基于單片機的棉花打頂機打頂高度的控制研究

何 靜

(重慶工業職業技術學院，重慶 401120)

基于單片機的棉花打頂機打頂高度的控制研究

何 靜

(重慶工業職業技術學院，重慶 401120)

打頂是棉花生產過程中一個重要的環節，可以去除頂端優勢，提高棉鈴的數量和質量。人工打頂的勞動強度大，導致人力成本上升，成為棉花生產全程機械化的瓶頸。研制作業精準度高、適用性廣的棉花自動打頂機械可以解決上述問題，具有廣闊的應用前景。為此，研制了一種基于單片機的棉花打頂高度控制系統，采用超聲波和傳感器進行株高測量，包括控制模塊、株高測量裝置、速度感應裝置、升降裝置和打頂裝置。室內的適應性檢驗結果表明，該系統對70～95cm高度范圍內的棉花植株具有較好的適應性。該控制系統裝載在3MDZ-1型棉花打頂機上，田間試驗結果表明：在3.0km/h速度下的打頂效率最高，打頂率達到88%，每小時能夠完成約0.7km2面積的棉花打頂作業。該系統結構設計合理，實用性和適應性較好，可以作為棉花生產全程機械化的技術支撐。

棉花打頂；高度控制；單片機；超聲波

0 引言

棉花是紡織工業的主要原料，作為經濟作物在我國的國民生產活動中占有重要地位。棉花廣泛種植在我國的黃河中下游、長江中下游和新疆地區，我國棉花種植總面積僅次于印度和美國，位列世界第三。但是,近年來，我國棉花的種植規模和產量有下降的趨勢，而種植成本增加導致的收益減少是重要原因之一。

打頂是棉花生產過程中一個重要的增產環節，可以去除棉花生長過程中的頂端優勢，使更多的水分和營養成分應用于棉花的生殖生長，提高棉鈴的數量和質量[1]。目前，棉花的打頂主要有化學控制和人工打頂兩種方式?；瘜W控制是通過噴灑化學打頂劑來控制棉花的營養生長，技術性較強，但打頂效果會受到棉花品種和天氣的影響。此外，反復的噴灑作業使得機械對田塊造成有害壓實，妨礙了持續性的耕作。部分化學打頂劑對人畜健康和環境是有害的，因此這一方法的大規模應用還存在爭議。人工打頂的方式不會帶來上述的問題，但是勞動強度大、效率較低，導致人力成本上升，使得打頂成為棉花生產全程機械化的瓶頸[2]。

隨著精準農業概念的興起和發展，自動化物理打頂方法正在成為研究熱點。研制作業精準度高、適用性廣的作物自動打頂機械，不僅可以解決上述傳統方式所面臨的問題，還順應了農業現代化的發展趨勢，具有廣闊的應用前景。煙草也是一種需要打頂的經濟作物，目前其智能化的打頂抑芽機械及相關技術也得到了全面的研究[3-5]。在棉花打頂作業上，我國的科研院校和一些棉花生產企業都進行了智能打頂相關技術的研究，并應用到各種型號的打頂機械上；但這些機械大多停留在試驗階段，離實際應用還有一定的距離。目前，棉花打頂機械的廣泛應用主要是受到以下因素的制約：①棉田的自然環境復雜，作業過程中的機械振動和塵土雨露都會對打頂作業的效果產生影響；②一般的機械對棉花植株實際高度的測量精確度有限，影響了打頂的精確度，存在漏打和過打頂的問題[6-9]。

物理光學技術能夠實現對物體高度的快速精確測量，應用于農業領域的有激光、超聲波、圖像處理和光電技術等，而在棉花的株高測量上使用的主要是激光和超聲波技術。超聲波是一種機械波，在空氣中的傳播速度與空氣一樣為340m/s。超聲波的頻率高、波長短，能量和方向都比較集中，在遙感測繪領域中用途廣泛。用于長度、高度測量的超聲波頻率為40kHz，測量距離在幾米至幾十米之間。超聲波的收發裝置都有其固定的頻率，因此無需加裝選頻電路就能獲得很強的抗干擾性能。利用超聲波測距的方法有多種，根據棉花株高測量的具體情況，選擇脈沖回波法最為合適。該方法是利用脈沖信號激勵發射傳感器發出超聲波，到達被測植株頂端后形成反射回波，返回到接收傳感器；根據超聲波的傳播速率和傳播時間計算其傳播的距離，該距離的1/2即為傳感器與植株頂端的距離。

李霞等人通過標定的傳感器發出超聲波獲取棉花圖像并測量株高，在進一步分析和修正了誤差后，可以為打頂機的自動化控制提供技術支持[10]。隨后，他們將該技術整合到了打頂機械上，分析了其在實踐應用中需要解決的具體問題，并對其應用前景進行了展望[11]。此外，孫杰設計了一種基于激光對射技術的棉花打頂高度自動控制系統并應用到打頂機械上。田間試驗結果表明：其能夠代替人工完成棉花打頂，并具有更高的作業效率[12]。

