水稻育秧播种流水线控制系统毕业设计说明书.docx

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水稻育秧播种流水线控制系统毕业设计说明书

水稻育秧播种流水线控制系统

摘要：

作为水稻育秧机械化的主要研究装备，水稻秧盘育秧流水线经过30多年的发展历程，在满足不同地区水稻种植农艺要求的条件下，已有了较大发展，较完备的播种育秧流水线主要包括秧盘供送、铺底土、压实、播种（撒播、条播）、覆表土、淋洒水、取秧盘等关键工序。

本文设计了以AT89C51为核心的水稻育秧播种流水线控制系统，实现了覆土、播种、覆表土和喷淋过程的自动化控制，并从软、硬件两个方面进行系统抗干扰设计。

关键词：

水稻育秧；自动控制；抗干扰

ControlSystemDesignofRiceSeedlingSowingPipeline

Abstract:

Asprimaryresearchequipmentofriceseedingautomation,itmadegreatprogressonconditionthatitmeetdifferentriceplantingregionagriculturaldemandsafter30yearsofdevelopmenthistory.Acompleteseedingseedlingslinemainlyincludesseedingdiscforsending,spreadingsubsoiling,compaction,seeding（sowning,drilling,）,thesurfacesoil,watering,takingseedingdiscshowerkeyprocess.Inthispaper,basedonAT89C51singlechipasthecoreofthericeplantingseedingsassemblylinecontrolsystem,itrealizedtheturnsthesoil,sow,coveringsurfacesoilingandsprayingprocessautomationcontrol,andwasdesignedanti-interferencefromtwoaspectsofhardwareandsoftwaresystem.

KeyWords:

Riceseeding;Automaticcontrol;anti-interference

1前言

1.1课题研究的目的和意义

水稻是世界上的重要粮食作物，在粮食安全中占有极其重要的地位。

世界水稻种植区域主要集中在亚洲，其产量占世界水稻总产量的92％，美国是北美的主水稻生产国，欧洲最大的水稻生产国是意大利。

我国是世界上最大的水稻生产国，水稻常年种植面积约3000万公顷，世界水稻种植面积的20％左右；水稻也是我国最主要的粮食作物之一，稻谷总产量近2亿吨，占世界稻谷总产的35％，稻谷平均单产6.212吨／公顷，我国有近60%的人以稻米为主食，每年直接消耗大米1.3亿～1.4亿吨，同时水稻深加工产业也日益兴起，用米糠加工成的米糠油作为一种高档营养保健食用油，在美国市场上价格是橄榄油的3倍（米糠经深加工后总价值增加1940元/吨），还可提取人体所需的多种维生素、工业用原料及饲料，进行多种产品精深加工，带来可观的经济效益，加工后的副产品附加值已引起各国家重视，所以水稻生产对推动国际国内的经济发展起着重要作用。

可以看出，水稻是我国种植面积最大、单产最高、总产最多的粮食作物，水稻生产在我国粮食生产中占有极其重要的地位。

加快发展水稻生产的机械化，减轻水稻生产的劳动强度，降低生产成本，增加产量和收益，是提高水稻综合生产能力，保障我国粮食安全的一项战略措施，对推动现代农业和社会主义新农村建设具有重要意义[2]。

目前，美国、意大利、日本、韩国的水稻生产机械化水平均已达到97%以上，实现了水稻生产全程机械化。

国内外的实践证明，水稻生产全程机械化具有如下显著优点：

（1）提高稻米品质：

水稻机械化能实现标准化作业，按照农艺技术要求精确控制各环节作业质量，为无公害米、绿色大米、有机米生产提供保障。

因此，大力推进水稻生产机械化，是解决水稻生产劳动力短缺问题，抵御自然灾害的影响，增强水稻生产防灾减灾能力，保障水稻生产增产增收，稳定水稻生产，实现水稻生产节本增效，提高水稻生产的劳动生产率和水稻综合生产能力，保证粮食安全，增加农民收入的现实之需，迫切之举。

