基于單片機(jī)的小型犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄢敏袁奎易蔓陳佛源劉勇嚴(yán)素

（1四川省煙草公司宜賓市公司，四川宜賓 644002；2貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽 550025）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也是維持國家穩(wěn)定發(fā)展的重要因素[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高原和丘陵地形在我國國土面積中的占比達(dá)到69.4%，全國有貴州、云南、四川和重慶等11個省（市、自治區(qū)）的丘陵和山地面積與耕地面積之比大于60%[1-2]。山地多、平原少是丘陵地區(qū)地貌的主要形態(tài)，同時丘陵地區(qū)耕地具有地形較復(fù)雜、地表高低起伏、坡陡彎多等特點(diǎn)，使得農(nóng)機(jī)具在作業(yè)過程中穩(wěn)定性和安全性變差，這一情形嚴(yán)重制約了丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展[3-5]。隨著丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，坡耕地作業(yè)用耕作機(jī)械也得到了長足發(fā)展，不僅可以優(yōu)化丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的結(jié)構(gòu)布局，也可以大大改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[6-8]。

耕作機(jī)械傾斜作業(yè)不僅會對土壤的硬底層造成破壞，而且還會影響耕作平整度和耕作深度等性能指標(biāo)，導(dǎo)致耕作效果不理想和作業(yè)效率較低等問題[9]。小型犁耕機(jī)在丘陵地區(qū)的行走姿態(tài)調(diào)整（即機(jī)身穩(wěn)定性調(diào)整）操作仍嚴(yán)重依賴于機(jī)具操作人員手動調(diào)整控制，具有很大的主觀性，使得小型犁耕機(jī)在丘陵地區(qū)作業(yè)時存在安全性和穩(wěn)定性方面的難題，從而極大地阻礙了丘陵地區(qū)坡耕地農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械化發(fā)展[10]。

丘陵地區(qū)現(xiàn)有的耕作機(jī)械只能在坡度較小的耕地上作業(yè)，為了減小機(jī)身傾斜作業(yè)對耕作性能指標(biāo)的影響，提高其作業(yè)質(zhì)量和效率，本文采用傾角控制調(diào)平策略，設(shè)計(jì)了一種小型犁耕機(jī)機(jī)身自動調(diào)平系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制器、液壓油缸為執(zhí)行元件、傾角傳感器為反饋元件，主要由耕作機(jī)構(gòu)、整機(jī)機(jī)身、調(diào)平控制機(jī)構(gòu)和自動調(diào)平控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)能使小型犁耕機(jī)在不同角度的坡地上作業(yè)時，自動調(diào)平機(jī)身保持水平，實(shí)時調(diào)控機(jī)具的行走姿態(tài)，保證在坡地作業(yè)時整機(jī)質(zhì)心位置變化小，從而保持小型犁耕機(jī)的平穩(wěn)性，提高小型犁耕機(jī)在丘陵地區(qū)作業(yè)時的穩(wěn)定性及坡地適應(yīng)性。

1 小型犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 小型犁耕機(jī)調(diào)平系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

小型犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)按照控制方式可以分為手動調(diào)平和自動調(diào)平2種，較為完整的自動調(diào)平系統(tǒng)應(yīng)包括硬件搭建和軟件設(shè)計(jì)2個方面的內(nèi)容。其中，硬件包括檢測裝置、控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，軟件設(shè)計(jì)包括調(diào)平策略的選擇和控制算法的編寫實(shí)現(xiàn)。

調(diào)平系統(tǒng)的檢測裝置是指可以檢測出農(nóng)機(jī)具的作業(yè)速度、加速度、角速度和傾斜角度等機(jī)具姿態(tài)指標(biāo)的裝置，其精確性決定了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。自動調(diào)平系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有機(jī)電式和液壓式2種，其中：機(jī)電式以電機(jī)作為控制執(zhí)行器件，成本低、穩(wěn)定性好，但是存在承載能力和驅(qū)動力不足等問題；液壓式具有體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、驅(qū)動力強(qiáng)勁以及便于實(shí)現(xiàn)自動控制等優(yōu)點(diǎn)，是比較常用的驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

