3162 棉花打頂機(jī)打頂高度自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì),棉花,打頂,高度,自動(dòng)控制,裝置,設(shè)計(jì) 12 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)棉花打頂機(jī)大頂高度自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué)生姓名 陳 科 英 學(xué) 號(hào) 8031208203 所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化 班 級(jí) 12-2 指導(dǎo)教師 雷 福 祥 日 期 2012.5 塔里木大學(xué)教務(wù)處制前 言建設(shè)兵團(tuán)是我國(guó)最大的棉花種植區(qū)。近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，機(jī)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(jī)械化亟需進(jìn)一步完善。棉花打頂機(jī)作為棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的重要組成，在現(xiàn)代棉花種植過(guò)程中有不可替代的作用。本設(shè)計(jì)以大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院和農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所合作研制的3DDF-8 型棉花打頂機(jī)為背景，在棉花株頂高度信號(hào)采集裝置中采用紅外傳感技術(shù)，通過(guò)光電式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)液壓缸活塞桿位移變化量，系統(tǒng)控制器采集株高信號(hào)和活塞桿位移變化量并將兩者比較做出判斷，發(fā)出相應(yīng)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(duì)應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中有了新的發(fā)展空間。特別是近年來(lái)，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(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用更加廣泛。目 錄緒論 ................................................................1（1） 項(xiàng)目背景及來(lái)源 ...............................................1（2） 棉花打頂機(jī)的現(xiàn)狀 .............................................1（3） 課題研究的內(nèi)容 ...............................................11 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ......................................................21.1 棉花打頂機(jī)的組成及工作原理 ......................................21.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................................32 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................................42.1 棉株高度的自動(dòng)檢測(cè) .............................................42.1.1 紅外傳感技術(shù) .............................................42.1.2 棉株高度檢測(cè)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(hào)采集及控制 ......................................93 系統(tǒng)控制器 .......................................................123.1 系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn) .......................................123.2 系統(tǒng)控制器程序設(shè)計(jì) ............................................13總結(jié) ...............................................................16致謝 ...............................................................17參考文獻(xiàn) ...........................................................18附錄 ...............................................................19塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1緒論（1）項(xiàng)目背景及來(lái)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(jī)械化現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)，只是棉花打頂還不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，嚴(yán)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(shí)，機(jī)械打頂也是實(shí)現(xiàn)棉花機(jī)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(shí)間一般在 15 天左右，作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、時(shí)間緊，一定程度上制約了棉花生產(chǎn)機(jī)械化、規(guī)?；途珳?zhǔn)化作業(yè)。機(jī)械當(dāng)前，我國(guó)棉花生產(chǎn)技術(shù)裝備的自動(dòng)化、智能化水平較低，整體上，我國(guó)棉花種植生產(chǎn)裝備技術(shù)水平和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平有較大差距。棉花打頂機(jī)作為實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化配套的主要農(nóng)機(jī)具之一，在國(guó)內(nèi)研究中尚不成熟，更無(wú)性能穩(wěn)定功能健全的機(jī)型應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。由于當(dāng)前研發(fā)的棉花打頂機(jī)尚不能實(shí)現(xiàn)單體仿形致使在打頂?shù)倪^(guò)程中過(guò)打、漏打現(xiàn)象明顯。有表一對(duì)比可看出機(jī)械打頂效率遠(yuǎn)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(jī)推廣應(yīng)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(jī)具有極其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。表一 人工打頂與機(jī)械打頂效率打頂方式 人工打頂 機(jī)械打頂工效（畝/小時(shí)） 3—5 20―25百株漏打率 5 20（2）棉花打頂機(jī)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(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。