发展水稻生产机械化，改善农民生产条件，提高农民生活质量促进农村劳动力向二、三产业转移，是加快农业现代化进程，促进城乡统筹协调发展，推动水稻主产区现代农业和社会主义新农村建设的必然要求[3]。

（2）省工节本、效率高：

水稻机械直播比人工栽插可节省成本约750元/公顷；机械栽插比人工手插平均节约成本450元/公顷左右；机械收获较人工收获节省成本300元/公顷。

步进式和乘座式插秧机作业效率分别是人工栽插的11.5倍和30倍；机抛效率是人抛的25倍，是人力插秧的120倍；机直播人均生产率比手插高30倍；联合机械化收获作业效率是人工的40～60倍。

（3）减少损失、增产增收：

联合机械化收获总损失率低于5%，比人工收获减少损失8%左右；机插秧比人工栽插平均增产达5.3％，提高单产375公斤/公顷以上；低温干燥可减少霉烂损失4%以上。

水稻秧盘育秧播种是工厂化秧苗生产的重要环节,研制与抛、插秧栽植机械相配套的秧盘育秧播种流水线是实现水稻种植机械化的重要保障。

从20世纪70年代起开始研制水稻育秧播种流水线,随着水稻育秧工艺不断改进与完善,近年来国内外水稻秧盘育秧播种流水线的技术及自动化水平也在逐步提高[1]。

1.2水稻育秧播种研究现状

水稻秧盘育秧流水线作为水稻育秧机械化的主要研究装备，经过30多年的发展历程，在满足不同地区水稻种植农艺要求的条件下，已有了较大发展，较完备的播种育秧流水线主要包括秧盘供送、铺底土、压实、播种（撒播、条播、精播）、覆表土、淋洒水、取秧盘等关键工序，其发展的现状如下：

国外，以直播机械化为主的欧美国家研制出来的水稻秧盘育秧播种的设备比较少，目前用于蔬菜、花卉等植物的温室秧盘育秧播种流水线已有多种，如B1ackmoreSystem、Marksman、Speed1ingSysterm、Hamilton等机型，设备普遍采用吸针式，每穴1～5粒不等，作业质量较好，功能全，自动化程度较高。

亚洲的水稻秧盘育秧流水线比较多，像日本的井关、久保田、日清、三菱等株式会社都有自己的育秧播种设备，其工艺精湛、自动化程度高，但价格昂贵，且这些流水线多数是针对常规稻3～6粒/穴和杂交稻2±1粒/穴的盘育秧，采用的播种部件主要有机械式（槽轮、窝眼和型孔）和气力式（吸针、吸盘和滚筒）。

韩国的育秧技术水平与日本接近，但用于蔬菜等经济作物的育秧技术较好。

国内水稻育秧播种技术进展迅速，简单实用的育秧设备相继涌现。

20世纪80年代初国内主要采用机械式播种方式，研制单位有中国农业大学、黑龙江省农垦科学院工程所、嵊州市农机管理总站、黑龙江省二九一机械厂和灵川县农机技术推广站等多家，比如2ZBZ-600型水稻穴（平）盘育秧流水线[4]，采用的播种部件为外槽轮式播种器；90年代起研制振动式原理的播种流水线，对播种质量有较大的提高；90年代后期，随着钵体苗移栽技术的发展，水稻钵体育秧技术有了较大的发展，中国农业大学、广西北海市农机化研究所、吉林大学、华南农业大学、江苏大学、山东理工大学、农业部南京农机化研究所、解放军军需大学、八一农垦大学等都开始进行钵体育秧技术研究，并以气吸式播种方式为主，可以实现精少量播种，如2QB-330型气吸振动式秧盘精量播种机，是国内播种部件采用吸盘式的代表；为解决气力式吸孔堵塞问题，1999年研制的2ZBQ-300型双层滚筒气吸式水稻播种机[5]。

