：在3.0km/h速度下的打頂效率最高，打頂率達(dá)到88%，每小時(shí)能夠完成約0.7km2面積的棉花打頂作業(yè)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)用性和適應(yīng)性較好，可以作為棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的技術(shù)支撐。

棉花打頂；高度控制；單片機(jī)；超聲波

0 引言

棉花是紡織工業(yè)的主要原料，作為經(jīng)濟(jì)作物在我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)活動(dòng)中占有重要地位。棉花廣泛種植在我國(guó)的黃河中下游、長(zhǎng)江中下游和新疆地區(qū)，我國(guó)棉花種植總面積僅次于印度和美國(guó)，位列世界第三。但是,近年來(lái)，我國(guó)棉花的種植規(guī)模和產(chǎn)量有下降的趨勢(shì)，而種植成本增加導(dǎo)致的收益減少是重要原因之一。

打頂是棉花生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)重要的增產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以去除棉花生長(zhǎng)過(guò)程中的頂端優(yōu)勢(shì)，使更多的水分和營(yíng)養(yǎng)成分應(yīng)用于棉花的生殖生長(zhǎng)，提高棉鈴的數(shù)量和質(zhì)量[1]。目前，棉花的打頂主要有化學(xué)控制和人工打頂兩種方式。化學(xué)控制是通過(guò)噴灑化學(xué)打頂劑來(lái)控制棉花的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，技術(shù)性較強(qiáng)，但打頂效果會(huì)受到棉花品種和天氣的影響。此外，反復(fù)的噴灑作業(yè)使得機(jī)械對(duì)田塊造成有害壓實(shí)，妨礙了持續(xù)性的耕作。部分化學(xué)打頂劑對(duì)人畜健康和環(huán)境是有害的，因此這一方法的大規(guī)模應(yīng)用還存在爭(zhēng)議。人工打頂?shù)姆绞讲粫?huì)帶來(lái)上述的問(wèn)題，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率較低，導(dǎo)致人力成本上升，使得打頂成為棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的瓶頸[2]。

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念的興起和發(fā)展，自動(dòng)化物理打頂方法正在成為研究熱點(diǎn)。研制作業(yè)精準(zhǔn)度高、適用性廣的作物自動(dòng)打頂機(jī)械，不僅可以解決上述傳統(tǒng)方式所面臨的問(wèn)題，還順應(yīng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。煙草也是一種需要打頂?shù)慕?jīng)濟(jì)作物，目前其智能化的打頂抑芽機(jī)械及相關(guān)技術(shù)也得到了全面的研究[3-5]。在棉花打頂作業(yè)上，我國(guó)的科研院校和一些棉花生產(chǎn)企業(yè)都進(jìn)行了智能打頂相關(guān)技術(shù)的研究，并應(yīng)用到各種型號(hào)的打頂機(jī)械上；但這些機(jī)械大多停留在試驗(yàn)階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。目前，棉花打頂機(jī)械的廣泛應(yīng)用主要是受到以下因素的制約：①棉田的自然環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)過(guò)程中的機(jī)械振動(dòng)和塵土雨露都會(huì)對(duì)打頂作業(yè)的效果產(chǎn)生影響；②一般的機(jī)械對(duì)棉花植株實(shí)際高度的測(cè)量精確度有限，影響了打頂?shù)木_度，存在漏打和過(guò)打頂?shù)膯?wèn)題[6-9]。

物理光學(xué)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體高度的快速精確測(cè)量，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的有激光、超聲波、圖像處理和光電技術(shù)等，而在棉花的株高測(cè)量上使用的主要是激光和超聲波技術(shù)。超聲波是一種機(jī)械波，在空氣中的傳播速度與空氣一樣為340m/s。超聲波的頻率高、波長(zhǎng)短，能量和方向都比較集中，在遙感測(cè)繪領(lǐng)域中用途廣泛。用于長(zhǎng)度、高度測(cè)量的超聲波頻率為40kHz，測(cè)量距離在幾米至幾十米之間。超聲波的收發(fā)裝置都有其固定的頻率，因此無(wú)需加裝選頻電路就能獲得很強(qiáng)的抗干擾性能。利用超聲波測(cè)距的方法有多種，根據(jù)棉花株高測(cè)量的具體情況，選擇脈沖回波法最為合適。該方法是利用脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波，到達(dá)被測(cè)植株頂端后形成反射回波，返回到接收傳感器；根據(jù)超聲波的傳播速率和傳播時(shí)間計(jì)算其傳播的距離，該距離的1/2即為傳感器與植株頂端的距離。

