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• 本文标题：种肥电力式精密播种机.docx
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• 内容摘要：摘要在我国，玉米的需求量很大，播种质量的好坏是玉米产量高低的重要因素。我国的播种机主要是通过机械式链条传动，其动力来自于播种机的地轮与地面的摩擦阻力，播种机的传动结构包含链轮、链条、齿轮、轴和张紧装置等，由于传动部件较多，整体传动比难以保证，导致了传动的准确率大大降低。当种植株距发生变化时，链轮与链条需要手动拆换，即耗时又耗力。随着机械技术的发展，调速装置被广泛应用，但是并不能实现无级调速，而且机械部件都具有一定的寿命，改变传动比之后更加难以保证传动的准确性。要想解决以上问题就要改变传统的机械传动结构，本文采用电力驱动式精密排种器结构。其工作原理依靠传感器来传递地轮移动信息到单片机，然后由单片机控制排种器的转速进行排种。这样就省去了复杂的机械结构，而且通过C语言的程序编写、改变参数就可以改变播种的株距要求，实现无级调速。其动力来源由步进电机提供。这样的传动系统性能可靠、作业质量更加精确。关键字：电力驱动玉米播种机精密播种机AbstractInChinathedemandforcoisverylargeandthequalityofsowingisanimportantfactorintheoutputofco。TheplanterinChinaismainlydrivenbyamechanicalchainanditspowercomesfromthefrictionalresistancebetweenthegroundwheelandthegroundoftheplanter。Manytheoveralltramissionratioisdifficulttoguaranteeresultinginagreatlyreducedaccuracyofthetramission。Whentheplantspacingchangesthesprocketandchainneedtobemanuallyreplacedwhichistimecoumingandlaborinteive。Withthedevelopmentofmechanicaltechnologyspeedregulatingdevicesarewidelyusedbutcannotachievesteplessspeedregulationandthemechanicalcomponentshaveacertainlifeitismoredifficulttoeuretheaccuracyofthetramissionafterchangingthetramissionratio。Inordertosolvetheaboveproblemsthetraditionalmechanicaltramissiotructureneedstobechanged。Inthispaperthestructureofanelectricdrivenprecisioeedmeteringdeviceisadopted。Itsworkingprinciplereliesontheseortotramittheinformationofthemovementofthegroundwheeltothesinglechipmicrocomputerandthenthesinglechipmicrocomputercontrolstherotatiopeedoftheseedmetertoperformseeding。InthiswaythecomplicatedmechanicalstructureissavedandtheprogrammingoftheClanguageandthechangeoftheparametecanchangetheplantingspacingrequirementsandrealizethesteplessspeedregulation。Thepoweourceisprovidedbythesteppermotor。