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

Control System Design of Rice Seedling Sowing Pipeline

Abstract:As primary research equipment of rice seeding automation,it made great progress on condition that it meet different rice planting region agricultural demands after 30 years of development history.A complete seeding seedlings line mainly includes seeding disc for sending, spreading subsoiling, compaction,seeding (sowning,drilling,),the surface soil, watering, taking seeding disc shower key process.In this paper, based on A T89C51 single chip as the core of the rice planting seedings assembly line control system,it realized the turns the soil, sow, covering surface soiling and spraying process automation control, and was designed anti-interference from two aspects of hardware and software system.

Key Words: Rice seeding; Automatic control; 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B1ackmore System、Marksman 、Speed1ing Systerm、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

Fig 1 Soil paving unit project

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2 V形推土片滚筒式排土结构

Fig 2 V-bulldozing drum dump structure

（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IN T0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