3162 棉花打頂機打頂高度自動控制裝置的設計
3162 棉花打頂機打頂高度自動控制裝置的設計,棉花,打頂,高度,自動控制,裝置,設計
12 屆畢業(yè)設計棉花打頂機大頂高度自動控制裝置的設計設計說明書學生姓名 陳 科 英 學 號 8031208203 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 班 級 12-2 指導教師 雷 福 祥 日 期 2012.5 塔里木大學教務處制前 言建設兵團是我國最大的棉花種植區(qū)。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，機械化水平不斷提高，棉花的種植面積也在不斷的增加，棉花生產(chǎn)全程機械化亟需進一步完善。棉花打頂機作為棉花生產(chǎn)全程機械化的重要組成，在現(xiàn)代棉花種植過程中有不可替代的作用。本設計以大學機械工程學院和農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所合作研制的3DDF-8 型棉花打頂機為背景，在棉花株頂高度信號采集裝置中采用紅外傳感技術(shù)，通過光電式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測液壓缸活塞桿位移變化量，系統(tǒng)控制器采集株高信號和活塞桿位移變化量并將兩者比較做出判斷，發(fā)出相應的控制指令控制液壓換向閥從而調(diào)整液壓缸活塞桿位移使其連接的打頂?shù)毒吲c棉株株頂位置對應。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境保護意識的不斷提高，計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)應用中有了新的發(fā)展空間。特別是近年來，隨著微電子技術(shù)研究的深入與成熟，以及其高精度、抗干擾等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)機械中的應用更加廣泛。目 錄緒論 ................................................................1（1） 項目背景及來源 ...............................................1（2） 棉花打頂機的現(xiàn)狀 .............................................1（3） 課題研究的內(nèi)容 ...............................................11 系統(tǒng)總體設計 ......................................................21.1 棉花打頂機的組成及工作原理 ......................................21.2 系統(tǒng)設計 ......................................................32 硬件系統(tǒng)設計 ......................................................42.1 棉株高度的自動檢測 .............................................42.1.1 紅外傳感技術(shù) .............................................42.1.2 棉株高度檢測裝置硬件電路 ..................................52.1.3 MCU 程序算法 .............................................62.1.4 切割器高度與棉株高度之間的相互關(guān)系 ..........................62.2 液壓控制系統(tǒng)及行程反饋 ..........................................72.2.1 液壓系統(tǒng)控制技術(shù)原理 ......................................72.2.2 液壓系統(tǒng)的控制 ............................................82.2.3 位移傳感器 ...............................................82.2.4 液壓缸信號采集及控制 ......................................93 系統(tǒng)控制器 .......................................................123.1 系統(tǒng)控制器設計及功能實現(xiàn) .......................................123.2 系統(tǒng)控制器程序設計 ............................................13總結(jié) ...............................................................16致謝 ...............................................................17參考文獻 ...........................................................18附錄 ...............................................................19塔里木大學畢業(yè)設計1緒論（1）項目背景及來源的棉花種植是全區(qū)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，棉花生產(chǎn)機械化現(xiàn)已基本實現(xiàn)，只是棉花打頂還不能實現(xiàn)機械化，嚴重制約了棉花生產(chǎn)的快速發(fā)展。