使得棉花不能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間及時(shí)打頂，影響了棉花的產(chǎn)量。棉花生產(chǎn)全程機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化，只有棉花打頂機(jī)械化程度相對(duì)滯后。手工打頂已無(wú)法滿足大面積棉花生產(chǎn)的需求，特別是過(guò)低的生產(chǎn)效率和較高的勞動(dòng)成本，嚴(yán)重影響了棉花產(chǎn)量的增長(zhǎng)，不利于棉花產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。國(guó)外早期對(duì)棉花打頂機(jī)械有一定的研究基礎(chǔ)，懸掛式和自走式打頂機(jī)已有相關(guān)專利，實(shí)現(xiàn)了半機(jī)械化打頂。石河子大學(xué)研制的 3MD-12 型拖拉機(jī)后懸掛機(jī)械驅(qū)動(dòng)、液壓升降棉花打頂機(jī)，打頂高度 400-900mm。3MDY-12 型前懸掛液壓驅(qū)動(dòng)、液壓升降棉花打頂機(jī)，打頂高度 500-900mm。大學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所合作研制的 3DDF-8型后懸掛棉花打頂機(jī)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(cè)手段檢測(cè)棉株高度，設(shè)計(jì)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(kāi)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(cè)液壓缸活塞桿位移變化量，并以脈沖信號(hào)的形式反饋給系統(tǒng)控制器與檢測(cè)到的棉株高度信號(hào)對(duì)比較判斷直至打頂裝置工作在棉株株頂位置。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)2⑶系統(tǒng)控制器及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。將測(cè)高裝置檢測(cè)的信號(hào)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(duì)應(yīng)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(duì)比做出判斷，發(fā)出相應(yīng)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??；谝陨峡紤]，我決定分布實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。首先完成簡(jiǎn)單環(huán)境中的高度采集、微控制器對(duì)液壓系統(tǒng)的行程控制；再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)綜合調(diào)試，使系統(tǒng)的各項(xiàng)工作指標(biāo)逐漸完善。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1.1 棉花打頂機(jī)的組成及工作原理“3DDF—8 型棉花打頂機(jī) ”為整體液壓升降控制，液壓油缸鉸接在支臂上，機(jī)架上部鉸接活塞桿端部。工作時(shí)，打頂機(jī)的動(dòng)力輸出由拖拉機(jī)的輸出軸經(jīng)變速器通過(guò)帶輪帶動(dòng)主傳動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)，主傳動(dòng)軸又經(jīng)皮帶輪帶動(dòng)各工作部件旋轉(zhuǎn)，工作部件均勻分布著隨之旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀，不斷旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀在定刀處切掉棉株頂部，實(shí)現(xiàn)棉花打頂。圖 1-1 “3DDF—8”型棉花打頂機(jī)塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)31 機(jī)架 2 主傳動(dòng)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(jī)1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由棉株高度檢測(cè)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(cè)裝置檢測(cè)棉株高度信號(hào)，采集到高度信號(hào)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(duì)應(yīng)棉株高度對(duì)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(kāi)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(duì)應(yīng)?？刂葡到y(tǒng)圖如圖 1-3 所示： 高度檢測(cè)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(cè)裝置采用紅外傳感技術(shù)檢測(cè)棉株株頂信號(hào)，位移傳感器檢測(cè)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(shí)現(xiàn)將在后面的章節(jié)中詳細(xì)介紹。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)42 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)棉花打頂硬件系統(tǒng)由棉株高度檢測(cè)傳感器、液壓系統(tǒng)、打頂?shù)毒摺⑽灰苽鞲衅?、系統(tǒng)控制器組成。上述裝置都安裝在棉花打頂機(jī)機(jī)架上由拖拉機(jī)帶動(dòng)。高度檢測(cè)傳感器位于機(jī)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(cè)傳感器后側(cè)。位移傳感器與液壓缸活塞桿相連檢測(cè)活塞桿的位移變化量并將其轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)。系統(tǒng)控制器則根據(jù)高度傳感器與位移傳感器的信號(hào)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(dòng)檢測(cè)由于棉花打頂機(jī)是在作業(yè)過(guò)程中對(duì)切割器離地高度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，且棉花打頂機(jī)工作在振動(dòng)、多塵的環(huán)境中，因此選用傳感器應(yīng)具有適應(yīng)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(yīng)速度快、非接觸檢測(cè)、多組分同時(shí)測(cè)定、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和探測(cè)等領(lǐng)域。其中的關(guān)鍵是確定出特征波長(zhǎng)或特征波段。我們所講的紅外線就是波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)在 0.88μm-0.94μm 之間，恰好與紅外發(fā)光二極管的光峰值波長(zhǎng)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(cè)距是一種非直接接觸的測(cè)量式，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量測(cè)繪上得到廣泛的運(yùn)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(hào)采集處理、數(shù)據(jù)顯示電路等組成，體積小，操作簡(jiǎn)單，非常適合于近距離的測(cè)量應(yīng)用。紅外測(cè)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(guó) Microchip 公司生產(chǎn)的PIC16F877，該單片機(jī)是由 8 位單片微機(jī)，在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8051 單片機(jī)完全兼容，最高時(shí)鐘頻率 90 MHz，低功耗，可支持（ ISP IAP）編程。