Suchatramissioystemhasreliableperformanceandmoreaccurateoperationquality。Keywords:electricdrivecoplanterprecisionplanter目录第一章绪论5第一节研究背景与意义5第二节国外玉米精密播种机研究现状62。1国外初期状况62。2国外现状62。3小结7第三节我国精密播种机的现状73。1我国起步阶段现状73。2我国目前主要的俩款玉米播种机83。3我国播种机在检测方面上的研究93。4我国播种机在自动控制上的研究11第四节小结12第五节论文主要研究内容及方法125。1主要研究内容125。2研究方法135。3技术路线14第六节本章小结14第二章电力驱动式精密播种机的部件设计与选择14第一节播种机的整体方案的确定15第二节工作原理15第三节技术难点16第四节本章总结16第三章电力驱动系统的设计16第一节电机的选择171。1电机种类与优缺点：171。2步进电机的简介171。3以下特点171。4步进电机的分类：181。5步进电机的选择原则：18第二节排种器的选择：192。1排种器种类与结构的介绍192。2工作原理202。3指夹片长度和宽度的选择21第三节排种系统结构设计21第四节采集地轮位移信号22第五节系统工作流程图24第六节传感器的选择：246。1增量式光电传感器的结构与原理：256。2编码盘旋转方向的辨别256。3增量式光电旋转传感器与单片机接口26第七节传感器地轮轴端的安装固定设计26第八节步进电机的驱动器的选择278。1步进电机与驱动器的接口电路设计278。2SUMTORELEC步进电机驱动器28第九节选择的单片机进行介绍309。1STC89C52特点介绍309。2各引脚的介绍：30第十节LCD1602液晶显示屏介绍3110。1LCD1602液晶简介3110。2外形3110。3主要技术参数3210。4实物接线图32第十一节总电路图：33第四章其他部件的选取33第一节平行四连杆仿形机构设计33第二节排肥器的选择342。1排肥器的种类与结构342。2外槽轮式排肥器的工作原理34第三节圆盘覆土器34第四节圆柱镇压轮35第一章绪论第一节研究背景与意义我国玉米种植面积从2009年到2015年逐年增长，2015年至今由于国家对种植结构调整政策的实行，调减一些地区的玉米种植面积[1]，开始出现小幅度波动的现象。2009年，玉米成为我国粮食作物种植面积最广的作物，到2015年种植面积高达3811。9万，产量为2。25亿吨，2016年播种面积为3675。9万，产量为2。20亿吨[2]，2017除了2016年的玉米产量供大于求暂时的虚假现象外，由于我国是70多亿的人口大国，长期粮食的储备供不上人们的需求截至2018年12月据国家统计局发布数据显示，2018年全国玉米种植面积又有小幅度上涨了600万[3]。随着玉米种植业的发展预计到2022年，我国玉米总产可能超过2。40亿吨[4]。而吉林省作为我国玉米主要种植区域，土壤肥沃水热资源富厚雨热同期有利于玉米成长（如图11）；数据显示2014年，吉林省的食粮总生产中玉米占其中的70%多其种植面积超过6600万亩，大约是本国玉米种植面积的11。5%，为本国玉米栽种面积最大的省区。吉林省在这种优良的的自然条件下，由于玉米的需求量增加，吉林省逐步的成为了玉米作物粮食基地[57]。图11吉林地区玉米地由于我国人口众多，土地资源有限，人均资源少，粮食供应需求量大，要想提高玉米产量很大程度上取决于播种作业的好坏。先进的播种机的研究固然成为关键。在深远的农业历史中，农业生产是人类赖以生存的根本。播种作为其重要的作业环节之一，是按照农业技术要求在规定的时间内对种子进行作业。所以，播种作业过程中，播种机作业性能的好坏对生产效率和种子出苗率有着直接的影响。第二节国外玉米精密播种机研究现状2。1国外初期状况国外自上个世纪四十年代就开始对精密播种机进行研究，精密播种机改变了传统发的条播，实现点播、穴播。相对于传统的播种机，它能够省掉开沟步骤、而且更加准确、迅速地将种子播种到预定位置，为作物的发育打下了良好的基础。除了完成传统的去茬、种植和施肥等工作外，还能够通过智能控制方便地调节播种的间距与深度。由于播种总会出现重播漏播的情况，所以法国最先研制出了一种机械式报警装置，并将其运用到气息式排种机上。