棉花打頂是棉花增產(chǎn)增收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。同時，機械打頂也是實現(xiàn)棉花機械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一。目前，棉花打頂主要以人工作業(yè)為主，打頂時間一般在 15 天左右，作業(yè)效率低、勞動強度大、成本高、時間緊，一定程度上制約了棉花生產(chǎn)機械化、規(guī)?；途珳驶鳂I(yè)。機械當前，我國棉花生產(chǎn)技術(shù)裝備的自動化、智能化水平較低，整體上，我國棉花種植生產(chǎn)裝備技術(shù)水平和國外先進技術(shù)水平有較大差距。棉花打頂機作為實現(xiàn)棉花生產(chǎn)全程機械化配套的主要農(nóng)機具之一，在國內(nèi)研究中尚不成熟，更無性能穩(wěn)定功能健全的機型應用在實際生產(chǎn)中。由于當前研發(fā)的棉花打頂機尚不能實現(xiàn)單體仿形致使在打頂?shù)倪^程中過打、漏打現(xiàn)象明顯。有表一對比可看出機械打頂效率遠高于人工打頂，但是漏打率高于人工打頂，將近 4 倍。打頂質(zhì)量偏低成為影響棉花打頂機推廣應用的障礙之一。因此，研制、推廣采用智能控制技術(shù)的棉花打頂機具有極其重要的經(jīng)濟價值和社會效益。表一 人工打頂與機械打頂效率打頂方式 人工打頂 機械打頂工效（畝/小時） 3—5 20―25百株漏打率 5 20（2）棉花打頂機的現(xiàn)狀棉花打頂調(diào)控是棉花生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前主要以人工作業(yè)為主，勞動強度大，作業(yè)效率低。使得棉花不能在適當?shù)臅r間及時打頂，影響了棉花的產(chǎn)量。棉花生產(chǎn)全程機械化工程中，從耕地、施肥到除草、播種、定苗、灌溉、采收各環(huán)節(jié)都已基本實現(xiàn)機械化，只有棉花打頂機械化程度相對滯后。手工打頂已無法滿足大面積棉花生產(chǎn)的需求，特別是過低的生產(chǎn)效率和較高的勞動成本，嚴重影響了棉花產(chǎn)量的增長，不利于棉花產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。國外早期對棉花打頂機械有一定的研究基礎(chǔ)，懸掛式和自走式打頂機已有相關(guān)專利，實現(xiàn)了半機械化打頂。石河子大學研制的 3MD-12 型拖拉機后懸掛機械驅(qū)動、液壓升降棉花打頂機，打頂高度 400-900mm。3MDY-12 型前懸掛液壓驅(qū)動、液壓升降棉花打頂機，打頂高度 500-900mm。大學和農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所合作研制的 3DDF-8型后懸掛棉花打頂機打頂高度 400-900mm。（3）課題研究的內(nèi)容本論文所研究的主要內(nèi)容：⑴ 采用紅外檢測手段檢測棉株高度，設計出符合要求的紅外發(fā)射、接受電路。⑵液壓缸行程的反饋與控制。由系統(tǒng)控制器控制液壓系統(tǒng)電磁伺服閥線圈接通/斷開從而調(diào)節(jié)液壓缸活塞桿的升降，利用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器作為位移傳感器檢測液壓缸活塞桿位移變化量，并以脈沖信號的形式反饋給系統(tǒng)控制器與檢測到的棉株高度信號對比較判斷直至打頂裝置工作在棉株株頂位置。塔里木大學畢業(yè)設計2⑶系統(tǒng)控制器及相應的程序設計。將測高裝置檢測的信號以數(shù)字量形式送至系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器程序根據(jù)高度對應脈沖和增量式旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的液壓缸活塞桿行程量對比做出判斷，發(fā)出相應的控制指令控制液壓缸活塞桿最終使打頂?shù)毒吖ぷ髟诿拗曛觏斘恢?。基于以上考慮，我決定分布實現(xiàn)設計要求。首先完成簡單環(huán)境中的高度采集、微控制器對液壓系統(tǒng)的行程控制；再對整個系統(tǒng)綜合調(diào)試，使系統(tǒng)的各項工作指標逐漸完善。1 系統(tǒng)總體設計1.1 棉花打頂機的組成及工作原理“3DDF—8 型棉花打頂機 ”為整體液壓升降控制，液壓油缸鉸接在支臂上，機架上部鉸接活塞桿端部。工作時，打頂機的動力輸出由拖拉機的輸出軸經(jīng)變速器通過帶輪帶動主傳動軸高速旋轉(zhuǎn)，主傳動軸又經(jīng)皮帶輪帶動各工作部件旋轉(zhuǎn)，工作部件均勻分布著隨之旋轉(zhuǎn)的動刀，不斷旋轉(zhuǎn)的動刀在定刀處切掉棉株頂部，實現(xiàn)棉花打頂。圖 1-1 “3DDF—8”型棉花打頂機塔里木大學畢業(yè)設計31 機架 2 主傳動軸 3 液壓油缸 4 打頂?shù)毒?5 地輪 6 仿形靴圖 1-2 棉花打頂機1.2 系統(tǒng)設計本系統(tǒng)由棉株高度檢測裝置、液壓缸活塞桿行程控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、系統(tǒng)控制器組成。