現代農業正在向著精準化和智能化發展，各種傳感器和芯片開始與農業機械結合，大幅度地提高了作業的效率和質量。目前，國內研制并進行試驗的棉花打頂機打頂精度普遍不高，成為提升打頂作業質量的限制因素。為此，本文研制了一種基于單片機的棉花打頂高度控制系統。該系統采用超聲波和傳感器進行株高測量，并裝載在打頂機上進行室內和田間的打頂高度控制試驗，能夠精確地去除棉花頂芯，提高棉花產量，進一步優化后可以應用于實際生產。

1 設計原理及結構

1.1 設計原理

將新的打頂高度控制系統裝載在棉花打頂機上，利用超聲波回波脈沖法進行棉花的株高測量，測量數據傳到由單片機組成的控制模塊中計算出結果；然后，根據棉花株高數據調整步進電機的轉速和方向，通過升降系統對打頂裝置的位置進行精確調節。同時，安裝在牽引拖拉機地輪上的速度感應裝置獲取牽引機械的行進速度，由單片機根據行進速度控制打頂裝置的升降速度，實現精確打頂。

1.2 總體設計

高度控制系統裝載在3MDZ-1型棉花打頂機上，前懸掛裝置由江蘇750H型高地隙寬輪距拖拉機牽引，拖拉機輸出功率70kW。750H型拖拉機一次牽引打頂機3臺，控制打頂機的操作顯示屏裝載在拖拉機上，打頂機由拖拉機上的蓄電池提供電源和動力。打頂高度控制系統的組成部分包括控制模塊、株高測量裝置、速度感應裝置、升降裝置和打頂裝置，各模塊和裝置之間的連接如圖1所示。

圖1 控制系統工作流程Fig.1 Working flow chart of the control system

2 系統組成

株高測量裝置安裝在打頂機支架的上方，由超聲波發射器、超聲波接收器和電位器電路組成。超聲波發射器在單片機脈沖信號的激勵下向下發出超聲波，遇到植株頂端后反射回波至接收器，再由單片機處理計算得到與植株頂端之間的距離。同時，電位器電路測量出裝置與地面之間的距離，減去前者便得到植株的高度。棉花株高測量裝置工作原理如圖2所示。

圖2 株高測量裝置工作原理Fig.2 Working principle of the plant height measuring device

速度感應裝置是安裝在拖拉機地輪上的YS41E型霍爾元件，可以采集離合器輸出軸行進時轉動所產生的脈沖信號；然后，將其輸入到控制模塊中，計算拖拉機的行進速度，并據此控制打頂裝置升降的速度。

升降裝置包括上下橫梁、步進電機、聯軸桿、螺桿和螺母。螺桿的兩端分別固定在上、下橫梁上，步進電機依照單片機的指令輸出動力，通過連軸桿帶動螺桿旋轉。螺桿的旋轉方向和快慢都可進行調節，從而引起套在其上的螺母的上下移動，螺母上下移動的方向和距離由步進電機的轉數決定?？刂颇K通過步進電機驅動螺母的定量移動，實現對與螺母連接的打頂裝置位置的精準調節。

打頂裝置主要由底座、伺服電機、軸承和打頂刀片組成。底座的兩端通過滑塊固定在支架的導軌上，保證移動的垂直性，中間連接升降裝置的螺母。伺服電機安裝在上端，為軸承提供動力，帶動軸承下端的打頂刀片高速旋轉完成打頂作業。打頂刀片為帶鋸齒的圓盤刀，單項旋轉，削切效果好。打頂裝置的打頂量和刀片轉速在操作顯示屏上設定，由升降裝置和伺服電機進行調節。

3 試驗與結果

3.1 試驗地點和試驗設計

首先在室內檢驗該打頂高度控制系統對不同高度棉花植株的適應性，具體方法是選擇高度在70～75、75～80、80～85、85～90和90～95cm之間的棉花植株各20株，設定5cm的打頂量進行打頂作業。測量棉花植株打頂前后的株高，計算打頂量后比較分析。

田間試驗在本單位處于華北平原中部棉花種植區的試驗田中進行，土壤類型為黃潮土。試驗田面積0.5hm2，未用大型機械整理平整，地勢有輕微的起伏。使用的棉花品種為豫棉10號，種子從當地的市場購買。農業機械為3臺裝載打頂高度控制系統的3MDZ-1型棉花打頂機，設定打頂量為5cm。打頂機由江蘇750H型高地隙寬輪距拖拉機牽引，拖拉機輪距調為2.28m，前后輪寬分別為0.2m和0.25m，地隙為1m，高于豫棉10號0.85m的株高，能夠滿足作業的要求。棉花的種植行距0.76m，株距0.1m，呈帶狀種植，機械正好可以同時完成3行棉株的打頂作業。