李霞等人通過(guò)標(biāo)定的傳感器發(fā)出超聲波獲取棉花圖像并測(cè)量株高，在進(jìn)一步分析和修正了誤差后，可以為打頂機(jī)的自動(dòng)化控制提供技術(shù)支持[10]。隨后，他們將該技術(shù)整合到了打頂機(jī)械上，分析了其在實(shí)踐應(yīng)用中需要解決的具體問(wèn)題，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望[11]。此外，孫杰設(shè)計(jì)了一種基于激光對(duì)射技術(shù)的棉花打頂高度自動(dòng)控制系統(tǒng)并應(yīng)用到打頂機(jī)械上。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：其能夠代替人工完成棉花打頂，并具有更高的作業(yè)效率[12]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)正在向著精準(zhǔn)化和智能化發(fā)展，各種傳感器和芯片開(kāi)始與農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)合，大幅度地提高了作業(yè)的效率和質(zhì)量。目前，國(guó)內(nèi)研制并進(jìn)行試驗(yàn)的棉花打頂機(jī)打頂精度普遍不高，成為提升打頂作業(yè)質(zhì)量的限制因素。為此，本文研制了一種基于單片機(jī)的棉花打頂高度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用超聲波和傳感器進(jìn)行株高測(cè)量，并裝載在打頂機(jī)上進(jìn)行室內(nèi)和田間的打頂高度控制試驗(yàn)，能夠精確地去除棉花頂芯，提高棉花產(chǎn)量，進(jìn)一步優(yōu)化后可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

將新的打頂高度控制系統(tǒng)裝載在棉花打頂機(jī)上，利用超聲波回波脈沖法進(jìn)行棉花的株高測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)傳到由單片機(jī)組成的控制模塊中計(jì)算出結(jié)果；然后，根據(jù)棉花株高數(shù)據(jù)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，通過(guò)升降系統(tǒng)對(duì)打頂裝置的位置進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。同時(shí)，安裝在牽引拖拉機(jī)地輪上的速度感應(yīng)裝置獲取牽引機(jī)械的行進(jìn)速度，由單片機(jī)根據(jù)行進(jìn)速度控制打頂裝置的升降速度，實(shí)現(xiàn)精確打頂。

1.2 總體設(shè)計(jì)

高度控制系統(tǒng)裝載在3MDZ-1型棉花打頂機(jī)上，前懸掛裝置由江蘇750H型高地隙寬輪距拖拉機(jī)牽引，拖拉機(jī)輸出功率70kW。750H型拖拉機(jī)一次牽引打頂機(jī)3臺(tái)，控制打頂機(jī)的操作顯示屏裝載在拖拉機(jī)上，打頂機(jī)由拖拉機(jī)上的蓄電池提供電源和動(dòng)力。打頂高度控制系統(tǒng)的組成部分包括控制模塊、株高測(cè)量裝置、速度感應(yīng)裝置、升降裝置和打頂裝置，各模塊和裝置之間的連接如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)工作流程Fig.1 Working flow chart of the control system

2 系統(tǒng)組成

株高測(cè)量裝置安裝在打頂機(jī)支架的上方，由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器和電位器電路組成。超聲波發(fā)射器在單片機(jī)脈沖信號(hào)的激勵(lì)下向下發(fā)出超聲波，遇到植株頂端后反射回波至接收器，再由單片機(jī)處理計(jì)算得到與植株頂端之間的距離。同時(shí)，電位器電路測(cè)量出裝置與地面之間的距離，減去前者便得到植株的高度。棉花株高測(cè)量裝置工作原理如圖2所示。

圖2 株高測(cè)量裝置工作原理Fig.2 Working principle of the plant height measuring device

速度感應(yīng)裝置是安裝在拖拉機(jī)地輪上的YS41E型霍爾元件，可以采集離合器輸出軸行進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)；然后，將其輸入到控制模塊中，計(jì)算拖拉機(jī)的行進(jìn)速度，并據(jù)此控制打頂裝置升降的速度。