其装备主要由金属弹片、弹簧、和金属部件组成，其中金属弹片安装在主动套上，当播种出现问题时，弹簧将其弹起并与金属部件接触发出响声用来报警[8]。早期，美国的DickeyJohn公司在20世纪60年代，就研发出了一种监控装置，器灵敏度相当高，它能够适用于不同的播种机，其光学检测传感器用于种子各个播种行的监测，其优点在于增加了实用性，但是存在一定的缺点:当尘土、杂质沾粘在探测装置上时，就会大大影响检测的准确性[9]。1995年波兰的播种机专家们就研发了一种电子控制系统，安装在UKS1型排种器上，如果更换作物、排种器，那么根据地轮半径和作业幅宽更改电子控制系统程序，使用这种监控系统就还能够对作业情况进行检测，其特点：适用性广、操作简单、节省工作时间[10]。前苏联研究并设计了CynH8型播种机，它的监控系统安装在种箱中，此系统能够完美的检测种子下落的高度。根据检测出的种子高度与设定值进行比较来发出不同的警报声。如果与设定的值不匹配，那么相应的指示灯就会亮[1112]。。南斯拉夫研究的MSK128。0的气力式垂直圆盘播种装置系统，其电子监控系统除了以上的功能外，还可以对播种量进行检测[13]。由于莴苣种子很轻很小，为了能够均匀的将种子播种，常用的方法就是将其丸粒化。但是此操作会延长种子的发芽时间，而且增加播种成本。国外一些专家将检测系统安装在排种管口处，或者另加一种排种装置作为备用，备用装置会在出现漏播状况时，能够补种[1417]。2。2国外现状目前，国外应用最为广泛的是美国的Cyclo500型播种机，其监控系统比较完善，它能够精确的检测每个排种器的工作状况，通过画面、报警的形式，让驾驶员清晰、全面的掌握工作状况。而且LED指示灯闪烁的变化时间还可以表示播种的间隔时间。驾驶员了解播种状况之后，就可以精准的调节种子下落的时间了。机电一体化和人工智能化在此播种机上得到了充分的体现[18]。2018年，国外就开始对机电驱动系统（EMDS）进行大量的实验与研究，主要包括种子的间距。能够实现最佳播种率，快速便捷的设置、同步和实时控制，在更高的是速度下也能实现，目前正在将其付诸实践[19]。2。3小结综上所述，国外对播种机的研发早很多，由普通的播种机，到机械式报警系统的研究，再到电子报警系统，主要是利用光电传感器，目前已经此技术已经很成熟了。再到高清摄像头监测。现今利用机电一体化和人工智能化技术来对播种机进行研究，但是技术含不够成熟，正在做田间试验，验证其性能与可靠性。第三节我国精密播种机的现状3。1我国起步阶段现状新中国成立以来，中国播种机的发展经历了四个阶段：引进和模仿，自主设计和开发，产品结构改进和快速发展。在1950年代后期，对旧的苏联24行播种机进行了建模。在此模型的基础上，对2BF24A24行播种机、BGF24、BGF24A和其他播种机进行了改进和完善。1962年，中国农业机械研究院，新疆陆军兵团建设与农业工程研究院等单位设计了六排精密棉花播种机。1973年，中国农业机械学会和十多个单位联合研发了粮食型2BL121624播种机。现已形成两个系列的联合播种机并开始使用。已经推广了许多用于谷物，大田作物，牧场和蔬菜的播种机和穴播机。同时，还开发了一系列精密播种机。1994年，于丽娟和高焕文研发了种肥侧位种肥分施的小麦播种机，它可以在小麦残茬进行工作。1995年，北京农业工程大学开发的小麦免耕机，具有种肥正位种肥分施特点。而当时国内的机械传动方式是由地轮提供动力，通过链条传动(如图12)，驱动排种器排种。又有一些专家们利用仿形装置传动系统。例如，2001年，吉林农业大学工程师刘庆福设计出仿形传动轮在垄上传递动力驱动排种器[20]。图12链条传动播种机3。2我国目前主要的俩款玉米播种机现今在我国最火的两种播种机为大华宝来2BMYFQ气吸式精密播种机（如图13）和勃农2BZM4型指夹式免耕播种机（如图14）。气吸式精密播种机能够进行播种、开沟、施肥等一系列工作。适用于多种农作物，例如，玉米、小麦等。而且工作效率高，成活率高，行距易于调节。勃农2BZM4型指夹式播种机具有高速免耕播种特性。同样也可以完成播种的联合作业。此播种机作业可以较大程度调节播种深度、株距、播种量和排肥量，这样使它的适用性更加广泛[21]。3。3我国播种机在检测方面上的研究我国研究播种机的起步比国外要晚一些，近二十多年才开始研究，但是发展状况也是非常可观，取得了不错的成果。