排肥器试验台智能控制系统研究与研发设计

随着精细农业的发展，精量施肥作为精细农业的重要组成部分，其对施肥装置性能的要求也越来越高。

排肥器性能试验是农机测试的重要组成部分，也是研制和开发新型精量排肥器不可缺少的重要环节。

但是，排肥器大多是做为播种机的一部分来进行研究，没有专门用来检测排肥器性能的试验台。

为此，本论文拟开发一种操作简单、性能可靠、运行速度快的排肥器试验台智能控制系统。

农业是人类赖以生存的基础产业。

加快农业技术进步、提高农业产品产量和质量是各个国家努力的方向。

施肥对于粮食增产、农业增收以及保持土壤肥力等方面起到了积极作用，人们已经认识到保持土壤肥力对作物产量的重要性。

但是，大量化学肥料以各种形式投入到土壤中，也造成了环境压力。

施用化肥，尤其是精量深施化肥，则是提高单产、节约用肥的关键措施之一。

国外对此己有较多的研究，如美国玉米种植带的统计。

目前，中国已经成为世界上最大的化肥生产国。

近30年来，中国化肥消费总量和单位面积用量都已经达到世界前列。

中国小麦、玉米和水稻施肥量与其他国家相比还是比较高，但产量相对较低。

化肥的施用自然应使其能有效地被农作物吸收，否则不仅会造成不可低估的直接损失和间接失，而且达不到预期的增产效果。

施肥机械性能也关系到配方施肥技术进一步发展，恰当的施肥机械可让配方施肥技术发挥出更加有效的作用。

在我国，化肥施用以粮食作物为主，在50%左右。

与推荐施肥量相比，部分作物氮肥、磷肥施用过量，但钾肥用量仍需增加。

因此，应把发展节能增效的施肥机械作为农业机械化发展的重要课题。

化肥深施的意义有四：第一，化肥深施会减少化肥分子挥发。

如铵态氮肥、尿素等化肥较浅地施入土壤后，铵态氮在土壤表层中，易被硝化细菌转化成硝态氮，土壤胶体不能吸。

铵态氮肥深施后，由于土壤下层硝化细菌极少，不易被硝化细菌转化为易流失挥发的硝态氮而存在土壤之中来被作物所吸收。

第二，可以减少肥分子的流失。

比如，硝态氮化肥施入土壤较浅，其中硝酸根离子不能被土壤胶体所吸附，分散在土壤颗粒之间。

有些土壤本身对化肥的吸附、保蓄能力本身就很差，要是遇暴雨或灌溉，化肥的有效分子便会随水或随土壤表层泥一起流失，会使化肥效果明显降低，从而作物的的产量就要下降。

而化肥深施后，由于土壤下层水移缓慢，随水流失就会大大减少，这样才能有效地被作物所吸收。

第三，深施化肥可减轻作物后期早衰。

例如晚茬水稻和低肥田所种作物，其生育后期常因养料缺乏而早衰。

化肥深施后，有利于供应作物生育中、后期的养料，延长作物功能叶片的生命活力和叶绿素含量，增强光合作用能力，有利于夺取高产。

第四，化肥的深施能增强作物抗逆性。

作物根系都有趋肥性，要是化肥的浅施，会使作物根系大多集中在土壤表层，要是有大风暴雨，则有可能作物要倒伏。

并且也不具有抗旱的作用。

化肥的深施后，能够吸引作物根向土壤下层深扎，从而大大增强作物抗倒伏、抗旱能力。

化肥深施，是提高肥料利用率的重要措施，并且是我国节本增效的重点工程之一。

但是深施化肥要借助性能优良的施肥机械才能得以实现，而施肥机械又是我国农业机械发展中的一个薄弱环节。

根据多年的实践证明：机械深施碳酸氢铵、尿素、氮的利用率比人工表面撒施分别由27％和37％提高到58％和50%，深施比表施其利用率相对提高11.5％和35%。

然而，由于目前我国施肥机械技术的不成熟，造成化肥施用上的极大浪费。