紅外測(cè)塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)5距采用 GP2Y0A02YK 芯片，它采用光學(xué)三角測(cè)量的方法，測(cè)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(gè)模塊，感應(yīng)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(jiǎn)化了底層控制器的外圍電路，使用方便。感應(yīng)距離與輸出電壓的關(guān)系如圖 2-2 所示。圖 2-2 測(cè)量距離于輸出電壓關(guān)系圖由于在 20~150cm 范圍內(nèi)測(cè)量距離與輸出電壓成曲線變化，測(cè)量輸出電壓將其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信息進(jìn)行歸算得到測(cè)量的距離，在將其結(jié)果用數(shù)碼管或者上傳到單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。 2.1.2 棉株高度檢測(cè)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(cè)電路。高度檢測(cè)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(hào)。由 PIC16F877 的發(fā)射管腳發(fā)射設(shè)定編碼的信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，紅外發(fā)射管將編碼以紅外信號(hào)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(shí) TPS708 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電流。電流經(jīng)由 LM358 兩級(jí)放大后，在輸出端可以得到一個(gè) 0～3V 的模擬電壓，作為 PIC16F877 單片機(jī) RA0 端口的模擬輸入量。單片機(jī)在完成初始化和端口選擇后,即開(kāi)始進(jìn)行 A/ D 轉(zhuǎn)換，重復(fù)等待與檢查轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志值是否已為零，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)譯碼器 74LS138 在 LED 上顯示出來(lái)。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dāng)模擬量信號(hào)為 3.3V 時(shí)，Val 返回 255，當(dāng)模擬量信號(hào)為 0V 時(shí)，返回呈線性的關(guān)系，計(jì)算得到每伏電壓的數(shù)值為 77.27。數(shù)據(jù)歸算問(wèn)題 圖 2-2 所示測(cè)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(cè)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(biāo)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(cè)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(jì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)7系。平均去頂高度為 40mm，計(jì)算得出 H =( h－40)mm。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，采用紅外探測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)棉株的高度。在被測(cè)作物上方安裝紅外發(fā)射裝置，將其固定在棉花打頂機(jī)的機(jī)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(jī)控制紅外裝置電路，采集檢測(cè)時(shí)間，計(jì)算出探頭與棉株之間的距離D，則棉株的實(shí)際高度為 h = S－D 。如圖 2-5 所示 a 為液壓缸無(wú)伸縮高度，b 為液壓缸離地高度， c 為機(jī)架高度，設(shè)位移傳感器檢測(cè)出液壓缸伸縮位移為 x 則打頂機(jī)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(dòng)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(gè)液壓系統(tǒng)中，動(dòng)力元件將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能為系統(tǒng)提供動(dòng)力；控制元件對(duì)系統(tǒng)中的油液進(jìn)行控制；工作介質(zhì)（油液）則通過(guò)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(lái)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(guò)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(dòng)的工作機(jī)構(gòu)獲得所需的運(yùn)動(dòng)方向、推力及運(yùn)動(dòng)速度等，以滿足不同的動(dòng)作要求。液壓閥的基本結(jié)構(gòu)包括閥芯、閥體和驅(qū)動(dòng)閥芯在閥體內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。液壓閥利用閥芯在閥體內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制閥口的通斷及開(kāi)度大小，從而實(shí)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(jī)構(gòu)方向?qū)崟r(shí)變換的需要。方向控制閥的中三位四通電磁換向閥是應(yīng)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(jìn)一步了解液壓系統(tǒng)的控制過(guò)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(jìn)、出口，進(jìn)油口通常標(biāo)為 P，回油口則標(biāo)為 T，出油口則以 A、 B 來(lái)表示；閥內(nèi)閥芯可移動(dòng)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(dāng)電磁鐵斷電時(shí)，閥芯在兩端復(fù)位彈簧的作用下處于中位，四個(gè)油門 P，T，A，B 由閥芯臺(tái)肩隔開(kāi)，互不相通；當(dāng)電磁鐵通電推動(dòng)閥芯向右移動(dòng)，P 口與 A 口相通，B 口與 T塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)8口相通，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)前進(jìn)；當(dāng)電磁鐵推動(dòng)閥芯向左移動(dòng)，P 口與 B 口相通，A 口與 T 口相通，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(guò)控制電磁鐵的通斷，使電磁滑閥移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中油路的換向。對(duì)電磁鐵的控制只有開(kāi)啟或關(guān)閉兩種狀態(tài)。在液壓系統(tǒng)中，控制器對(duì)電磁換向閥的控制，單片機(jī)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(guò)光電隔離、功率放大后驅(qū)動(dòng)繼電器從而控制電磁鐵線圈通斷，以此達(dá)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(chǎng)的電磁干擾以及外部強(qiáng)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(guò)繼電器控制電磁鐵動(dòng)作。