2系统方案论证

2.1系统设计思路

近年来，国内外在盘育秧精量播种的自动控制系统研究方面取得了较大进展，并有一定程度的推广应用。

西南农业大学以PIC16C57为核心，研制了电磁振动式排种器控制系统，哈尔滨市农业机械化研究所采用接近传感器和电磁离合器研制了2BDY-500型水稻育秧盘播种机，河南农业大学综合利用PLC技术、光电传感技术和气动技术研制了针吸式穴盘播种控制系统[6]。

但由于系统多只能实现对工作部件的单轴控制，不能满足吸盘式育秧播种机需要的多轴协调动作、精确定位的要求。

论文研究的主要如下：

（1）将铺/覆土装置、播种装置、洒水装置所构成的水稻育秧播种流水线控制系统典型设计进行讨论并对其优点进行学习，比较各种装置的优点从而构造自己的流水线组成。

（2）设计铺/覆土装置、播种装置、洒水装置的控制系统。

对各个流水线的运动动作，使用光电开关、行程开关、继电器、光电传感器、单片机、步进电机等硬件设计自动控制电路。

（3）对设计的自动控制系统进行总结，表述铺/覆土装置、播种装置、洒水装置的控制系统的过程控制，并作出相应的控制流程图。

2.2关键技术研究

2.2.1铺/覆土装置

（1）铺土装置的构造：

按照排土结构的不同，有平带式、槽轮式、波纹滚筒式、刮板式，另外还有泥浆铺土装置。

平带式排土结构中皮带与土壤容易打滑，槽轮式容易堵塞和将土壤架空，波纹滚筒式由于波纹槽太密太窄容易堵塞，刮板式排土结构对土壤的适应能力比较好，但是由于刮板窄而长，在长时间工作后，刮板会变的扭曲，会对排土带了影响，另外，该结构在低转速的时候不能连续排土，有明显的间歇排土的现象。

由于生产环境的限制，不宜采用泥浆播土。

现有的播土装置结构进行分析，在整体结构上都包括土箱、排土结构、闸门、导流板。

而他们之间相互区别的地方就是排土结构，结构的不同，导致了不同的工作性能。

论文的铺土装置试验台包括机架、链轮、侧板、承土箱、排土滚筒结构、开口度调节板、轴、导流板、挡土板。

铺土装置的总体结构方案示意图1。

1.机架2.链轮3.侧板4.承土箱5.开口调节板

6.轴7.排土滚土结构8.导流板9.挡土板

图1铺土装置总体方案

Fig1Soilpavingunitproject

V形推土片滚筒式排土结构，该结构包括V形推土片、滚筒、轴、法兰盘、端面。

法兰盘通过平键与滚筒轴配合，端面与滚筒是焊接在一起的，端面与法兰盘用螺栓固定在一起。

装置将一个苗穴里添加苗穴2/3高度的营养土。

排土滚筒的结构示意图2。

1.轴2.法兰盘3.端面4.滚筒5.螺栓

图2V形推土片滚筒式排土结构

Fig2V-bulldozingdrumdumpstructure

（2）覆土装置机架、链轮、侧板、承土箱、排土滚筒结构、开口度调节板、轴、导流板、挡土板、光电传感器该装置完成敷土工序,即把每个苗穴的种子用营养土覆盖,将苗穴填满（未满的1/3）[7]。

工作时，光电传感器检测到被输送带输送到的秧盘的一行苗穴时,通过中断INT0向8031CPU发出中断申请,CPU响应中断从P口向步进电机控制器发出脉冲控制命令,步进电机开始转动。