由棉株高度檢測裝置檢測棉株高度信號，采集到高度信號送至系統(tǒng)控制器，將拉線式位移傳感器反饋的液壓缸活塞桿行程增量該與對應棉株高度對比，控制器程序判斷發(fā)送控制指令控制液壓電磁伺服閥線圈接通/斷開調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)液壓油的流向，直至液壓缸活塞桿升降高度與棉花株頂高度對應。控制系統(tǒng)圖如圖 1-3 所示： 高度檢測裝置液 壓 缸 位 移 傳 感 器系統(tǒng)傳感器電 磁 換 向 閥液 壓 泵圖 1-3 系統(tǒng)控制示意圖在該系統(tǒng)中，棉株高度檢測裝置采用紅外傳感技術(shù)檢測棉株株頂信號，位移傳感器檢測液壓缸活塞桿位置，兩者做比較提高了反饋的精度。系統(tǒng)各模塊的具體功能實現(xiàn)將在后面的章節(jié)中詳細介紹。塔里木大學畢業(yè)設計42 硬件系統(tǒng)設計棉花打頂硬件系統(tǒng)由棉株高度檢測傳感器、液壓系統(tǒng)、打頂?shù)毒?、位移傳感器、系統(tǒng)控制器組成。上述裝置都安裝在棉花打頂機機架上由拖拉機帶動。高度檢測傳感器位于機架最前方，由紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊組成，發(fā)射模塊和接收模塊分別在棉株的兩側(cè)。打頂?shù)毒吲c液壓缸相連在高度檢測傳感器后側(cè)。位移傳感器與液壓缸活塞桿相連檢測活塞桿的位移變化量并將其轉(zhuǎn)化成脈沖信號。系統(tǒng)控制器則根據(jù)高度傳感器與位移傳感器的信號輸入控制液壓缸活塞桿的位移。 1264351 棉株高度采集裝置 2 打頂?shù)毒?3 液壓缸 4 系統(tǒng)控制器 5 電磁換向閥 6 位移傳感器圖 2-1 棉花打頂控制系統(tǒng)硬件示意圖2.1 棉株高度的自動檢測由于棉花打頂機是在作業(yè)過程中對切割器離地高度進行自動調(diào)整，且棉花打頂機工作在振動、多塵的環(huán)境中，因此選用傳感器應具有適應這種環(huán)境的能力。近紅外技術(shù)是一種快速分析技術(shù)，具有低成本、響應速度快、非接觸檢測、多組分同時測定、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低等優(yōu)點，目前被廣泛應用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、在線實時檢測和探測等領(lǐng)域。其中的關(guān)鍵是確定出特征波長或特征波段。我們所講的紅外線就是波長為 0.76μm-1.5μm 之間的紅外光。目前，紅外發(fā)射器件（紅外發(fā)光二極管）發(fā)出的是峰值波長為 0.88μm-0.94μm 之間的近紅外光。而作為光接收器件的光敏二極管、光敏三極管的受光峰值波長在 0.88μm-0.94μm 之間，恰好與紅外發(fā)光二極管的光峰值波長相匹配，這樣可獲得較高的傳輸效率及較好的抗干擾性能。2.1.1 紅外傳感技術(shù)紅外測距是一種非直接接觸的測量式，由于其結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強、成本低等優(yōu)點，在測量測繪上得到廣泛的運用。該系統(tǒng)由紅外發(fā)射接收傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換電路、信號采集處理、數(shù)據(jù)顯示電路等組成，體積小，操作簡單，非常適合于近距離的測量應用。紅外測距原理：傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，紅外光遇前方障礙發(fā)生反射，光敏接收管接收前方物體反射光。本控制系統(tǒng)的 MCU 采用美國 Microchip 公司生產(chǎn)的PIC16F877，該單片機是由 8 位單片微機，在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標準8051 單片機完全兼容，最高時鐘頻率 90 MHz，低功耗，可支持（ ISP IAP）編程。紅外測塔里木大學畢業(yè)設計5距采用 GP2Y0A02YK 芯片，它采用光學三角測量的方法，測量精度受反射物體的顏色和光線的影響比較小，內(nèi)部集成了紅外接收發(fā)射兩個模塊，感應距離為 20cm 至 150cm，寬范圍供電（0~7 V ） ，不需要多余的外部接口電路，也不需要額外的處理電路，簡化了底層控制器的外圍電路，使用方便。感應距離與輸出電壓的關(guān)系如圖 2-2 所示。圖 2-2 測量距離于輸出電壓關(guān)系圖由于在 20~150cm 范圍內(nèi)測量距離與輸出電壓成曲線變化，測量輸出電壓將其進行A/D 轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信息進行歸算得到測量的距離，在將其結(jié)果用數(shù)碼管或者上傳到單片機進行實時分析處理。 2.1.2 棉株高度檢測裝置硬件電路利用紅外技術(shù)我們可以構(gòu)建我們所需要的高度檢測電路。高度檢測電路可分為發(fā)射電路和接收電路。在發(fā)射電路中，輸出為紅外發(fā)射電路的輸入信號。由 PIC16F877 的發(fā)射管腳發(fā)射設定編碼的信號驅(qū)動紅外發(fā)射管，紅外發(fā)射管將編碼以紅外信號的形式發(fā)射。首先利用紅外發(fā)光管 TLN205 發(fā)射紅外光，紅外光在遇到前面的障礙物反射，由紅外接收管 TPS708 接收，此時 TPS708 會產(chǎn)生一個與光強相對應的電流。