据有关资料介绍：目前我国氮肥当季利用率仅为30%-35%，磷肥利用率仅为15%-20%，钾肥利用率也不超过65%。

化肥流失加剧了湖泊和海洋等水体的富营养化，造成地下水和蔬菜中硝态氮含量超标，影响土壤自净能力。

农业面临污染对人类健康的影响不容忽视，据调查，累积于饮用水源特别是井水中的化肥氮磷和农药对至少13个省份、数以百万计居民的健康构成威胁。

因此，研制性能良好、适用性强的施肥机械是我国农机工作者当务之急应解决的问题之一。

农业机械作为现代农业生产重要的组成部分，其产品质量的优劣直接影响农业机械的作业效率，关系到农业增产和农民增收，也关系到农机使用者的健康和安全。

排肥器作为施肥机械的主要部件，其性能指标是否达到标准直接影响着施肥机械产品改进、完善和性能质量的提高，施肥机械制造企业科学、合理的技术创新和经营决策，广大农民用户的生产投入是否有针对性，施肥机械化技术的健康发展。

本课题拟研究开发一种适应性强、检测性能好、检测结果直观且清晰的通用的排肥器试验台。

几十年来，我国排肥器的研究工作经历了一个蓬勃发展的时期。

先后研究出不少新型的排肥器，如定孔式、螺旋式、离心式、气流式、纹盘式、窝眼轮式、型齿式、弹性刮片式等排肥器。

这些排肥器从国外引进,或是我国自行研制，对促进我国施肥机械技术的发展起了一定的积极作用。

但真正实现适应范围广、使用可靠、排肥性能好的排肥器却很少。

现有的化肥排肥器种类很多，常用的有外槽轮式、转盘式、离心式、螺旋式、星轮式和振动式等几种。

美国在1830年就公布了施肥机械的第一个专利一撒石灰机。

到上世纪30年代，他们的施肥机械生产已初具规模，70年代己拥有相当数量的用于有机肥料与化肥的贮运、装卸及田间作业的各种类型的机具，从而实现了施肥过程的全面机械化。

直到20世纪50年代，我国的施肥机械技术研究工作才开始起步，比国外发达国家晚了100多年。

为加快我国排肥机械的发展速度，缩小与发达国家的差距，我国早期排肥器主要从国外引进。

这些引进的排肥器也确实给我国施肥机械技术的发展注入了活力。

而国外用于条施作业的排肥器基本上都只适用于小颗粒化肥。

故而，我国施肥机具仍面临适应粉状与小颗粒状、干燥与潮湿两类物理机械性状截然不同的化肥排施问题。

因此，研究出适合我国化肥特性和农艺技术要求的通用性强、结构简单、工作性能可靠的排肥器是我们农机研究工作者刻不容缓的任务。

由于精密农业机械的发展方向为大型化，排肥器常常作为播种机的一部分来进行整体的研究，单独对排肥器检测的研究并不多。

对排肥器性能检测的技术主要借助于排种器的检测技术。

精密播种技术已成为现代播种技术的主要发展方向，而实施精密播种技术的精密排种器性能优劣直接影响精密播种的质量。

快速、准确地检测精密种器的性能已成为研究和评价精密播种机质量的核心。

国内外研究人员都非常关注精密排种器测试手段的研究，目前已研究出多种检测设备和检测方法。

国内采用的方法主要有：直接观测法、帆布带法。

近些年来，播种均匀度测定方法主要有压电效应法、光电效应法和高速摄影法、基于微机的检测法、基于图像处理的检测法和基于虚拟仪器的检测系统等。

精密排种器检测装置发展趋势随着计算机视觉系统的高灵敏度、低噪音及快速排种器性能检测系统的发展，对于实现高精度检测排种器性能的各项指标具有重要意义。

提高精度是精密排种器发展的重要的一环，检测系统各项指标将直接影响采集种子图像的质量，且制约着图像中种子特征参数提取的准确性、种子空间位置的恢复精度及系统的运行速度。