我国的主要研究方向是监测播种的质量，对驱动形式的研究没有那么多。而且发现近几年，我国对精密播种机的研究逐年增加，开始引入各种智能技术。1996年，中国农业大学丁至成教授等人研究了一种播种均匀性检测系统。使用压电传感器将种子撞击效果的声音信号转换为脉冲信号，将此信号传递给8031单片机，并对不同的种子进行了均匀性播种试验。利用此系统检测，仪器精度很高，但是并没有投入现实当中实验[22]。1998年，刘淑霞教授利用MCS15单片机为技术核心，做出了播种机的检测系统，它能够通过对漏播与重播进行判断，发出不同的报警声音，并能够运算出重播率与漏播率，将其呈现在显示屏上。其特点是通用、成本较低、精度相对来说要高一些[23]。2006年，吉林大学马旭教授把光电技术应用到播种机的检测系统上。利用PROE技术确定传感器的参数，红外硅光电池电池裸片组作为受光器件。红外激光二极管作为光源。89C51单片机。并进行了抗干扰设计。并包含统计模块、报警模块与显示模块，并对整体系统性能做了实验检测。此装备能都准确检测重播和漏播的现象，但是也有一定的缺点：重堵塞、漏播到报警需要一定时间，且需要人工来调节排种盘。不能自动补偿漏播现象[24]。2011年，中国农业大学也是利用光电传感器制作了播种机。光电传感器系统用光敏二极管接受来自一字线激光器，光线的接收受种子的下落影响，将此信息转化成脉冲信号，进而检测播种过程。此装置配备了自动清洁系统，使得光电传感器的工作更加稳定、准确。由于贴片光敏二极管的间距的影响，能够检测直径大于2mm的种子，已经很精细了[25]。2011年，夏连明等人为了监测地轮的滑动，设计了一个基于ATMEGA16微机的硬件和软件组成的监控系统。在系统中，分别通过光电传感器和旋转编码器测量了地轮的实用和理论行驶距离，从而计算了滑动，并显示在LED上。该系统可以实现播种机工作时的滑动数据，这可以确保驾驶员随时能够识别工作条件。因此，提高作业的精度具有十分重要的意义[26]。2013年，李丹等人研发了一种玉米精密播种机，将红外传感器安装在排种管壁处，当播种机正常工作时，种子将遮挡住红外光，这样接收管发出低电平，当没有种子遮挡时，发出高电平信号。单片机通过接受不同的信号判断种子的下落情况。当为低电平时，计数器会进行计数处理。当超过一定时间没有计数时，报警系统就会提醒。此系统结构简单、较稳定，其精确度高达98。3%[27]。2016年，彭强吉等人研发了一种智能玉米播种施肥机，其相比于其他精密播种机多了精密施肥的功能。施肥的原理与播的是一样的，本研究利用了DSP控制技术。实时监控种肥的释放情况，漏播时能够实现补种行为。由于肥料易潮、腐蚀、粘性等特性，当出现堵塞时，能够及时报警、进行疏通。其主要特点就是能够及时报警，缺点是并不能自动排除故障问题[28]。2019年，齐齐哈尔大学机电工程学院王宇清等人用电容传感器对播种进行检测。由电容公式C=QU，当物体通过两平行板电容量C就会发生变化，由于系统的电压U不变，Q会随之发生变化，由I=Qt，经过电路中的电流就会变化，就可以判断种子是否下落，其转变为脉冲信号传给单片机[29]。2019年，贵州省山地农业机械研究所于尧利用位移传感器对播种机的播种状况进行检测。此研究运用了大量的传感器，如播种量和施肥量传感器、播种和施肥深度传感器、扭矩传感器、速度传感器、土壤紧实度传感器、土壤水分温度盐分传感器。以及高清摄像头。还有高清摄像头来观察播种的状况。此设计虽然摆脱了通用的光电传感器，但是结构与电路相当的麻烦[30]。2019年，湖北省职业技术教育学会重点项目利用三维可视技术设计了播种机，三维可视化技术是通过系统的处理使图像直观形象的让用户看到。在播种过程中，用CCD摄像头拍摄播种机的播种过程，三维可视化技术的作用是进行三维重构拍摄的图像，这样就可以直观的观察到实时的播种过程。项目负责人王社在此技术上加上光电传感器对播种机性能进行改善。此播种机还包括报警系统、自动补种功能。达到了98%的播种准确率[31]。20世纪初，吉林农业大学马旭、中国农业大学李伟就已经基于图像处理技术对其检测系统进行研究，但是并没有现在成熟[32]。此技术是现在科学界的热门，但是在农业领域还不够成熟而且成本相对高，不能运用到现实的工作中去。