電流經(jīng)由 LM358 兩級放大后，在輸出端可以得到一個 0～3V 的模擬電壓，作為 PIC16F877 單片機 RA0 端口的模擬輸入量。單片機在完成初始化和端口選擇后,即開始進行 A/ D 轉(zhuǎn)換，重復等待與檢查轉(zhuǎn)換完成標志值是否已為零，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過譯碼器 74LS138 在 LED 上顯示出來。塔里木大學畢業(yè)設計6圖 2-3 紅外光發(fā)射電路圖 2-4 紅外光接收電路2.1.3 MCU 程序算法當模擬量信號為 3.3V 時，Val 返回 255，當模擬量信號為 0V 時，返回呈線性的關(guān)系，計算得到每伏電壓的數(shù)值為 77.27。數(shù)據(jù)歸算問題 圖 2-2 所示測量距離與輸出電壓關(guān)系并不是線性的關(guān)系，在 20 ~ 150 cm 范圍內(nèi)測量距離與輸出電壓近似成二次曲線的關(guān)系。用 MATLAB 編寫程序，輸入坐標值求解關(guān)系式，將圖一擬合成如下函數(shù)關(guān)系式：y=35x2-160x+202（其中 x 為紅外輸出電壓，y 為測量距離值 ） ，最后將其歸算成距離量。 2.1.4 切割器高度與棉株高度之間的相互關(guān)系根據(jù)棉花打頂?shù)霓r(nóng)藝要求，計算出切割器刀具中心高度 H 與棉株高度 h 之間的相互關(guān)塔里木大學畢業(yè)設計7系。平均去頂高度為 40mm，計算得出 H =( h－40)mm。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用紅外探測技術(shù)來檢測棉株的高度。在被測作物上方安裝紅外發(fā)射裝置，將其固定在棉花打頂機的機架上，發(fā)射裝置離地距離為 S。根據(jù)紅外傳感器的工作原理，由單片機控制紅外裝置電路，采集檢測時間，計算出探頭與棉株之間的距離D，則棉株的實際高度為 h = S－D 。如圖 2-5 所示 a 為液壓缸無伸縮高度，b 為液壓缸離地高度， c 為機架高度，設位移傳感器檢測出液壓缸伸縮位移為 x 則打頂機打頂?shù)毒吒叨葹?H=a+b+x-c。圖 2-5 打頂?shù)毒唠x地高度液壓缸自動調(diào)整距離 y=H-h-40（mm） 。2.2 液壓控制系統(tǒng)及行程反饋2.2.1 液壓系統(tǒng)控制技術(shù)原理在整個液壓系統(tǒng)中，動力元件將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能為系統(tǒng)提供動力；控制元件對系統(tǒng)中的油液進行控制；工作介質(zhì)（油液）則通過輸油管路等輔助元件將能量傳遞至執(zhí)行元件。液壓系統(tǒng)的控制是靠液壓控制閥來完成的。液壓控制閥（液壓閥）是液壓系統(tǒng)中的控制調(diào)節(jié)元件，其功用是通過控制調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中油液的流向、壓力和流量，是執(zhí)行器及其驅(qū)動的工作機構(gòu)獲得所需的運動方向、推力及運動速度等，以滿足不同的動作要求。液壓閥的基本結(jié)構(gòu)包括閥芯、閥體和驅(qū)動閥芯在閥體內(nèi)作相對運動的裝置。液壓閥利用閥芯在閥體內(nèi)作相對運動來控制閥口的通斷及開度大小，從而實現(xiàn)液壓系統(tǒng)方向、壓力和流量的控制。液壓閥根據(jù)其控制作用不同可分為方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥等。我們的液壓系統(tǒng)主要控制活塞桿的升降采用的是方向控制閥，主要為控制液壓系統(tǒng)中液流的方向，以滿足執(zhí)行機構(gòu)方向?qū)崟r變換的需要。方向控制閥的中三位四通電磁換向閥是應用最為廣泛的換向閥，我們將從三位四通電磁式換向閥的結(jié)構(gòu)及工作原理方面進一步了解液壓系統(tǒng)的控制過程。所謂三位四通是指接口數(shù)與閥芯切換位置數(shù)，接口是指閥上各種接油管的進、出口，進油口通常標為 P，回油口則標為 T，出油口則以 A、 B 來表示；閥內(nèi)閥芯可移動的位置數(shù)稱為切換位置數(shù)。通常我們將接口稱為“通” ，將閥芯的位置稱為“位” 。當電磁鐵斷電時，閥芯在兩端復位彈簧的作用下處于中位，四個油門 P，T，A，B 由閥芯臺肩隔開，互不相通；當電磁鐵通電推動閥芯向右移動，P 口與 A 口相通，B 口與 T塔里木大學畢業(yè)設計8口相通，推動執(zhí)行機構(gòu)前進；當電磁鐵推動閥芯向左移動，P 口與 B 口相通，A 口與 T 口相通，推動執(zhí)行機構(gòu)后退。2.2.2 液壓系統(tǒng)的控制在我們使用的液壓系統(tǒng)中，電磁換向閥是電氣控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)之間的連接元件。通過控制電磁鐵的通斷，使電磁滑閥移動，從而實現(xiàn)液壓系統(tǒng)中油路的換向。對電磁鐵的控制只有開啟或關(guān)閉兩種狀態(tài)。在液壓系統(tǒng)中，控制器對電磁換向閥的控制，單片機發(fā)出控制指令鎖存在輸出通道的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再經(jīng)過光電隔離、功率放大后驅(qū)動繼電器從而控制電磁鐵線圈通斷，以此達到控制液壓換向閥的目的。在電磁換向閥的控制電路中，為防止現(xiàn)場的電磁干擾以及外部強電的反串，采用光電隔離以避免干擾。如果控制系統(tǒng)輸出電路的電壓和功率與電磁鐵線圈電壓和功率不匹配，需要通過繼電器控制電磁鐵動作。