播种机播量控制与排种性能监测系统的设计与试验

摘要

伴随着经济和社会发展水平的进步，中国农业现代化水平不断提高，由传统的粗犷、低效农业向现代精准、高效农业发展。精准和高效农业是通信、网络、生物及农业等技术深度融合的新型农业。精密播种机播量控制系统和排种性能监测系统能够提高播量的控制精度，改善播种质量，对播种过程中出现的异常情况及时报警，同时还能够节约劳动力，降低生产成本，在现代化精准农业发展进程中具有深远的战略意义。 当前国内大多播种机采用地轮驱动排种机构的机械式驱动方式，导致其工作在有残茬覆盖或者含水率较高的地表时容易打滑，进而引发株距不均匀、播量不准等问题;并且国内普遍采用的机械式播种机通常采用人工调节传动机构的传动比来达到调节播种株距的目的，此种方式不仅调节麻烦，且无法实现无级调节的目的。此外，由于播种机作业过程处于相对封闭的状态，仅靠人眼很难直接观察到具体的播种工况，一旦发生漏播、重播现象就会严重影响作物产量。针对以上问题，本课题组在现有研究基础之上，采用红外传感技术、单片机技术、PID控制技术相结合的方法，研究了精密播种机播量控制系统和排种性能监测系统。具体的研究内容和研究成果如下: (1)对传统播种机的机构进行优化改造:结合农机制造提倡的“一机多用、复合作业”的理念，改装了江苏省丹阳市欣田农业机械有限责任公司生产的2BXF-12A型旋耕开沟播种一体机，在保留该机械播种、旋耕、整压、开沟功能的基础上，重点对播种机的驱动方式进行了改造。播种机排种轴的驱动方式由原来的机械链式传动改为直流电机驱动，实现排种轴转速与播种机行进速度的匹配，并实现无极调节排种轴转速。在此基础之上，所有输种管均安装排种性能监测系统。 (2)精密播种机播量控制系统的构建:控制系统作为播种机精密播种的核心，主要完成车载传感器信号的采集和排种轴转速的无级控制。该系统由主控机构、播量调节执行机构、数码管显示机构以及车载信号采集机构四部分组成。按照分布式系统设计理念，将系统主要功能模块封装为独立功能的单元，构建成一个便于拓展的分布式控制系统。该系统的软件设计采用模块化编程思想，主要包括主程序、信息采集子程序、驱动子程序、显示子程序以及PID控制算法子程序。 (3)精密播种机排种性能监测系统的构建:监测系统主要包含信号采集模块、主控模块、界面显示和声光报警四大部分。该系统以红外传感器作为信号采集端，采用STM32F103系列单片机作为控制核心。播种过程中若出现的漏播、重播故障，对应播种通道号的LED灯会被点亮，且通道号会显示在数码管上，提醒机手及时采取措施，减少农业损失。 (4)开展了精密播种机播量控制系统和排种性能监测系统的相关试验，试验结果表明:控制系统能够根据机具行进速度实时调节排种轴的转速，排种轴的实际转速与目标转速的误差较小，控制精度高，响应速度快，各项指标均符合精密播种行业规范。监控系统针对单粒播种的农作物，通过大量试验表明，其监测精度较高，工作稳定。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景

1．2国内外控制与监测系统研究现状

1．2．1国外控制与监测系统研究现状

1．2．2国内控制与监测系统研究现状

1．3研究目的及意义

1．4本课题的研究内容与技术路线

1．4．1研究内容

1．4．2技术路线

1．5本章小结

第二章控制和监测系统的总体方案设计

2．1控制与监测系统的设计目标

2．2影响播种机排种均匀性的主要因素

2．3播种机排种性能的主要技术指标

2．4控制与监测系统总体方案的确定

2．4．1控制系统的硬件与软件总体方案的设计

2．4．2监测系统的硬件与软件总体方案的设计

2．5本章小结

第三章控制系统的硬件设计

3．1控制系统的工作原理

3．2单片机的选取

3．3直流电机的结构及选型

3．4控制系统独立模块的设计

3．4．1驱动模块的设计

3．4．2速度检测模块的设计

3．4．3数码管显示模块的设计

3．4．4按键模块的设计

3．4．5保护电路的设计

3．5本章小结

第四章控制系统的软件与算法设计

4．1编程语言与开发环境的介绍

4．2 PID算法设计

4．2．1 PID控制原理

4．2．2 PID控制算法

4．2．3采样周期的选择

4．2．4 PID参数整定

4．3控制系统主程序设计

4．4控制系统子程序设计

4．4．1速度信息采集子程序

4．4．2 PID控制算法子程序

4．4．3显示子程序

4．5本章小结

第五章监测系统的硬件与软件设计

5．1监测装置的设计及原理

5．2监测系统独立模块的设计

5．2．1单片机的选型及设计

5．2．2监测模块的设计

5．2．3测速模块的设计

5．2．4语音报警模块的设计

5．2．5 LED报警模块的设计

5．2．6数码管显示模块的设计

5．2．7按键模块的设计

5．3监测系统主程序的设计

5．3．1软件系统的设计方案

5．3．2监控系统的主程序

5．4监测系统子程序的设计

5．4．1数据分析处理子程序

5．4．2重播处理子程序设计

5．4．3漏播处理子程序设计

5．4．4显示子程序设计

5．4．5按键子程序设计

5．5本章小结

第六章试验与结果分析

6．1控制系统的试验设计与结果分析

6．1．1试验目的

6．1．1试验器材

6．1．2试验方法

6．1．3试验的结果与分析

6．2监测系统的试验设计与结果分析

6．2．1试验目的

6．2．2试验器材

6．2．3试验方法及内容

6．2．4试验研究的结果与分析

6．5本章小结

第七章总结与展望

7．1结论

7．2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果