小型犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)主要包括耕作機(jī)構(gòu)、整機(jī)機(jī)身、調(diào)平控制機(jī)構(gòu)和自動調(diào)平控制系統(tǒng)等4個部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)調(diào)平控制機(jī)構(gòu)主要包括上部支撐體、下部支撐體、液壓調(diào)平系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)軸等，如圖2所示。行走機(jī)構(gòu)、整機(jī)機(jī)身通過下部、上部支撐體和調(diào)平控制機(jī)構(gòu)焊接在一起。上部支撐體和下部支撐體之間安裝有可旋轉(zhuǎn)的液壓調(diào)平系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括缸體和活塞桿。上部和下部支撐體通過旋轉(zhuǎn)軸鉸接，能使上部支撐體相對于下部支撐體轉(zhuǎn)動。

1.2 小型犁耕機(jī)調(diào)平系統(tǒng)工作原理

小型犁耕機(jī)的自動調(diào)平控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。當(dāng)小型犁耕機(jī)在丘陵地區(qū)坡耕地作業(yè)時，由安裝在機(jī)身上的傾角傳感器采集整機(jī)機(jī)身的傾斜數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)信號實(shí)時傳輸?shù)紸T89C51單片機(jī)控制器中，機(jī)身水平預(yù)設(shè)值和反饋值的差值由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而判斷出小型犁耕機(jī)的機(jī)身姿態(tài)。若整機(jī)機(jī)身處于傾斜狀態(tài)，系統(tǒng)再進(jìn)一步判斷傾角值是否超過機(jī)身水平的預(yù)設(shè)值。若超過，則通過蜂鳴報警器進(jìn)行報警，同時由調(diào)平控制系統(tǒng)控制電磁換向閥的得、失電和自動調(diào)平液壓系統(tǒng)中2個執(zhí)行油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)對小型犁耕機(jī)調(diào)平控制機(jī)構(gòu)的自動調(diào)平，完成自動調(diào)平閉環(huán)控制。

若小型犁耕機(jī)機(jī)身處于水平姿態(tài)，調(diào)平控制系統(tǒng)不會對調(diào)平控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以確保整機(jī)機(jī)身處于水平狀態(tài)。

2 小型犁耕機(jī)自動調(diào)平液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓傳動系統(tǒng)原理圖如圖4所示，液壓系統(tǒng)的油路由液壓油箱、變量泵、單向閥、溢流閥、分流閥、電磁換向閥和油缸等組成。由于分流閥的同步原理，液壓系統(tǒng)可以保證調(diào)平油缸9、10的進(jìn)、出油量基本相同，使得2個油缸協(xié)同運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)調(diào)平控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，完成整機(jī)機(jī)身的調(diào)平。當(dāng)小型犁耕機(jī)的整機(jī)機(jī)身處于右傾斜姿態(tài)時，電磁換向閥7的線圈1YA得電，同時電磁換向閥8的線圈2YA得電，調(diào)平油缸9的活塞桿實(shí)現(xiàn)向上運(yùn)動，調(diào)平油缸10的活塞桿實(shí)現(xiàn)向下運(yùn)動，調(diào)平油缸9、10的活塞桿協(xié)同作用于調(diào)平控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小型犁耕機(jī)的整機(jī)機(jī)身隨著調(diào)平控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動而保持水平。當(dāng)機(jī)身處于左傾斜姿態(tài)時，電磁換向閥7、8的線圈得電情況與右傾斜時相反，實(shí)現(xiàn)對整機(jī)機(jī)身的及時調(diào)平。當(dāng)機(jī)身處于水平姿態(tài)時，電磁換向閥7、8的線圈同時失電，電磁換向閥的閥芯處于中位，調(diào)平油缸9、10閉鎖，由電磁換向閥5實(shí)現(xiàn)卸荷，從而使丘陵地區(qū)小型犁耕機(jī)作業(yè)時機(jī)身始終處于水平姿態(tài)。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 換向閥的選擇。換向閥通過閥芯和閥體的相對運(yùn)動完成接通、關(guān)閉或改變液壓油路方向的作用，實(shí)現(xiàn)液壓元器件的啟停或方向變化。丘陵地區(qū)小型犁耕機(jī)作業(yè)時，調(diào)平油缸內(nèi)會產(chǎn)生一定的壓力，因而換向閥需要具備保壓功能，J、K、O、M型4種換向閥均滿足此液壓系統(tǒng)的要求。此外，該液壓系統(tǒng)需要調(diào)平油缸的同步協(xié)同運(yùn)動對自動調(diào)平控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，O型三位四通換向閥滿足多個換向閥的并聯(lián)需求。因此，在系統(tǒng)保壓基礎(chǔ)上，最終選用具有中位保壓功能的O型三位四通型電磁比例換向閥。