当前，在精密播种机上大约使用3种监视（如图15）和警报设备类型，它们是机械警报，机电信号警报和监视设备。大体上的方法有压电声电法、光电法、计算机视觉技术等。可以看出播种的检测主要用到的还是光电传感器，它较其他的传感器更加准确、结构简单。其他传感器在播种上的应用还有很大的空间可以提升。图15播种监控系统3。4我国播种机在自动控制上的研究20世纪90年代，我国才开始将自动控制系统应用到精密播种机中。这比国外晚了将近50年。但是国家越来越重视，政策的倾向与资金的支持，使我国的播种机的研究得到了快速的发展，如今播种机的研究已经达到了很高的热度。2004年，西南农业大学的何培祥等人以控制电磁振动排种器为核心，研制出穴盘精密播种机，采用光电传感器技术，检测排种盘上孔穴与秧盘的位置，通过接受与发射红外线来判断种子是否存在。由PIC16C57单片机和外部设备组成控制系统传感器的信号传过来后，利用控制信号来实现精确播种的要求。此装置更是达到了漏播率为零的成绩[33]。2009年，李庆荣研发的气力式水稻单粒精密播种机，通过机电一体化设计完成控制系统，利用电磁激振器振动实现种子的均匀下落。供给的种子通过负压一个一个被吸附，然后又利用正压将种子排出去。电磁激振器振动的启停。正负压的切换，其通过控制气缸的往复运动来实现。动力由步进电机来驱动。此系统主要的优点是去除供种中飞溅的干扰[34]。2017年，山东理工大学机械工程学院孙传祝教授研究出一套马铃薯精密播种机的自动控制系统(如图16)，薯种由输送带运输，利用液压马达来提供动力，采用步进电机来控制输送带的振动强度，由PCL控制液压马达，有效的降低了漏播率与重播率[35]。图16自动控制系统第四节小结综上可以看出，我国播种机械的发展趋势是精密播种机的大量使用、播种机的简化与创新、人工智能技术的应用。我国是农业大国，根据我国的政策，很多地区由原来的各家各户种植土地改为了由大户承包，因此土地种植更加区域化，为了种植的省时省力，精密播种机的推广是必然趋势。但由于我国的播种技术较国外还不够成熟，播种机的可靠性、经济性、使用的便捷性还不够完善，所以还需要进行深入的研究。如今各大高校与研究院对人工智能技术的研究很重视，人工智能的应用可使人们的生活更加方便，而且它的应用范围很广，能够在播种机械上投入使用也是很正常的。但是购入播种机的是农民，他们的收入很低，真正能发展到人工智能程度还是需要很长时间的。针对国内外的研究现状的调查分析，国内外的研究主要是对播种机的监控、漏播报警进行的研究，在电力控制系统方面的研究较少且不完善，且目前市场并未出现可以投入生产使用的电力驱动式播种机，因此论文提出电力驱动控制的思想，实现播种、施肥的精度和质量。第五节论文主要研究内容及方法5。1主要研究内容由于现今机械式链条传动复杂的结构，且易出现链条脱落、断裂等问题，论文研究的播种机提出电力驱动控制的思想，实现播种、施肥的精度和质量。该系统利用步进电机（动作电压12V）驱动排种器，依靠传感器对地轮的位移采集信号传递给自动控制系统，产生脉冲信号到步进电机实现播种作业。此电力驱动式玉米种、肥精密播种机具有方便调节株距、播种均匀、准确变异系数小等特点。提供了一种可持续高速作业新装备的方法，为我国农机发展有一定帮助。具体研究内容如下：排种器的选择与控制；步进电机的挑选与控制；步进电机驱动器的挑选；传感器的选择；总体电路的绘制控制程序的编写排肥器、镇压、开沟器、覆土器等的选择；5。2研究方法（1）借鉴国内外对精密播种机的研究产品的技术基础上，务实创新，创造出能够应用与吉林省地区的电力驱动式播种机，在此基础上，要求结构尽量简单、具有很好的通用性。（2）全面了解现有的农业技术，并能够灵活运用到实际研发中去，将它们的效果达到最大化。增加精密播种机的实用性、先进性和可行性，实现成本低耗能少、操作简单等目标。5。3技术路线图17技术路线图第六节本章小结本章主要讲诉了论文研究的背景与意义，对电力驱动式玉米种、肥精密播种机的主要内容进行介绍：针对国内外的研究现状的调查分析，现今主要是对检测、报警的研究，而且传统的机械链条传动存在很多问题，自动控制方面很少，因此电力控制方面的研究具有很大的前景与未来；。。。
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