CN102799129B

CN102799129B - 烟草定点定量追肥机

Info

Publication number: CN102799129B
Application number: CN201210259732.3A
Authority: CN
Inventors: 王金星; 刘双喜; 高丽娟; 崔嵬; 王钦祥; 王蕊; 曹维时
Original assignee: Shandong Agricultural University
Current assignee: Shandong Agricultural University
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: CN102799129A

Abstract

本发明提供了一种烟草定点定量追肥机，属于烟草田间管理机械。该机械由自走式精准施肥机、检测系统和控制系统组成。检测系统由传感器检测装置、高度调节板和传感器连接板组成。控制系统由单片机最小系统、信号转换电路、测速电路、控制电路、电源模块和电瓶组成。检测系统采用多对对射型红外光电传感器检测烟株的直径并确定追肥位置，控制系统通过电磁离合器控制鸭嘴下落追肥，通过调节排肥器U型槽的体积可控制每棵烟株的追肥量。本发明对追肥期烟苗植株的大小适应性强，可实现连续、高效、自动化作业，既解决追肥时间长的问题，又可控制烟苗的追肥量和追肥位置，减少肥料的浪费。

Description

烟草定点定量追肥机

技术领域

本发明提供了一种烟草定点定量追肥机，属于烟草田间管理机械。

背景技术

近年来烤烟种植迅速发展，总产量增加，农民经济收入可观，但与上世纪80年代相比，已表现出部分烟区烟叶品质下降的现象，如颜色淡、油分少、香气不足、吃味差、叶片薄、单叶重量减轻等问题，很大程度上是由于烟农施肥不合理造成。而追肥可依田间烟株的长相、土壤及气候情况，增减追肥量和调整施肥比例，促进根系吸水吸肥的作用，校正原定的计划用肥量，保证生长中、后期的氮肥供应，防止成熟期过早的脱肥早衰，稳定产量和品质。追肥量、追肥天数、追肥次数、追肥方法等都会影响烟叶的产量、质量和经济效益，所以，科学、合理的追肥对获得适产优质的烤烟具有重要的意义，也是目前烤烟生产所需解决的重大课题。

目前，优质烟草栽培技术的推广应用，使烟草追肥有了长足进步，施肥量较以前增加，在一定程度上防止了烟株营养不良、发育不全、成熟度不够等情况的发生。但是，烟草追肥仍然存在一些问题：一方面，追肥周期长、施肥量盲目性大，势必影响烟叶的品质；另一方面，肥料有效利用率低，环境污染严重。目前我国烟草追肥机械化程度不高，将进一步导致卷烟工业与烟农之间的利益冲突。据统计，全国每年氮的损失量相当于1900多万吨尿素，价值人民币380多亿元，不仅造成直接经济损失，而且在部分地区因施肥不当已产生了严重的环境污染。所以，研究定点定量追肥机可大大节省化肥用量，减少农业投入，提高种植效益，对获得适产优质的烟草和解放生产力、提高劳动生产率具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种烟草定点定量追肥机，既解决追肥周期长的问题，又可控制烟苗的追肥量和追肥位置，同时减少肥料的浪费。

本发明采用的技术方案如下：

所述的烟草定点定量追肥机由自走式精准施肥机、检测系统和控制系统组成。

所述的自走式精准施肥机为2ZZF-1型多功能自走式精准施肥机。

所述的2ZZF-1型多功能自走式精准施肥机由动力系统、行走系统、变速系统、施肥系统和机架组成，通过调节排肥器U型槽的体积即可控制每棵烟株的追肥量。

所述的检测系统由传感器检测装置、高度调节板和传感器连接板组成；检测系统安装在自走式精准施肥机行走系统支撑架的左、右两侧。

所述的传感器检测装置由缩光板、多对红外光电传感器和传感器安装板组成；红外光电传感器安装在传感器安装板上；传感器安装板用螺栓安装在缩光板内侧，且两者之间留有一定间距，以减小与另一侧传感器之间的相互干扰；缩光板用螺栓与高度调节板连接，高度调节板用螺栓与传感器连接板连接，传感器连接板通过U型卡安装在自走式精准施肥机行走系统支撑架的左、右两侧；通过调节高度调节板与传感器连接板之间的相对位置，可上下调节传感器检测装置，使传感器检测装置能最大可能检测到烟株最大直径。

所述的红外光电传感器为对射型红外光电传感器，每对红外光电传感器由一个发射管和一个接收管组成，每对红外光电传感器的发射管和接收管分别安装在自走式精准施肥机行走系统支撑架左、右两侧的传感器安装板上，两侧的发射管和接收管分上下两行安装在传感器安装板的两端，即一侧传感器安装板上面一行为发射管，下面一行为接收管，与其相对应的另一侧传感器安装板相同位置上面一行为接收管，下面一行则为发射管，每对红外光电传感器的发射管与接收管需相对和同轴安装，每一侧的上下两行发射管与接收管交错排列，且每一侧传感器安装板每一行两端的发射管或接收管对称安装。