升降裝置包括上下橫梁、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸桿、螺桿和螺母。螺桿的兩端分別固定在上、下橫梁上，步進(jìn)電機(jī)依照單片機(jī)的指令輸出動(dòng)力，通過(guò)連軸桿帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)。螺桿的旋轉(zhuǎn)方向和快慢都可進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而引起套在其上的螺母的上下移動(dòng)，螺母上下移動(dòng)的方向和距離由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)決定?？刂颇K通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺母的定量移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)與螺母連接的打頂裝置位置的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

打頂裝置主要由底座、伺服電機(jī)、軸承和打頂?shù)镀M成。底座的兩端通過(guò)滑塊固定在支架的導(dǎo)軌上，保證移動(dòng)的垂直性，中間連接升降裝置的螺母。伺服電機(jī)安裝在上端，為軸承提供動(dòng)力，帶動(dòng)軸承下端的打頂?shù)镀咚傩D(zhuǎn)完成打頂作業(yè)。打頂?shù)镀瑸閹т忼X的圓盤(pán)刀，單項(xiàng)旋轉(zhuǎn)，削切效果好。打頂裝置的打頂量和刀片轉(zhuǎn)速在操作顯示屏上設(shè)定，由升降裝置和伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先在室內(nèi)檢驗(yàn)該打頂高度控制系統(tǒng)對(duì)不同高度棉花植株的適應(yīng)性，具體方法是選擇高度在70～75、75～80、80～85、85～90和90～95cm之間的棉花植株各20株，設(shè)定5cm的打頂量進(jìn)行打頂作業(yè)。測(cè)量棉花植株打頂前后的株高，計(jì)算打頂量后比較分析。

田間試驗(yàn)在本單位處于華北平原中部棉花種植區(qū)的試驗(yàn)田中進(jìn)行，土壤類(lèi)型為黃潮土。試驗(yàn)田面積0.5hm2，未用大型機(jī)械整理平整，地勢(shì)有輕微的起伏。使用的棉花品種為豫棉10號(hào)，種子從當(dāng)?shù)氐氖袌?chǎng)購(gòu)買(mǎi)。農(nóng)業(yè)機(jī)械為3臺(tái)裝載打頂高度控制系統(tǒng)的3MDZ-1型棉花打頂機(jī)，設(shè)定打頂量為5cm。打頂機(jī)由江蘇750H型高地隙寬輪距拖拉機(jī)牽引，拖拉機(jī)輪距調(diào)為2.28m，前后輪寬分別為0.2m和0.25m，地隙為1m，高于豫棉10號(hào)0.85m的株高，能夠滿足作業(yè)的要求。棉花的種植行距0.76m，株距0.1m，呈帶狀種植，機(jī)械正好可以同時(shí)完成3行棉株的打頂作業(yè)。

打頂機(jī)械在田間勻速前進(jìn)完成棉花打頂試驗(yàn)，每次的作業(yè)長(zhǎng)度為100m。分別設(shè)定2.0、2.5、3.0和3.5km/h共4個(gè)作業(yè)速度，每個(gè)速度重復(fù)4次。每次重復(fù)中選取25個(gè)棉花植株測(cè)量打頂前后的株高，計(jì)算打頂量、相關(guān)系數(shù)和打頂率。打頂量為植株打頂前與打頂后的高度差，相關(guān)系數(shù)為所有植株打頂前高度與打頂后高度之間的相關(guān)系數(shù)，打頂率為被打頂植株在被統(tǒng)計(jì)植株中所占的比例。最后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，比較機(jī)械在不同速度下的打頂作業(yè)質(zhì)量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

通過(guò)室內(nèi)對(duì)不同高度棉花植株的適應(yīng)性檢驗(yàn)可以看出：該控制系統(tǒng)對(duì)70～95cm高度范圍內(nèi)的棉花植株打頂時(shí)，打頂量在4.8～5.2cm的范圍內(nèi)，與設(shè)定值5cm相差不大，說(shuō)明該機(jī)械能按照設(shè)定的打頂量對(duì)70～95cm高度范圍內(nèi)的棉花植株進(jìn)行精確打頂，具有較好的高度適應(yīng)性。室內(nèi)不同高度棉花植株打頂?shù)脑囼?yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 室內(nèi)對(duì)不同高度棉花植株的打頂量