單片機(jī)光電隔離繼電器 電磁鐵圖 2-6 單片機(jī)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(dāng)單片機(jī)輸出為高電平時(shí)，利用反相驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通，繼電器線圈導(dǎo)通，吸合繼電器觸點(diǎn)使電磁閥導(dǎo)通；反之，電磁閥斷開(kāi)。通過(guò)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(dá)到精確打頂?shù)哪康摹?.2.3 位移傳感器當(dāng)系統(tǒng)控制器對(duì)電磁換向閥進(jìn)行控制時(shí)，活塞桿是否到達(dá)指定位置難以判斷，需要通過(guò)位移傳感器采集活塞桿位移變化量與給定位移量進(jìn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)9光電式位移傳感器采用光電編碼器將機(jī)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(hào)的一種裝置。增量式光電編碼器利用光電方法，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機(jī)械量，幾何位移量等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)或數(shù)字量，從而獲得機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，位置坐標(biāo)及其變化量等信息。計(jì)算機(jī)根據(jù)這些信息給出處理結(jié)果并發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測(cè)光柵和光電檢測(cè)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(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期；檢測(cè)光柵上刻有 A、B 兩組與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)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(cuò)開(kāi) 1/4 節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差 90°電度角。當(dāng)碼盤隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)光柵不動(dòng)，光線透過(guò)碼盤和檢測(cè)光柵上的透過(guò)縫隙照射到光電檢測(cè)器件上，光電檢測(cè)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(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)處理，可以得到被測(cè)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(hào)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(diǎn)是每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)于一個(gè)增量位移，但是不能通過(guò)輸出脈沖區(qū)別出在哪個(gè)位置上的增量。它能夠產(chǎn)生與位移增量等值的脈沖信號(hào)，其作用是提供一種對(duì)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(duì)于某個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置增量，不能夠直接檢測(cè)出軸的絕對(duì)位置信息。一般來(lái)說(shuō)，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(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)） ，從而可方便地判斷出轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還有用作參考零位的相脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。標(biāo)志脈沖通常用來(lái)指示機(jī)械位置或?qū)Ψe累量清零。增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是：原理構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長(zhǎng)，可達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)以上；分辨率高；抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，可靠性較高。其缺點(diǎn)是它無(wú)法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息。在活塞桿位移量反饋裝置中，活塞桿頂部通過(guò)拉線與編碼器光柵盤連接，光柵盤在拉線帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，經(jīng)光電檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出脈沖信號(hào)，所輸出脈沖數(shù)與位移變化量想對(duì)應(yīng)，通過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器。2.2.4 液壓缸信號(hào)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(lái)表現(xiàn)的。拉線式位移傳感器的拉線與活塞桿頂端相連，當(dāng)活塞桿有位移變化時(shí)通過(guò)拉線帶動(dòng)傳感器的光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器的檢測(cè)裝置將光柵盤的轉(zhuǎn)動(dòng)量以脈沖的形式輸出。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dòng)下會(huì)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，我們需要根據(jù)光柵盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)γ}沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)。由于光電編碼器發(fā)出的 A、B兩路信號(hào)相位差為 90°，正轉(zhuǎn)時(shí) 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(shí) 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(jìn)行方向判別，就是對(duì)編碼器脈沖作鑒相處理。在 A 相脈沖的下降沿通過(guò)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(duì)脈沖數(shù)做加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)，最后得出活塞桿實(shí)際位移量。對(duì)脈沖進(jìn)行鑒相計(jì)數(shù)可用硬件實(shí)現(xiàn)也可用軟件實(shí)現(xiàn)，硬件計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)性及可靠性好，但是電路復(fù)雜，而軟件計(jì)數(shù)雖然電路簡(jiǎn)單，但是計(jì)數(shù)速度慢，容易出錯(cuò)。參考以上兩種鑒相計(jì)數(shù)方法，將軟硬件方法相結(jié)合進(jìn)行鑒相計(jì)數(shù)，即利用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)，外圍電路簡(jiǎn)單，計(jì)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(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)鑒相計(jì)數(shù)該電路的 A、B 兩相輸入經(jīng)過(guò) D 觸發(fā)器（上升沿觸發(fā)）的輸出接單片機(jī)的外部中斷INT0，經(jīng)過(guò)反相的輸出接到外部中斷 INT1，計(jì)數(shù)脈沖 A 則連接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0。