播种机试验台控制系统.doc
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目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1研究目的和意义 1
1.2国内外排种器试验台控制系统的发展 2
1.3设计研究内容 3
2系统总体方案设计 4
2.1设计方案的选择 4
2.2整体设计方案 5
3地轮驱动部分设计 7
3.1机械传动原理和分类 7
3.2地轮驱动具体方案设计 8
4控制系统设计 9
4.1控制器的选择 9
4.2单片机最小应用系统 9
4.3电动机及其控制方式的选择 10
4.4变频器及其控制方式的选择 12
4.5控制电路设计 16
5检测系统设计 21
5.1旋转编码器的工作原理及选型 21
5.2检测电路设计 22
5.3数据的采集与处理 23
6电源、键盘、显示的功能设计 24
6.1电源电路设计 24
6.2键盘电路电路设计 24
6.3液晶显示电路设计 25
7总结 26
7.1设计内容总结 26
7.2存在问题及其改正 26
参考文献 28
致谢 29
附录1控制源程序 30
附录2实物图与整体电路图 46
附录3试验数据汇总表 47
附录4总原理图 48
播种机试验台控制系统设计
摘要
播种机是在农业机械中扮演着很重要的角色，而排种器又是衡量播种机性能好坏的核心部件。
所以排种器试验台就成为了播种机的研发所使用的主要手段，它是快速产生新一代高性能播种机必不可少的实验设备。
而且排种器的性能测试最好能在实验室内进行,以此来提高试验的准确性，重复性和经济性,并缩短试验和设计周期。
本设计由速度传感器（旋转编码器）、智能控制单元、人机接口单元和执行单元组成。
实验时用键盘输入指令和数据，并且用LCD12864实时显示各个参数，从而让试验员直观地看到整个试验的过程。
在设计中，采用变频器驱动一个小轮旋转，小轮带动地轮转动，实现地轮的无级变速；速度传感器测量排种器的作业角度，确定有无重播、漏播现象。
设计以STC89S52单片机为核心，结合以上的处理电路，运用灵活的C语言编制的系统控制程序，实现监测排种器性能的重复性试验。
关键词：
精密播种；排种器；试验台；变频器；旋转编码器；
DesignofControlSystemforSeederTest-bed
Abstract
Seederisplayingaveryimportantroleinagriculturalmachinery.AndSeed-meteringdeviceisacorecomponenttomeasuretheperformanceoftheseeder.SotheSeederTest-beddevicebecamethemajorwaystoresearchanddevelopseeder,anditistheessentialexperimentalequipmentthatcangeneratenewgenerationofhigh-performanceseederquickly.Inordertoimprovetheaccuracyofexperiment,itwouldbetterbetestedinthelaboratory.Ifso,notonlyimprovetestrepeatabilityandeconomy,butalsoshortentestanddesigncycle.
Thisdesignconsistsofspeedsensor（rotaryencoder）,intelligentcontrolunit,man-machineinterfaceunitandexecutionunit.TheoperatorcaninputinstructionsanddatawiththekeyboardandseeeverythingintheLCD12864,thustheoperatorcanseethewholeexperimentprocessintuitively.Inthisdesign,Frequencyconverterdrivesasmallwheelspin,andthesmallwheelsdriveslandwheelofseederspin,sothespeedoflandwheelscanbechanged.SpeedsensormeasurestherotationangleoftheSeed-meteringdevice,todeterminewhetherexistsrepeatsowingandmisssowingornot.DesignwithSTC89S52microcomputerasthecore ,combiningtheseprocessingcircuits,usingtheflexibleClanguagecompilationsystemtocontrolprocedure,realizetherepeatabilitytestsofmonitoringperformanceoftheSeed-meteringdevice.
Keywords:
Precision-seeding;Seed-meteringdevice;SeederTest-bed;Frequencyconverter;Rotaryencoder.