脉冲控制命令是CPU向P口按一定的频率反复发送04H和05H,秧盘离开工序-保持低电平。

秧盘离开时光电传感器又使该装置停止工作。

其工作原理如铺土装置。

2.2.2播种装置

振动气吸式精量播种装置主要由两部分组成，即种子盘振动台和气力吸种部件（如吸盘式排种器）。

种子盘振动台主要作用是使种子“沸腾”（即使种子处于准流体状态），有利于吸种的进行。

气力吸种部件主要包括气力作用部件和吸种部件。

气力作用部件主要是控制吸种和播种，吸种部件完成吸种排种。

播种装置主要包括滚轮、挡块、右侧行程开关、吸种盘、上侧行程开关、下侧行程开关、步进电机、左侧行程开关、光电开关等。

其结构如下图3。

1.滚轮2.挡块3.右侧行程开关4.吸种盘5.上侧行程开关

6.下侧行程开关7.步进电机8.左侧行程开关9.光电开关

图3播种装置结构图

Fig3Sowingequipmentchart

2.2.3洒水装置

洒水装置由洒水导管、水管、洒水喷头、控制阀、光电传感器、步进电机等组成。

该装置完成洒水工序，此工序在很多不同设计中要去都不严格，主要从经济实用性和工人的一定生产经验适当控制用水量。

洒水装置的总体结构方案示意图4如下。

1.导水接口2.控制阀3.水箱4.导水管5.洒水口

图4洒水装置

Fig4Wateringdevice

洒水装置相对精度要求不是很高，但是种子的发芽湿度却非常重要。

利用控制阀调节水量来控制好土壤湿度。

2.2.4控制技术研究

选用常用的AT89C51单片机；选用75BYG4501型以及75BYG4502型步进电机，其相数均为2相75BYG4501的保持转矩为1.8N·m，75BYG4502的保持转矩为3N·m；选用SMD2N2型步进电机驱动器；选用SA-3702型牵引电磁铁额定吸力为50N,额定行程为20mm,以及SA-2402型，额定吸力为10N，额定行程为15mm；开关电源为输入220VAC，输出5VDC,变压器为输入220VAC,输出110VAC;继电器1选用MY2NJ型,固态继电器2、3均选用HHG1-1/032F-38型。

2.3本章小结

本章选用气吸振动式播种流水线进行研究，初步确定流水线的组成，提出系统自动运动的简要过程，拿出振动气吸式盘育秧播种流水线的总体方案。

3流水线控制系统硬件电路设计

3.1铺/覆土装置自动控制系统

由于铺土装置中对电机的速度控制要求不是很高，综合市场价格和机器运动的可行性论文中选用额定电压为12V的37GB55直流电机，使用继电器控制直流电机的停转。

图5为覆土装置控制线路：

图5覆土控制线路

Fig5Earthcontrolcircuit

步进电机控制器的速度控制端子CW+保持方波脉冲,CW-保持送装置将秧盘输送到每一个工序时,装在输送装置低电平,而方向控制端子CCW+保持高电平,CCW两侧的光电传感器触发该装置工作;秧盘离开工序-保持低电平，步进电机处于静止状态，使该装置停止工作。

值得注意的是对于穴盘育秧，育秧盘上有穴坑数Z=416个，穴坑上径

=20mm，下径

=10mm，穴坑高

=18mm，秧盘长S=600mm。

根据穴盘育秧要求，每个穴坑中床土体积占穴坑总体积的1/2~2/3。

根据工艺要求，设每次排土所需土壤体积与穴坑总体积之比为λ，则0<λ<1。

播床土时，1/2≦λ≦2/3；覆表土时，1/3<λ<1/2。

设穴坑中床土高度为

，则有下列关系：

（1）

（2）

（3）

因此，

的取值为

设育秧生产率为P（盘/小时），秧盘的长度为S（mm），则播完一盘床土所用的时间t（s）和秧盘输送带速度v（mm/s）分别如下：

（4）

（5）

而在时间t内，滚筒的排土量应该与秧盘中的土量相等，则：

（6）

通过计算得排土滚筒转速为：

（7）

播床土和覆表土所需土壤体积不一样，因此，根据农艺要求，播床土时，1/2≦λ≦2/3；覆表土时，1/3<λ<1/2。

对于平盘育秧，根据育秧要求，平盘中床土厚度为20mm~25mm之间，平盘尺寸为长×宽=600×300mm秧盘厚度为5mm。

设床土厚度为h3，生产率为P（盘/小时），则每个秧盘中床土量为

（8）

因为在时间t内排土滚筒排出的土量与秧盘所需土量应相等，即：

（9）

解得滚筒转速为：

（10）

3.2播种装置

3.2.1振动台结构

电磁振动台由振动支架（基础件）、种子盘3、振动弹簧4和电磁激振器5组成。

电磁激振机构是利用电磁铁产生的断续吸力及振动弹簧的弹性回复，使种子盘做上下垂直振动，而电磁力的大小与外加电压成线性关系，并可通过调节电压高低改变振动幅度和频率，具有调节方便、结构简单、体积小的特点。