2.2.2 鎖緊回路設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)的鎖緊回路可以保證在小型犁耕機(jī)整機(jī)機(jī)身處于水平姿態(tài)時，由液壓執(zhí)行元件維持機(jī)身處于水平位置，不會因?yàn)橥庠诃h(huán)境的作用而移動。根據(jù)三位四通閥的自鎖能力，換向閥閥芯處于中位時，調(diào)平油缸處于閉鎖狀態(tài)。考慮到油缸內(nèi)會產(chǎn)生一定的工作壓力，要保證油缸活塞桿能在外力情況下維持在既定位置處，實(shí)現(xiàn)調(diào)平控制機(jī)構(gòu)在水平位置時液壓回路的自動鎖緊，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 卸荷回路設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)的卸荷回路可以保證在小型犁耕機(jī)整機(jī)機(jī)身處于水平姿態(tài)時，液壓執(zhí)行元件不工作。當(dāng)液壓系統(tǒng)不需要供液時，若液壓油泵繼續(xù)以高壓狀態(tài)輸出液壓油，會導(dǎo)致液壓油泵的輸出功率變大，液壓系統(tǒng)發(fā)熱，使得泵和電機(jī)的壽命縮短。為此，選用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)卸荷，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。液壓系統(tǒng)回路選用具備中位機(jī)能的O型電磁閥。

3 小型犁耕機(jī)自動調(diào)平電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)具有體積小、價格低、模塊擴(kuò)展靈活和可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、設(shè)備智能化管理及各種工業(yè)過程控制等領(lǐng)域，控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益均較高。小型犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)選用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)，其具有指令簡單、硬件設(shè)計(jì)清晰、外圍電路設(shè)計(jì)簡易、擁有4KB的Flash ROM及I/O接口操作簡易等優(yōu)點(diǎn)。自動調(diào)平系統(tǒng)的控制電路如圖5所示，主要包括數(shù)據(jù)采集電路、顯示電路、控制電路、報警電路和其他基本電路。當(dāng)小型犁耕機(jī)的整機(jī)機(jī)身處于傾斜姿態(tài)時，安裝在機(jī)身上的傾角傳感器會隨著機(jī)身的轉(zhuǎn)動而發(fā)生傾斜，傳感器實(shí)時采集的傾斜信息數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，傾斜角度數(shù)字顯示在液晶顯示器上，單片機(jī)通過控制繼電器線圈1YA和2YA的得、失電，調(diào)控液壓系統(tǒng)中的三位四通電磁閥的閥芯位置，控制2個調(diào)平油缸進(jìn)、出液壓油的油量，通過活塞桿的伸縮來調(diào)平機(jī)身姿態(tài)，從而使得小型犁耕機(jī)在地形復(fù)雜的工況下保持機(jī)身水平。