所以，为准确、快速地检测排种器性能，全面地设计和优化检测系统是提高精密排种器检测装置精度的有效途径。

精密排种器的检测手段从人工检测到计算机视觉系统和图像处理技术的应用，检测性能有了很大的提高，为了能更精确、高效地检测精密排种器的性能，达到能检测精密排种器的各项指标，还需进一步研究种子一系列随机因素。

今后，播种机应向着适应性强、多功能、高效率的高速精密播种器方向发展，高速精密播种机的性能检测将依靠更先进、更可靠的高精度检测设备来完成。

精量施肥是现代精细农业的重要组成部分，排肥器性能的优劣是实施精量施肥的重要前提之一，因此研制开发排肥器智能检测试验台是实施精细农业的前提条件。

本论文以现代精细农业思想为指导，针对排肥器性能检测这一主题，并结合当前国内外已有的测试装置的优缺点，系统地对排肥器智能测试试验台的软硬件进行设计和试验研究。

研究设计内容如下：1)设计开发测试系统的硬件结构，包括传感器的设计、传感器数据处理电路设计、单片机的设计、步进电机驱动器的设计等。

2）因为机具在田间作业时受地形和地势的影响，其行驶速度在大多数情况下是无规律的突变的变速运动，所以施肥机械的实际效果和实验数据往往有较大差异。

本文把检测时间分成若干个时间段，通过对各时间段内速度的设定来模拟机具在田间作业时的实际情况。

3)运用数值分析方法，对采集到的数据建立数学模型。

并由此数学模型对系统所得到的数据进行处理，得到排肥器的性能指标。

4)设计可视化的人机交互式的上位机程序，方便用户输入各项参数数据，并能够处理下位机所传递上来的数据信息。

5)设计下位机的软件，使之能够执行上位机传来的各项指令、驱动传感器和步进电机工作，最后把所得到的数据传给上位机。

系统总体设计本系统是一个小型的分布式数据采集与控制系统，是由数据采集（称重传感器）、下位机（单片机）和执行机构（步进电机、排肥轴、排肥器）上位机（计算机）等组成的控制系统。

其中数据采集由相应的AT89S52单片机实验系统、称重传感器、信号放大器、A/D数模转换所组成。

下位机既可以完成各种信息的采集、预处理及存储任务，又可接收从上位机送来的控制参数设置。

执行机构通过单片机产生的脉冲驱动步机电机，主要检测系统的动力装置。

上位机选用Intel赛扬2.0系统机，配置1G内存，80GB硬盘，有较强的数据存储、处理能力。

上位机根据用户的检测情况来完成各项参数的设定，并通过串行通信将参数传递给下位机，同时也对上位机传递上来的数据进行分析和处理。

上位机完成各项参数的设定后就向单片机发出启动信号，同时准备接收下位机即单片机发送来的信号和数据。

被启动的下位机，一方面按上位机的指令要求启动步进电机，另一方面同时启动称重传感器，并将采集到的信号经放大器放大，送入A/D转换电路换成相应的数字量后送入单片机，然后通过串行通信把采集到的数据向上位机发送。

上述测试和数据采集过程结束后，计算机便把接受到的数据进行存储、计算处理、显示、打印。

电子天平的核心部件是称重传感器，电阻应变式传感器特点：①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。

由于电阻应变式传感器具有一系列优点，已被应用到了几乎所有称重领域和各种测力领域。

电阻应变式传感器由感压装置、电阻应变片和惠斯登测量电路三部分组成，其工作原理是：被测负载作用在弹性感压装置上使其发生弹性形变；通过粘性物质使粘贴在感压装置上的电阻应变片发生形变，进而转化成应变片的阻值大小变化；通过惠斯登测量电路将电阻应变片的阻值变化，转化为与负载成正比的电信号输出。

称重传感器的桥式结构决定了其输出与激励电压息息相关，为提高精度须使用高精度的电压源作为激励，此外高精度的A/D转换也要求使用精密电压源作为参考，若按常规方法考虑，需要两个精密电压源，实现起来难度较大，成本也高，为此我们采用了比例测量技术。