该电磁式振动台的种子盘直接作为振动台台面（或称为振动块、振子），垂直安装，直接激励种子的振动，其他电磁振动式播种机或排种器所用的电磁振动器主要是使种子产生如粘性液体流动的形式进行排种。

如图6所示：

1.吸种部分2.种子3.种子盘4.振动弹簧5.电磁振动

图6电磁式振动台原理图

Fig6Schematicdiagramofelectromagneticvibration

电磁振动台的设计参数主要有振动功率、频率和幅值。

直接设计一台电磁激振器，需要设计计算电磁铁的各种参数及电磁线圈的安匝数等，计算步骤和参数选择繁杂，也不是课题研究设计的重点，因此只要符合要求，可以直接选择适合的电磁激振器。

由刘彩玲等已经进行的实验数据，激振器对吸种的影响因素主要是激振器的频率和振动幅值两个参数，并已经进行了相应的实验确定了参数的选择范围，每盘种子量以2kg为最佳，振幅为1.5-5mm,频率100Hz，振动台面（种子盘）重量为21Kg。

为保证能够完全达到使用和扩展要求，适当放宽参数的可选范围，经计算选用CZ-lf0A型仓壁式电磁振动器Hal。

在该振动器振子（可动衔铁3）上钻4个螺钉孔，将种子振动盘与之连接形成新的振子结构形式，振动器的底座固定在振动支架上；振动支承弹簧4为橡胶弹簧。

该振动器的安装中心与种子盘的中心重合，能有效防止种子盘被激励后产生变形和倾斜，避免机械式振动器在种子盘四角安装振动复位弹簧导致种子向种子振动盘中心积聚或偏心的现象[8]。

CZ-150A型仓壁式电磁振动器原有一套控制装置，采用半波可控整流控制方式，只能实现电压幅值的调节，为符合调节的需要对其控制系统重新设计，增江苏大学同等学力硕士研究生学位论文加了电压频率调节，并同时结合播种装置的其他部件的控制要求进行了单位时间内播种量是育秧穴盘精量播种机研究和设计的主要指标，是振动台激振功率选择的主要依据。

播种量与穴播粒数、每盘播种穴数、单位时间生产率及种子千粒重等因素有关。

根据生产的农艺技术要求，蔬菜花卉等穴播粒数一般要求控制在1～2粒，水稻等2～5粒；空穴率小于4％；另外，由于不同种子品种的形状、尺寸和千粒质量均有较大的差异，播种机要求的播种粒数和播种量变化范围很大，设计播种机时应充分考虑这一问题，即在考虑满足播种精度要求的同时，还要考虑到播种量变化的要求。

播种量可按下式计算：

式中

一播种量，kg／h；

一每盘播种粒数；

—稻种的千粒质量，

；

—平均穴播粒数；

—育秧盘穴孔数；

一每小时生产率，盘数（11）

3.2.2自动控制系统

单片机定时控制功能是用片内时钟电路和定时电路来完成的，而片内时钟产生有两种方式:

内部时钟方式和外部时钟方式[9]。

本课题采用内部时钟方式，如图7所示：

图7时钟电路图

Fig7Theclockcircuitdiagram

片内高增益反相放大器通过XTALI和XTALZ外接作为反馈元件的晶体（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟SST89E516RDZ工作的时钟频率为0-40MHZ。