田間試驗(yàn)中，裝載打頂高度控制系統(tǒng)的打頂機(jī)在4種不同速度下進(jìn)行打頂作業(yè)，每個(gè)速度下共調(diào)查了100株棉花植株。隨著打頂作業(yè)速度的提高，打頂量由5.3cm減小到4.3cm。其中，3.5km/h速度下的打頂量偏離5.0cm的設(shè)定值較大，2.5km/h和3.0km/h行進(jìn)速度下的打頂量接近于設(shè)定值。棉花植株打頂前后株高的相關(guān)系數(shù)和打頂率也隨著速度的增加而逐漸下降，將打頂速度和質(zhì)量綜合考慮，則該系統(tǒng)在3.0km/h速度下的打頂作業(yè)效率最高，打頂量符合設(shè)定值，打頂率達(dá)到88%。以此速度計(jì)算，該機(jī)械每小時(shí)能夠完成約0.7km2面積的棉花打頂作業(yè)。

田間試驗(yàn)過(guò)程中，裝載打頂高度控制系統(tǒng)的打頂機(jī)在4種不同速度下的棉花打頂作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 機(jī)械在不同速度下的打頂質(zhì)量

4 結(jié)論

利用超聲波脈沖回波法測(cè)量株高，以AT89C型單片機(jī)作為控制模塊的核心，設(shè)計(jì)了一種棉花打頂高度的自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括控制模塊、株高測(cè)量裝置、速度感應(yīng)裝置、升降裝置和打頂裝置，總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。室內(nèi)的適應(yīng)性檢驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)對(duì)70～95cm高度范圍內(nèi)的棉花植株都能按照設(shè)定的打頂量進(jìn)行精確打頂，具有較好的高度適應(yīng)性。

該控制系統(tǒng)裝載在3MDZ-1型棉花打頂機(jī)上，由江蘇750H型高地隙寬輪距拖拉機(jī)牽引。田間試驗(yàn)表明：系統(tǒng)在3.0km/h速度下的打頂效率最高，打頂率達(dá)到88%，每小時(shí)能夠完成約0.7km2面積的棉花打頂作業(yè)。

機(jī)械在室內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)下的打頂精度很高，而在田間行進(jìn)狀態(tài)下的打頂精度有不同程度的降低，說(shuō)明田間復(fù)雜的自然環(huán)境和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)仍然會(huì)對(duì)作業(yè)的質(zhì)量產(chǎn)生影響，這也是棉花打頂機(jī)繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)的一個(gè)方向?？傮w而言，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，技術(shù)水平較高，實(shí)用性和適應(yīng)性都較好，可以作為棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的技術(shù)支撐。

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ID:1003-188X(2018)02-0188-EA

Study on the Control of Topping Height of Cotton Toping Machine Based on Single - chip Microcomputer

He Jing

(Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 401120,China)

Abstract： Topping is an important part of the cotton production process, you can remove the top edge, improve the number and quality of bolls. Labor topping the labor intensity, resulting in rising labor costs, as the full mechanization of cotton production bottlenecks. Therefore, the development of high precision, wide applicability of cotton automatic topping machinery can solve these problems, has broad application prospects. In this paper, a control system based on single chip microcomputer is designed. Ultrasonic and sensor are used to measure the height of the plant. The components include the control module, the height measuring device, the speed sensing device, the lifting device and the topping device. The adaptability test showed that the system had a good adaptability to the cotton plants in the height range of 70-95 cm. The control system was loaded on the 3MDZ-1 type cotton top-dressing machine. The field test results showed that the topping efficiency was the highest at the speed of 3.0km / h, the topping rate was 88%, and the cotton area was about 0.7km2 per hour. Top job. The system structure design is reasonable, practical and adaptable, can be used as cotton production throughout the mechanization of technical support.

cotton topping; height controll; single-chip microcomputer; ultrasonic

2016-12-12

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1503401)

何 靜(1982-)，女，重慶人，講師，碩士，(E-mail)llnngw@163.com。

S224.1+49

A

1003-188X(2018)02-0188-04