青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）
1绪论
1.1研究目的和意义
农业生产是人类生活的基础。
在人类文明发展的历程中，农业的历史发展最为悠久。
工业革命以来，以农业机械在农业生产中的应用为起点的现代化农业逐渐形成。
农业现代化体现在农业生产的各个方面:
农业机械增多，农业从业人员不断减少，业者较好的现代科技和经营知识，农业生产经营活动逐步专业化、集约化、规模化、现代化，农业劳动生产率得到大幅度提高。
农业机械与计算机，卫星遥感等技术结合，新型材料和自动化设备应用于农业生产，正在迅速变为一种越来越带科学特征的工业。
先进的科技正在成为现代农业发展的关键要素。
随着我国经济的高速发展，城市化速度也进一步加快，社会主义现代化新农村不断地建设，所以农业机械化的发展也必须加快步伐，这就对农机具机械特性测试提出了更高的要求。
测试技术的先进性直接影响着新产品的性能和质量，以及产品更新的周期。
播种机械性能的提高需要反复的做大量的实验，但是田间试验容易受地点、季节、设备等因素的限制,试验周期长,费用高。
所以播种机械尤其主要工作部件——排种器的性能测试最好能在实验室内进行,以此来提高试验的准确性，重复性和经济性,并缩短试验和设计周期。
尤其是国家“948”项目启动后，引进了柔性精密播种技术，并且将电控技术融入到机械中中去，是国家机电一体化发展的趋势。
本设计就是在针对“柔性精密播种机械”播种盘的检测，从而发现机械存在的缺陷，以便使机械更加完善。
1.2国内外排种器试验台控制系统的发展
国内外的学者们一直致力于对播种机试验台控制系统的研究，并且不断地在技术上取得突破，从而使得测试的数据更加准确，测试的方法也更加方便快捷。
研究方向主要有两个：
对排种器监控系统的设计和模拟机具行进运动与排种器配合实现精密播种。
而排种器的监控装置主要有以下几种：
原始的排种器试验装置；基于电子技术的排种器监控系统；基于虚拟仪器的排种器性能监测系统；基于计算机视觉的排种监控以及基于单片机或PLC的排种器系能监测等【1】。
在1996年，DickeyJohn公司在播种机上安装了光电传感器后，可用于单行播种的监视【2】。
其80年代又采用了雷达测速技术、播种密度和谷物漏播的监视装置，利用微处理器控制肥料分配与喷灌，以及一个液晶显示器用于显示发动机速度、拖拉机滑移率、行走速度和每小时工作面积。
日本学者曾设计了一种气动式排种器的粒距均匀度检测装置，用20对光电器件，根据种子间距检测排种器的重播、漏播及合格指数，能较好地满足精密排种器的性能监测要求【3】。
日本于九十年代初又研制了一种电磁操作排种装置，用于电子控制的气力精播机。
系统由一个高性能的电磁阀，一个数据采集与控制器和一个排种器组成。
该控制系统主要用于控制电磁阀动作，排种性能可根据种子下落间隔（30ms～210ms）进行调整【4】。
与国外相比，国内对播种机试验台的研究起步较晚，而且技术也相对落后。
1974年，张波屏教授首先在我国研制成移动式排种器试验台，并首次采用沙盘固定，其工作环境清洁，种子可回收利用，观测、取样方便【5】。
其后，对播种机试验台的研究开始不断发展，技术也是不断地进步，尤其是近十年以来，很多院校和研究机构结合日益成熟的计算机和通信技术，设计出来很多技术含量很高的播种机试验台的控制系统。
沈阳农业大学和沈阳长桥胶带有限公司在2000年合作研制了排种器转速自动检测系统【6】。
其根据自动控制原理，设计了一套自动测试排种器工作过程中的各种性能指标参数的试验装置,采用了模块化的程序设计方法和PL/M高级语言,开发了一套能自动测试排种器在工作过程中排种器转速的软件程序。
使用了MCS-51系列单片机及传感器组成的硬件测试系统,实现了对排种器的排种轴转速的实时检测和显示。
控制系统的设计方向主要是电控方向靠拢的，而且自动化的程度也是越来越高的。
河北农业大学的郭燕霞等设计的精密播种微处理器系统【7】，针对当前农业生产中的播种机多使用不同的齿轮或排种器进行有级调速，调整播量，株距比较困难和地轮打滑严重影响播种质量等情况，以AT89S52单片机为核心设计开发了微型计算机控制的自动化精密播种系统。
可以实时采集动力机械的作业速度，并根据作业速度和作物粒距要求调整排种器的转速，减轻了传统播种机械因地打滑和地面不平等因素对播种质量的影响，从而达到精密播种的目的。
通信技术的进步促使播种机试验台控制系统的设计更上一个台阶，湖北农业大学的向阳等设计的基于RS485总线的排种器实验台控制系统【8】采用PC机作为上位机，输送带运行采用变频调速技术，排种器及排砂器采用步进电机调速。
上位机用户界面采用VB6．0开发，用户可方便地对输送带、排砂器及排种器的运动进行精确控制。
三者既可独立运动，又可对其运动关系进行约束，从而很好地模拟播种机田间作业情况。
1.3设计研究内容
本次设计基于青岛农业大学主持的国家“948”项目“柔性精密播种机综合技术的引进”，关键在于在实验室内对播种机排种器的性能检测，用单片机作为控制装置，用旋转编码器对播种盘转过的角度进行精确的测量，从而找出驱动播种盘的步进电机出现异常震动而导致漏播现象的规律，以达到完善整个系统的目的。
所要完成的设计任务包括以下几个方面:
（1）机械传动系统设计：
因为播种机性能试验台属大型专用检测设备，是综合应用技术的体现，靠单纯的信号检测电路和控制电路，是不可能完成任务的，所以需要设计一定的机械结构，完成力的传动和传感器的安装。
（2）键盘输入和显示系统设计:
一套完整的检测系统，一定要有一个良好的人机交互界面，这样才能使试验员快速准确地对试验对象完成检测。
同时要考虑到成本的投入，要以最少的投入，完成设计，并达到所要实现的试验效果。
（3）控制系统设计:
包括对处理器的选择，最小系统外围器件的选择和电路设计，控制电路的设计，驱动电机的选择，检测电路的设计，最终构成一个完整的系统。
（4）软件程序设计:
硬件电路是一个系统的物质基础，而软件就是系统的灵魂。
所需要完成的任务主要包括程序流程图的编写，各个模块子程序的编写，整体程序的调试。
（5）实物制作与调试：
需要完成电路的焊接，系统的统调，数据的采集和处理，封装的制作。
2系统总体方案设计
2.1设计方案的选择
2.1.1问题的提出
1盛种漏斗2.分配锥3.排种格盘4.漏斗5.回转分配器 6.步进电机7.直流电机
8落种杠杆9.输种管10落种行程开关
图2-1排种系统结构简图
在精密播种技术中，排种盘的转动要求转速可调，精度要求高，转速较低。
如图2-1所示，是排钟系统的结构截图，其中6是驱动播种盘转动的步进电机，在实际的应用中，由于步进电机本身的特性，会在低频运行时发生共振而出现失步的现象，导致漏播的情况。
本设计就是在此问题的基础上提出的，结合小区播种的面积，播种时行进的速度，以及种子的类别，总结出步进电机出现失步的规律，找出步进电机现失步的原因，从而有针对性地解决问题。
2.2整体设计方案
单
片
机
最
小
控
制
系
统
变频器
控制单元
LCD显示单元
旋
转
编
码
器
12位高精度DA
播种机
地轮
键盘输入单元
播
种
盘
计数中断
图2-2系统硬件框架图
通过对以上要求的分析，和对系统各个模块的选择，总体设计方案如下：
系统硬件框架图如图2-1所示，采用8位的单片机最小系统作为控制装置，用12位的高分辨率DA转换芯片TLV5618，经放大电路放大后输出0-10V的可调的电压，对变频器进行控制，从而可以通过键盘输入想要试验的速度，使变频器的输出频率发生相应的变化。
变频器的输出控制电机带动一个直径为24cm的小轮转动，利用与地轮之间橡胶的摩擦力带动地轮旋转，最终达到模拟地轮行走的目的。
进入计数中断后，播种盘根据地轮的速度开始调速，同时单片机内部计数器开始记录编码器所转过的角度。
最后将所测得的角度，显示到液晶显示器上。
记录不同米数，所获得的角度，并画出曲线；记录不同速度，所获得的角度，并画出曲线。
最后通过分析曲线，得出结论。
采用单片机作为控制系统，通过编写相关程序来达到自动监测的目的，软件系统设计主程序流程图如图2-3所示。
Y
开始
初始化
调用键盘查询
输入相应参数
确定与否
启动变频器
系统运行中
转到中断处理
外中断
N
Y
N
Y
打开计数中断
判断无脉冲输出
N
中断返回
图2-3软件系统设计主程序流程图
3地轮驱动部分设计
3.1机械传动原理和分类
机械传动在工程技术中应用非常广泛，主要是指运用机械方式传递动力和运动的传动。
主要分为两类:
一是靠机械各部件间的摩擦力传递动力与摩擦传动，例如带传动、绳传动和摩擦轮传动；二是靠主动件与从动件啮合或者借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。
例如齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动，如图3-1所示。
图3-1齿轮传动
本次设计就是采用的第一类中的摩擦轮传动，摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，虽然不能保证准确的传动比，但能达到本次设计的要求，如图3-2所示。
图3-2摩擦轮传动
3.2地轮驱动具体方案设计
图3-3地轮驱动部分图纸
1.轴承；2.摩擦轮；3.联动轴；4.联轴器；5.铁架；6.电机安装部分
本次设计的机械部分主要由6部分构成，如图3-3所示。
2是一个直径是24cm的摩擦小轮，用来靠摩擦力带动地轮转动，它通过一个联动轴和两个轴承连在一个联轴器上。
联轴器的另一端连接电机的轴，以获得源动力。
两个滚动轴承选择的都是球轴承，它由滚珠、内环、外环与保持器构成，比轴颈轴承的转动摩擦阻力小，因此相同的转速下，摩擦产生的温度会比较低。
而且轴承在铁架的固定部分，设计为上下左右都可以调节的形式，以达到联轴器两边协调的目的，从而不致联轴器受力不均使其寿命受到很大的影响。
47
4控制系统设计
4.1控制器的选择
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
4.2单片机最小应用系统
单片机是整个控制系统的核心部分，软件的储存测量、数据的处理执行、组件控制命令的发出等都要经过单片机，它是一个微型计算机系统，有存储、I/O、定时及中断等功能。
单片机最小系统即为单片机系统能进行工作所必需的最少功能结构，其他功能都在最小系统的基础上实现。
图4-1是电路原理图。
图4-1单片机最小应用系统