这里选择11.0592MHz的石英晶振与30PF的电容构成并联谐振电路。

通过某种方式，使单片机内各寄存器值变为初始状态的操作称为复位。

为使单片机正常工作，必须保证良好复位。

复位分为上电复位和外部复位两种方式。

上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位，外部复位可由外部脉冲复位或者手动复位。

这里选用上电复位方式，复位电路如图8所示。

图8复位电路图

Fig8Resetcircuitdiagram

进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的特点是能将电脉冲转化为角位移，没有积累误差（理论上精度为100%），广泛应用于各种开环控制。

步进电机的运行要有电子装置来驱动，这种装置就是步进电机驱动器，有脉冲分配电路和功率放大器组成，作用是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。

目前主要有三种类型:

反应式步进电机（VR）—定子上有绕组、转子由软磁材料组成，结构简单，成本低、步矩角小、但动态性能差、效率低、发热大、可靠性难保证;永磁式步进电机（PM）—转子是用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同，动态性能好，输出力矩大，但电机的精度差，步矩角大（7.5、巧度）;混合式步进电机（HB）—综合了反应式、永磁式的优点、其定子上有多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度，输出力矩大、动态性能好、步矩角小、但结构复杂、成本相对稍高。

由于播种器对滚筒转动要求稳定性比较高、且保证较高的运转精度，所以滚筒步进电机选用57BYGH，传送带步进电机选用86BYGB（l.8/0.90），由常州泽明自动化设备有限公司生产。

并分别选用同一生产厂家生产的WZH一2H057M、WZH一2H090MH细分驱动器进行驱动其主要特点如下；

①相最大驱动器电流为3.0安培，且电流八档可调。

②细分数可选（1/2，1/5，1/10，1/20，1/4）。

③所有输入信号都经过光电隔离。

④供电电源:

直流（24-40V）。

⑤驱动电流:

根据不同电机，调节驱动器使输出电流与电机相匹配，如果电机能够拖动负载可以调节小于电机额定电流，但不能调节大于电机额定电流。

⑥驱动方法:

恒流斩波。

单片机对步进电机进行控制，有串行控制和并行控制两种方式[10]，本设计采用串行控制。

采用串行控制时，单片机与步进电机驱动器接口之间一般有三条控制线，即有三路信号送至驱动器输入端:

（1）步进脉冲信号CP这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，CP的频率与步进电机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位目的。

（2）方向电平信号DIR:

此信号决定电机的旋转方向。

比如说，此信号为高电平是，环形分配器按正方向进行脉冲分配，电机正向旋转;此信号为低电平时，环形分配器按反方向进行脉冲分配，电机反方向旋转。

（3）脱机信号FREE:

此信号为选用信号，并不是一定要用的，只在一些特殊情况下使用。

此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态;此端为高电平或悬空时，此功能无效。

自动控制系统由系统硬件和软件两部分组成。

系统硬件主要由AT89C51单片机、步进电机、光电开关、行程开关、继电器以及牵引电磁铁组成。

控制系统以单片机为主机，输入信号9个，输出信号8个。

输入信号部分由光电开关、旋钮和微动开关组成，完成秧盘、吸种盘、电磁铁、气阀等位置、状态的检测以及控制。

输出信号控制继电器—电磁铁—气阀，气阀控制吸种盘吸种、投种动作。

整个控制电路接线简单，且输入和输出控制端均由发光二极管指示其当前的工作状态，便于设备的检修与维护。

3.3洒水装置自动控制系统

洒水装置的控制系统与铺土装置相似。

工作时，当光电传感器检测到被输送带输送到的秧盘后，向单片机发出中断申请，单片机响应中断向步进电机控制器发出脉冲控制命令,步进电机开始转动[11]。

将水箱的水抽至导水管，水在压力作用下从洒水口洒出。

当秧盘离开所需洒水位，光电传感器检测，在电机驱动器表现的低电平使步进电机停止，从而洒水停止。

不过在实验中了解洒水对于种子的发芽率影响不是很大，所以一般直接接水龙头进行送水。

3.4电源电路设计

电源是整个控制系统基础，是至关重要的一部分，电源电路设计是否合理将决定着系统的稳定、可靠、准确。

电源设计的原则为:

①宽输入:

适合比较宽的电源电