單片機光電隔離繼電器 電磁鐵圖 2-6 單片機控制電磁換向閥原理圖我們的液壓系統(tǒng)采用的是三位四通 DC24V 電磁換向閥，需要專用的電源模塊。當單片機輸出為高電平時，利用反相驅(qū)動器 7406 轉(zhuǎn)換為低電平，使光耦發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，繼電器線圈導通，吸合繼電器觸點使電磁閥導通；反之，電磁閥斷開。通過以上電路可以改變液壓換向閥的通斷調(diào)節(jié)液壓缸活塞桿的升降使其與棉株頂端高度趨于一致，達到精確打頂?shù)哪康摹?.2.3 位移傳感器當系統(tǒng)控制器對電磁換向閥進行控制時，活塞桿是否到達指定位置難以判斷，需要通過位移傳感器采集活塞桿位移變化量與給定位移量進行比較。位移傳感器又稱為線性傳感器，包括電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、光電式位移傳感器等。圖 2-7 液壓系統(tǒng)位置反饋連接裝置塔里木大學畢業(yè)設計9光電式位移傳感器采用光電編碼器將機械位移變化量轉(zhuǎn)換成脈沖量或數(shù)字量。光電編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。增量式光電編碼器利用光電方法，通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機械量，幾何位移量等轉(zhuǎn)換成相應的脈沖信號或數(shù)字量，從而獲得機械的運動狀態(tài)，位置坐標及其變化量等信息。計算機根據(jù)這些信息給出處理結(jié)果并發(fā)出指令，實現(xiàn)自動控制。增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵和光電檢測器件以及轉(zhuǎn)換電路組成。 碼盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀透光縫隙，相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有 A、B 兩組與碼盤相對應的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開 1/4 節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差 90°電度角。當碼盤隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，檢測光柵不動，光線透過碼盤和檢測光柵上的透過縫隙照射到光電檢測器件上，光電檢測器件就輸出兩組相位相差 90°電度角的近似于正弦波的電信號，電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路的信號處理，可以得到被測軸的轉(zhuǎn)角或速度信息。增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器輸出的信號波形如圖 2-9 所示。圖 2-9 增量式光電編碼器輸出波形增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器的特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號，其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化（速度）的傳感方法，它是相對于某個基準點的相對位置增量，不能夠直接檢測出軸的絕對位置信息。一般來說，增量式光電編碼器輸出 A、B 兩相互差 90°電度角的脈沖信號（即所謂的兩組正交輸出信號） ，從而可方便地判斷出轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向。同時還有用作參考零位的相脈沖信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個標志信號。標志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零。增量式光電編碼器的優(yōu)點是：原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn)；機械平均壽命長，可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息。在活塞桿位移量反饋裝置中，活塞桿頂部通過拉線與編碼器光柵盤連接，光柵盤在拉線帶動下旋轉(zhuǎn)，經(jīng)光電檢測裝置檢測輸出脈沖信號，所輸出脈沖數(shù)與位移變化量想對應，通過信號線傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器。2.2.4 液壓缸信號采集及控制液壓缸活塞桿的位移變化量是由拉線式位移傳感器的脈沖數(shù)來表現(xiàn)的。拉線式位移傳感器的拉線與活塞桿頂端相連，當活塞桿有位移變化時通過拉線帶動傳感器的光柵盤轉(zhuǎn)動，傳感器的檢測裝置將光柵盤的轉(zhuǎn)動量以脈沖的形式輸出。塔里木大學畢業(yè)設計10B相A相相相 (a) 編 碼 器 正 轉(zhuǎn)（ b） 編 碼 器 反 轉(zhuǎn)圖 2-10 編碼器輸出波形相位圖由于活塞桿既可以上升又可以下降，因此位移傳感器主軸在拉線的帶動下會正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，我們需要根據(jù)光柵盤的轉(zhuǎn)動方向?qū)γ}沖進行加減計數(shù)。