若將系統(tǒng)中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)，編碼器光柵盤正轉(zhuǎn)時(shí)，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(dāng)編碼器主軸由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)時(shí)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(wù)程序；當(dāng)主軸由反轉(zhuǎn)變?yōu)檎D(zhuǎn)時(shí)，INT0 由低電平變?yōu)楦唠娖?，INT1 由高電平變?yōu)榈碗娖剑獠恐袛?INT1 有效，執(zhí)行外部中斷 INT1 服務(wù)程序。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)11表 2-1 編碼器正反轉(zhuǎn)變化時(shí)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(jì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)16總 結(jié)本文主要研究?jī)?nèi)容為：紅外傳感技術(shù)在棉株測(cè)高裝置中的應(yīng)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(hào)處理；單片機(jī)對(duì)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(jià)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(hào)精確的對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證打頂?shù)毒吖ぷ髟诤侠砦恢?。?） 、通過(guò)微控制器對(duì)液壓系統(tǒng)電磁換向閥進(jìn)行控制。對(duì)光電等新技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用有很好的實(shí)踐作用，能夠很好的提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化程度。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)17致 謝經(jīng)過(guò) 3 個(gè)多月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒(méi)有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及學(xué)科組其他老師的悉心指導(dǎo)，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師雷福祥老師。他平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從框架設(shè)計(jì)到查閱資料，設(shè)計(jì)草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計(jì)，編寫說(shuō)明書等整個(gè)過(guò)程中都給予了我悉心的指導(dǎo)并且為我的設(shè)計(jì)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(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。同時(shí)還要感謝王麗老師在單片機(jī)設(shè)計(jì)及編程方面所提出的意見(jiàn)和對(duì)我的幫助，同時(shí)也要感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)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(shè)計(jì)的工程中給你們添了不少的麻煩，謝謝你們對(duì)我的設(shè)計(jì)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(xué)們，謝謝同學(xué)們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程給予我的建議和問(wèn)題，也就是在不斷的解決同學(xué)們給我的設(shè)計(jì)提出的問(wèn)題的同時(shí)我完成了我大學(xué)生崖的最后一課的作業(yè)。感謝各位老師和同學(xué)在大學(xué)的生活給我的關(guān)心和幫助，讓我在完成自己學(xué)業(yè)的同時(shí)也學(xué)到很多的生活技能，為我走向社會(huì)提供了基石。四年的專業(yè)學(xué)習(xí)，使我真正掌握了一種學(xué)習(xí)的方法，這是大學(xué)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(xué)們?cè)谑聵I(yè)上蒸蒸日上，在生活上和和美美。塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)18參考文獻(xiàn)[1]高巍,陳進(jìn).作物高度自動(dòng)測(cè)量裝置的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2004.[2]陳進(jìn),張淑紅,李耀明.聯(lián)合收獲機(jī)梳脫臺(tái)高度自動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2003(11):65- 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B脈沖棉花高度信號(hào)輸入1棉花高度信號(hào)輸入2棉花高度信號(hào)輸入3棉花高度信號(hào)輸入4棉花高度信號(hào)輸入5棉花高度信號(hào)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(shè)計(jì)棉花打頂機(jī)大頂高度自動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué)生姓名 陳 科 英 學(xué) 號(hào) 8031208203 所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化 班 級(jí) 12-2 指導(dǎo)教師 雷 福 祥 日 期 2012.5 塔里木大學(xué)教務(wù)處制前 言建設(shè)兵團(tuán)是我國(guó)最大的棉花種植區(qū)。近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，機(jī)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(jī)械化亟需進(jìn)一步完善。棉花打頂機(jī)作為棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的重要組成，在現(xiàn)代棉花種植過(guò)程中有不可替代的作用。本設(shè)計(jì)以大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院和農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所合作研制的3DDF-8 型棉花打頂機(jī)為背景，在棉花株頂高度信號(hào)采集裝置中采用紅外傳感技術(shù)，通過(guò)光電式旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)液壓缸活塞桿位移變化量，系統(tǒng)控制器采集株高信號(hào)和活塞桿位移變化量并將兩者比較做出判斷，發(fā)出相應(yīng)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(duì)應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中有了新的發(fā)展空間。特別是近年來(lái)，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(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用更加廣泛。