打頂機械在田間勻速前進完成棉花打頂試驗，每次的作業長度為100m。分別設定2.0、2.5、3.0和3.5km/h共4個作業速度，每個速度重復4次。每次重復中選取25個棉花植株測量打頂前后的株高，計算打頂量、相關系數和打頂率。打頂量為植株打頂前與打頂后的高度差，相關系數為所有植株打頂前高度與打頂后高度之間的相關系數，打頂率為被打頂植株在被統計植株中所占的比例。最后，通過數據分析，比較機械在不同速度下的打頂作業質量。

3.2 試驗結果和分析

通過室內對不同高度棉花植株的適應性檢驗可以看出：該控制系統對70～95cm高度范圍內的棉花植株打頂時，打頂量在4.8～5.2cm的范圍內，與設定值5cm相差不大，說明該機械能按照設定的打頂量對70～95cm高度范圍內的棉花植株進行精確打頂，具有較好的高度適應性。室內不同高度棉花植株打頂的試驗結果如表1所示。

表1 室內對不同高度棉花植株的打頂量

田間試驗中，裝載打頂高度控制系統的打頂機在4種不同速度下進行打頂作業，每個速度下共調查了100株棉花植株。隨著打頂作業速度的提高，打頂量由5.3cm減小到4.3cm。其中，3.5km/h速度下的打頂量偏離5.0cm的設定值較大，2.5km/h和3.0km/h行進速度下的打頂量接近于設定值。棉花植株打頂前后株高的相關系數和打頂率也隨著速度的增加而逐漸下降，將打頂速度和質量綜合考慮，則該系統在3.0km/h速度下的打頂作業效率最高，打頂量符合設定值，打頂率達到88%。以此速度計算，該機械每小時能夠完成約0.7km2面積的棉花打頂作業。

田間試驗過程中，裝載打頂高度控制系統的打頂機在4種不同速度下的棉花打頂作業試驗數據如表2所示。

表2 機械在不同速度下的打頂質量

4 結論

利用超聲波脈沖回波法測量株高，以AT89C型單片機作為控制模塊的核心，設計了一種棉花打頂高度的自動控制系統，包括控制模塊、株高測量裝置、速度感應裝置、升降裝置和打頂裝置，總體結構簡單緊湊。室內的適應性檢驗結果表明：該系統對70～95cm高度范圍內的棉花植株都能按照設定的打頂量進行精確打頂，具有較好的高度適應性。

該控制系統裝載在3MDZ-1型棉花打頂機上，由江蘇750H型高地隙寬輪距拖拉機牽引。田間試驗表明：系統在3.0km/h速度下的打頂效率最高，打頂率達到88%，每小時能夠完成約0.7km2面積的棉花打頂作業。

機械在室內靜止狀態下的打頂精度很高，而在田間行進狀態下的打頂精度有不同程度的降低，說明田間復雜的自然環境和實際運行狀態仍然會對作業的質量產生影響，這也是棉花打頂機繼續優化改進的一個方向。總體而言，該系統結構設計合理，技術水平較高，實用性和適應性都較好，可以作為棉花生產全程機械化的技術支撐。

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ID:1003-188X(2018)02-0188-EA

Study on the Control of Topping Height of Cotton Toping Machine Based on Single - chip Microcomputer

He Jing

(Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 401120,China)

Abstract： Topping is an important part of the cotton production process, you can remove the top edge, improve the number and quality of bolls. Labor topping the labor intensity, resulting in rising labor costs, as the full mechanization of cotton production bottlenecks. Therefore, the development of high precision, wide applicability of cotton automatic topping machinery can solve these problems, has broad application prospects. In this paper, a control system based on single chip microcomputer is designed. Ultrasonic and sensor are used to measure the height of the plant. The components include the control module, the height measuring device, the speed sensing device, the lifting device and the topping device. The adaptability test showed that the system had a good adaptability to the cotton plants in the height range of 70-95 cm. The control system was loaded on the 3MDZ-1 type cotton top-dressing machine. The field test results showed that the topping efficiency was the highest at the speed of 3.0km / h, the topping rate was 88%, and the cotton area was about 0.7km2 per hour. Top job. The system structure design is reasonable, practical and adaptable, can be used as cotton production throughout the mechanization of technical support.

cotton topping; height controll; single-chip microcomputer; ultrasonic

2016-12-12

重慶市教委科學技術研究項目(KJ1503401)

何 靜(1982-)，女，重慶人，講師，碩士，(E-mail)llnngw@163.com。

S224.1+49

A

1003-188X(2018)02-0188-04