由于光電編碼器發(fā)出的 A、B兩路信號相位差為 90°，正轉(zhuǎn)時 A 相超前 B 相 90°，在 A 相脈沖下降沿 B 相脈沖為高電平；反轉(zhuǎn)時 B 相超前 A 相 90°，在 A 相脈沖下降沿相 B 脈沖為低電平。所以首先要進行方向判別，就是對編碼器脈沖作鑒相處理。在 A 相脈沖的下降沿通過判斷 B 相脈沖的電平高低即可判斷活塞桿的升降。然后根據(jù)判別的方向決定對脈沖數(shù)做加計數(shù)還是減計數(shù)，最后得出活塞桿實際位移量。對脈沖進行鑒相計數(shù)可用硬件實現(xiàn)也可用軟件實現(xiàn)，硬件計數(shù)實時性及可靠性好，但是電路復雜，而軟件計數(shù)雖然電路簡單，但是計數(shù)速度慢，容易出錯。參考以上兩種鑒相計數(shù)方法，將軟硬件方法相結(jié)合進行鑒相計數(shù)，即利用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)加減計數(shù)，外圍電路簡單，計數(shù)效率也有了顯著提高。圖 2-11 利用 D 觸發(fā)器和單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)鑒相計數(shù)該電路的 A、B 兩相輸入經(jīng)過 D 觸發(fā)器（上升沿觸發(fā)）的輸出接單片機的外部中斷INT0，經(jīng)過反相的輸出接到外部中斷 INT1，計數(shù)脈沖 A 則連接到單片機的計數(shù)器 T0。若將系統(tǒng)中斷設置為下降沿觸發(fā)，編碼器光柵盤正轉(zhuǎn)時，B 相脈沖的上升沿 A 相脈沖為高電平，則輸出端 Q 為高電平， 為低電平；若光柵盤反轉(zhuǎn)， B 相脈沖的上升沿 A 相脈沖為低電平，D 觸發(fā)器輸出 Q 為低電平， 為高電平。因此，當編碼器主軸由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時INT0 由高電平變?yōu)榈碗娖剑琁NT1 由低電平變?yōu)楦唠娖?，外部中?INT0 有效，執(zhí)行中INT0 服務程序；當主軸由反轉(zhuǎn)變?yōu)檎D(zhuǎn)時，INT0 由低電平變?yōu)楦唠娖剑琁NT1 由高電平變?yōu)榈碗娖?，外部中?INT1 有效，執(zhí)行外部中斷 INT1 服務程序。塔里木大學畢業(yè)設計11表 2-1 編碼器正反轉(zhuǎn)變化時有效中斷主軸轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換 B 相上升沿 A 相脈沖電平 Q 有效中斷反轉(zhuǎn)? 正轉(zhuǎn) 低電平?高電平 低電平?高電平 高電平?低電平 外部中斷 1正轉(zhuǎn)? 反轉(zhuǎn) 高電平?低電平 高電平?低電平 低電平?高電平 外部中斷 0下面為該電路下的控制器計數(shù)程序。#include #include sbit LS138A=P2^2; sbit LS138B=P2^3;sbit LS138C=P2^4; unsigned int LedNumVal = 0 ,LedOut[8];// 此表為 LED 的字模 // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A b c d E - L P U Hidden _ (20)unsigned char code Disp_Tab[] = { ~0xC0,~0xF9,~0xA4,~0xB0,~0x99,~0x92,~0x82,~0xF8,~0x80,~0x90,~0x88,~0x83,~0xC6,~0xA1,~0x86,~0xbf,~0xc7,~0x8c,~0xc1, ~0xff, ~0xf7 }; void delay(unsigned int i){char j;for(i; i > 0; i--)for(j = 200; j > 0; j--);}display(){ unsigned char i;LedOut[0]=Disp_Tab[LedNumVal/10000];LedOut[1]=Disp_Tab[(LedNumVal%10000)/1000];LedOut[2]=Disp_Tab[((LedNumVal%10000)%1000)/100];LedOut[3]=Disp_Tab[(((LedNumVal%10000)%1000)%100)/10];LedOut[4]=Disp_Tab[(((LedNumVal%10000)%1000)%100)%10];=== for( i=0; iX+n/2，即活塞桿高于棉株株頂高度，調(diào)整活塞桿下降；若 x#include sbit LS138A=P2^2; sbit LS138B=P2^3;sbit LS138C=P2^4; int zhugao,zhugao_h,zhugao_l;unsigned int LedNumVal = 0 ,LedOut[8];// 此表為 LED 的字模 // 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A b c d E - L P U Hidden _ (20)unsigned char code Disp_Tab[] = { ~0xC0,~0xF9,~0xA4,~0xB0,~0x99,~0x92,~0x82,~0xF8,~0x80,~0x90,~0x88,~0x83,~0xC6,~0xA1,~0x86,~0xbf,~0xc7,~0x8c,~0xc1, ~0xff, ~0xf7 }; void delay(unsigned int i)塔里木大學畢業(yè)設計14{char j;for(i; i > 