3.1 數(shù)據(jù)采集電路

傾斜數(shù)據(jù)的采集是通過傾角傳感器來完成，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。傾斜數(shù)據(jù)采集電路如圖5所示，主要由轉(zhuǎn)換芯片ADC0832和單片機(jī)AT89C51芯片構(gòu)成。

3.2 顯示電路

自動調(diào)平顯示電路如圖5所示，該系統(tǒng)的傾角閾值設(shè)置為10°，顯示電路的液晶顯示器為LCD1602。當(dāng)自動控制系統(tǒng)對犁耕機(jī)的調(diào)平控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)平時，傾角的變化可以直觀、實(shí)時顯示在液晶顯示器上，通過系統(tǒng)對小型犁耕機(jī)的機(jī)身傾斜程度進(jìn)行及時、有效的調(diào)平判斷。

3.3 控制電路

系統(tǒng)控制電路是通過電磁換向閥線圈的得、失電情況進(jìn)行控制，具體過程如下：realy1接口接P1.0口，對應(yīng)著電磁換向閥7的線圈1YA；realy2接口接P1.1口，對應(yīng)著電磁換向閥7的線圈2YA；realy3接口接P1.2口，對應(yīng)著電磁換向閥8的線圈1YA；realy4接口接P1.3口，對應(yīng)著電磁換向閥8的線圈2YA。當(dāng)小型犁耕機(jī)的機(jī)身處于右傾斜狀態(tài)且傾角大小超過閾值范圍時，電磁換向閥7的線圈1YA得電，相應(yīng)地電磁換向閥8的線圈2YA得電，使得換向閥7控制的調(diào)平油缸9的活塞桿向上運(yùn)動，換向閥8控制的調(diào)平油缸10的活塞桿向下運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)小型犁耕機(jī)機(jī)身的調(diào)平。調(diào)平系統(tǒng)的控制電路如圖5所示。

3.4 報警電路

系統(tǒng)蜂鳴報警電路如圖5所示，該系統(tǒng)的傾角閾值設(shè)置為10°，當(dāng)犁耕機(jī)的傾斜角度超過閾值時，蜂鳴器發(fā)出聲響實(shí)現(xiàn)報警，警示操作者此時犁耕機(jī)的傾斜角度不再適宜，需要對小型犁耕機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。此外，考慮到犁耕機(jī)作業(yè)環(huán)境的差異，該調(diào)平系統(tǒng)設(shè)置了傾角閾值加減檔，當(dāng)機(jī)身傾斜程度普遍超過預(yù)設(shè)的閾值時，可以通過加減檔對閾值大小進(jìn)行及時調(diào)整和設(shè)置。

4 小型犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

小型犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)的軟件部分采用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)。調(diào)平系統(tǒng)軟件的主程序如圖6所示。

5 結(jié)語

丘陵地區(qū)坡耕地耕作機(jī)械的傾斜作業(yè)不僅會對土壤的硬底層造成破壞，而且還影響耕作平整度和耕作深度等性能指標(biāo)，導(dǎo)致耕作效果不理想和作業(yè)效率較低等。針對現(xiàn)有耕作機(jī)械只能在坡度較小的耕地上作業(yè)的現(xiàn)狀，本文在小型犁耕機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種機(jī)身自動調(diào)平系統(tǒng)：首先，詳細(xì)介紹了犁耕機(jī)自動調(diào)平系統(tǒng)的總體方案和工作原理；隨后，介紹了調(diào)平液壓系統(tǒng)的工作原理以及相應(yīng)的液壓回路設(shè)計(jì)，包括鎖緊、卸荷等液壓回路；最后，對犁耕機(jī)自動調(diào)平電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集、顯示、控制和報警等電路。該調(diào)平系統(tǒng)具有調(diào)平速度快、精度高和操作簡單等特點(diǎn)，能保持小型犁耕機(jī)的平穩(wěn)性，提高了小型犁耕機(jī)在丘陵地區(qū)作業(yè)時的穩(wěn)定性及坡地適應(yīng)性。