单片机最小系统除了AT89S52芯片外，还包括一个复位电路和一个振荡电路。
复位电路：
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电复位是外部的复位电路在系统通上电源后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制。
上电自动复位原理：
通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度即为低电平，单片机开始正常工作。
手动复位是在复位电路中设计按键开关触发复位电平，控制单片机复位。
振荡电路：
振荡电路是通过晶振给单片机提供时钟周期，使单片机一步步执行程序代码，进行正常工作。
单片机内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体一起构成自激振荡器。
图4-1中外接石英晶体（或陶瓷谐振器）以及电容或构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
电容的大小没有严格的要求，但也会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和稳定性。
外接石英晶体时，和一般取30pF±10pF，外接陶瓷谐振器时，和一般取40pF±10pF。
4.3电动机及其控制方式的选择
4.3.1三相齿轮电动机工作原理
电动机是把电能转换成机械能的设备，电动机按分类方式的不同分为很多类，其中按供电电源的不同可分为直流电动机和交流电动机。
在本设计中，选用的三相齿轮电动机。
三相齿轮电动机就是将三相异步电动机和减速齿轮集成为一个整体，如图4-2所示，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩。
大小齿轮的齿数之比，就是齿轮电机力的传动比。
齿轮电机的优势主要有两个：
（1）降低速度的同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速机额定扭矩。
（2）降低速度的同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。
图4-2减速齿轮电机
4.3.2三相齿轮电动机适用本次设计的分析
齿轮电机的两个优势，正好能够符合本次设计的要求。
一方面由于不破坏播种机的原有机械结构，即不用电动机直接驱动地轮旋转，而是靠一些机械机构来完成力的传动，所以难免会有力矩的消耗，但是如果应用齿轮电机，虽然会降低电动机的额定转速，但是仍然能达到实现最高播种速度的同时，增大输出扭矩。
另一方面，只要运动的物体，便会存在一个惯性，电机也是如此，其本身存在一个惯量，由于本次设计的要求是在地轮旋转过程中能够迅速停机，以便模拟播种过程中地轮打滑的现象，所以说齿轮电动机适用于本次设计的需要。
4.3.3三相齿轮电动机变频调速原理
三相齿轮电动机和三相异步电动机的调速原理一样，而且调速的方式很多，主要包括七种方式：
变极对数调速方法，变频调速方法，串级调速方法，绕线式电动机转子串电阻调速方法，定子调压调速方法，电磁调速电动机调速方法，液力耦合器调速方法。
每种调速方式都有它的优缺点和所适用的场合，这里仅对变频调速的原理进行介绍。
三相异步电动机的转速公式为:
n=n0（1-s）=（60f/p）（1-s）（4—1）
其中n为三相电机转速；n0是旋转磁场的转速；s是电动机的转差率；f是交流电源的频率；p是电机的极对数。
从式4—1可以看出,改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。
从调速的本质来看,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速n0或不改变同步转速n0两种。
本次设计采用的是用变频器来控制电动机，即改变同步转速n0的方式。
4.3.4所选电机的型号及相关参数的计算
根据以上的分析，结合本次设计的需要，选用了荣立三相齿轮电机，其电气参数如表4-3所示
VOLTS
220V
380V
AMP
0.85
0.5
HZ
60
50
RMP
1720
1420
RATIO
5:
1
表4—3电机铭牌
上表是所选购的电机上的铭牌参数，当用三相电驱动时，Y型接法和△型接法的不同，就导致输入的驱动电压不同，在试验时，选用220V（额定电压）输入的Y型接法，可以计算出电机的额定功率为：
P额定=U额定I额定=（220×0.85）W=1/4HP=187W（4—2）
其中，HP是马力的意思，1HP=750W。
由三相电动机的额定转矩计算公式：
T=9550p/N=9550×0.187÷1500=1.18N·M（4—3）
其中，p是电机的额定功率，单位是KW；N是电机的额定转速，单位是R/M。
因为齿轮电机的传动比是Ra=5:
1，所以得到齿轮电机的输出转矩为：
T0=T*Ra=1.18×5=5.9N·M（4—4）
因为选用的摩擦小轮直径是24cm，所以电动机可产生最大
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