0; i--)for(j = 200; j > 0; j--);}void display(){ unsigned char i;LedOut[0]=Disp_Tab[LedNumVal/10000];LedOut[1]=Disp_Tab[(LedNumVal%10000)/1000];LedOut[2]=Disp_Tab[((LedNumVal%10000)%1000)/100];LedOut[3]=Disp_Tab[(((LedNumVal%10000)%1000)%100)/10];LedOut[4]=Disp_Tab[(((LedNumVal%10000)%1000)%100)%10];for( i=0; izhugao_l&&zhugaozhugao_h){P2=0X01;}display();//delay(50);}}void counter(void) interrupt 0 { if (INT1){ if(INT1){LedNumVal++; }}else{LedNumVal--;}塔里木大學畢業(yè)設計16總 結(jié)本文主要研究內(nèi)容為：紅外傳感技術(shù)在棉株測高裝置中的應用；位移傳感器特別是光電式旋轉(zhuǎn)編碼器原理、安裝及信號處理；單片機對液壓電磁換向閥的控制。 研究結(jié)論（1） 、采用紅外傳感技術(shù)替代傳統(tǒng)的超聲波、激光等傳感器，同樣能夠滿足系統(tǒng)要求且具有更好的性價比。（2） 、利用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器作為位移傳感器采集液壓缸活塞桿的位移變化量，控制器能夠根據(jù)反饋信號精確的對液壓系統(tǒng)進行實時調(diào)節(jié)，保證打頂?shù)毒吖ぷ髟诤侠砦恢?。?） 、通過微控制器對液壓系統(tǒng)電磁換向閥進行控制。對光電等新技術(shù)在傳統(tǒng)機械領(lǐng)域的應用有很好的實踐作用，能夠很好的提高農(nóng)業(yè)機械自動化程度。塔里木大學畢業(yè)設計17致 謝經(jīng)過 3 個多月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及學科組其他老師的悉心指導，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導師雷福祥老師。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從框架設計到查閱資料，設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，編寫說明書等整個過程中都給予了我悉心的指導并且為我的設計提供優(yōu)良的外部條件。除了敬佩雷福祥老師的專業(yè)水平外，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。同時還要感謝王麗老師在單片機設計及編程方面所提出的意見和對我的幫助，同時也要感謝學院領(lǐng)導和學科組的各位老師，給與我們可以做圖的辦公室。我在完成畢業(yè)設計的工程中給你們添了不少的麻煩，謝謝你們對我的設計和論文的順利完成所給予的關(guān)心和幫助。另外，感謝我身邊的所有幫助我的同學們，謝謝同學們在設計過程給予我的建議和問題，也就是在不斷的解決同學們給我的設計提出的問題的同時我完成了我大學生崖的最后一課的作業(yè)。感謝各位老師和同學在大學的生活給我的關(guān)心和幫助，讓我在完成自己學業(yè)的同時也學到很多的生活技能，為我走向社會提供了基石。四年的專業(yè)學習，使我真正掌握了一種學習的方法，這是大學給我的最寶貴的東西，也是各位老師給我的最寶貴的東西，在這里向辛勤工作的各位老師表示由衷的感謝。最后，祝愿我們的老師和同學們在事業(yè)上蒸蒸日上，在生活上和和美美。塔里木大學畢業(yè)設計18參考文獻[1]高巍,陳進.作物高度自動測量裝置的研制[J].農(nóng)機化研究,2004.[2]陳進,張淑紅,李耀明.聯(lián)合收獲機梳脫臺高度自動系統(tǒng)的設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2003(11):65- 67.[3]梁森.自動檢測技術(shù)及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.[4]中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院.農(nóng)業(yè)機械設計手冊[K].北京:中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社.2007．[5](韓)金昌萵.UG NX4權(quán)威指南一裝配與運動仿真[M].北京:中國青年電子出版社,2007．[6]胡斌.3MD-12型棉花打頂機[J].農(nóng)機化研究,2003(1):88—89．[7]李杰峰.農(nóng)業(yè)液壓系統(tǒng)的使用與維護[J].農(nóng)業(yè)機械與電氣化，2007.[8]宋龍志.液壓系統(tǒng)故障的檢查方法[J].農(nóng)機使用與維修,2003(4):36．[9] 金衡模.農(nóng)業(yè)機械自動化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報 .2000,(5):44-49[10] 劉俊奇.棉花打頂機應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)機化研究 .2008,(9):249-251[11] 陳燕.棉花打頂機的改進設計與研究[D].烏魯木齊: 大學,2010:6-8[12] 楊旭海.棉花打頂機打頂高度自動控制系統(tǒng)的設計[J].農(nóng)機化研究.2009,(7):129-135[13] 宗存元.工程機械的隨動轉(zhuǎn)向裝置[J]. 機械研究與應用 .2005,(4):96-97[14] 蘇長贊.紅外線與超聲波遙控[M]. 北京: 人民郵電出版社,1993:216-297[15] 張利平.液壓傳動與控制[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社,2005:3-7[16] 劉文魁.光電旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測量中的應用[J]. 現(xiàn)代制造工程 .2006,(11):90-92[17] 劉得芳.光電編碼器輸出脈沖可逆計數(shù)的一種實用方法 [J]. 控制與檢測.2006,(7):43-45塔里木大學畢業(yè)設計19附錄紅外測高裝置電路圖紅外發(fā)射電路VinC110uFPD33TLN205LEDQ1R1 330kR2 20kR3 470kR4 10kQ2Vcc塔里木大學畢業(yè)設計20紅外接收電路VotR510kR610kR710kR8100kR9330kR11 10k3 267 4U1LM358R10100K3 267 4U2LM358VCD2TPS708塔里木大學畢業(yè)設計21紅外測距 PLC 硬件連接電路RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN2/VREF-4 RA4/T0CKI6RA5/AN4/S7 RE0/AN5/RD8RE1/AN6/WR9RE2/AN7/CS10OSC1/CLKIN13OSC2/CLKOUT14RC1/T1OSI/CP216RC2/CP117RC3/SCK/SCL18RD0/PSP019RD1/PSP120RB7/PGD40RB6/PGC39RB538RB437RB3/PGM36RB235RB134RB0/INT3RD7/PSP730RD6/PSP629RD5/PSP528RD4/PSP427RD3/PSP32RD2/PSP221RC7/RX/DT26RC6/TX/CK25RC5/SDO24RC4/SDI/SDA23RA3/AN3/VREF+5RC0/T1OSO/T1CKI15MCLR/Vp/THV1U1 PIC16F87X110MHzC1 15pF C2 15pFA1B2C3 E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y41Y510Y69Y77U2 74LS138塔里木大學畢業(yè)設計22控制器外圍電路圖右閥 左閥A脈沖 B脈沖棉花高度信號輸入1棉花高度信號輸入2棉花高度信號輸入3棉花高度信號輸入4棉花高度信號輸入5棉花高度信號輸入6A1B2C3 E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y41Y510Y69Y77U374LS138XTAL218XTAL119 ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732P1.01P1.2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2.2/A1023P2.3/A124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1 AT89C511B11C162B22C153B33C144B44C135B55C126B66C17B77C10COM9U3ULN203AK1DPDT K2DPDTVC VCVC 24V VC 24VVCC1 30pF C2 30pFX1XTAL 12 屆畢業(yè)設計棉花打頂機大頂高度自動控制裝置的設計設計說明書學生姓名 陳 科 英 學 號 8031208203 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 班 級 12-2 指導教師 雷 福 祥 日 期 2012.5 塔里木大學教務處制前 言建設兵團是我國最大的棉花種植區(qū)。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，機械化水平不斷提高，棉花的種植面積也在不斷的增加，棉花生產(chǎn)全程機械化亟需進一步完善。棉花打頂機作為棉花生產(chǎn)全程機械化的重要組成，在現(xiàn)代棉花種植過程中有不可替代的作用。本設計以大學機械工程學院和農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所合作研制的3DDF-8 型棉花打頂機為背景，在棉花株頂高度信號采集裝置中采用紅外傳感技術(shù)，通過光電式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測液壓缸活塞桿位移變化量，系統(tǒng)控制器采集株高信號和活塞桿位移變化量并將兩者比較做出判斷，發(fā)出相應的控制指令控制液壓換向閥從而調(diào)整液壓缸活塞桿位移使其連接的打頂?shù)毒吲c棉株株頂位置對應。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境保護意識的不斷提高，計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)應用中有了新的發(fā)展空間。特別是近年來，隨著微電子技術(shù)研究的深入與成熟，以及其高精度、抗干擾等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)機械中的應用更加廣泛。
收藏