所述的发射管或接收管前端与其相对应的缩光板上开有通光孔，用于缩小发射管发射光线的辐射角和接收管的受光范围；与发射管相对应的缩光板上的通光孔为小孔，与接收管相对应的缩光板上的通光孔为大孔。

所述的控制系统由单片机最小系统、信号转换电路、测速电路、控制电路、电源模块和电瓶组成。

所述的信号转换电路采用光电耦合器将红外光电传感器的输出信号转换成单片机能直接接收的高、低电平信号；检测系统的多对红外光电传感器各接收管信号输出端分别与信号转换电路的输入端相连，信号转换电路的各信号输出端分别与单片机I/O口相连。

所述的测速电路核心元件为旋转编码器，测速电路的信号输出端与单片机外部中断0相连，单片机通过旋转编码器计算机械前进过程中减速器主轴旋转产生的脉冲数。

所述的控制电路核心元件为直流固态继电器和电磁离合器，控制电路的信号输入端与单片机的I/O相连，单片机通过控制直流固态继电器控制电磁离合器通断电，从而控制鸭嘴的下落和排肥器的旋转。

所述的检测系统和控制系统通过电瓶和电源模块供电，电瓶为两个12V电瓶，电源模块可将24V电压转换成稳定的5V和12V电压；将两个12V电瓶串联获得24V直流电压，然后将该24V的正极分别与电源模块和控制电路的24V正极相连，电源模块输出端的5V和12V的正极分别接入控制系统5V和12V的正极，检测系统和控制系统的所有负极供地。

所述的控制电路的电磁离合器安装在自走式精准施肥机减速器输出轴上，测速电路的旋转编码器通过联轴器与电磁离合器同轴安装，控制系统的单片机最小系统、信号转换电路、测速电路、控制电路、电源模块均放置在控制系统安装盒内，电瓶和控制系统安装盒固定在自走式精准施肥机肥箱的前方。

本发明提供的烟草定点定量追肥机检测系统能够准确检测出烟株的追肥位置，控制系统能够精确控制鸭嘴完成烟株的定点定量追肥，追肥效果满足烟草追肥农艺要求。本发明对追肥期烟苗植株的大小适应性强，可实现连续、高效、自动化作业。

附图说明

图1是本发明的整机结构示意图。

图2是本发明的传感器检测装置和高度调节板连接图。

图3是本发明的传感器安装板主视图。

图4是本发明的传感器安装板左视图。

图5是本发明的两个缩光板主视图。

图6是本发明的两个缩光板左视图。

图7是本发明的控制系统电路原理框图。

图8本发明的工作流程图。

图中标号名称：1.鸭嘴 2.变速箱 3.排肥器 4.肥箱 5.电瓶 6.控制系统安装盒 7.电磁离合器 8.旋转编码器 9.减速器 10.发动机 11.行走系统支撑架 12.传感器连接板 13.高度调节板14.U型卡 15.传感器检测装置 16.传感器安装板 17.发射管 18.接收管 19.缩光板 20.检测系统 21.单片机最小系统 22.信号转换电路 23.光电耦合器 24.测速电路 25.控制电路 26.直流固态继电器 27.电源模块

具体实施方式

以下具体实施方式用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例选用20对检测距离大于60cm的对射型红外光电传感器，烟株株距为50cm。20对红外光电传感器的发射管（17）和接收管（18）分别安装行走系统支撑架（11）左、右两侧的传感器安装板（16）上，两侧的发射管（17）和接收管（18）分上下两行安装在传感器安装板（16）的两端，即一侧传感器安装板（16）上面一行为发射管（17），下面一行为接收管（18），与其相对应的另一侧传感器安装板（16）相同位置上面一行为接收管（18），下面一行则为发射管（17），每对红外光电传感器的发射管（17）与接收管（18）需相对和同轴安装，每一侧的上下两行发射管（17）与接收管（18）交错排列，且每一侧传感器安装板（16）每一行两端的发射管（17）或接收管（18）对称安装；传感器安装板（16）用螺栓安装在缩光板（19）内侧，且两者之间留有一定间距，缩光板（19）用螺栓与高度调节板（13）连接，高度调节板（13）用螺栓与传感器连接板（12）连接，传感器连接板（12）通过U型卡（14）对称安装在行走系统支撑架（11）的左、右两侧，上下调节高度调节板（13）与传感器连接板（12）之间的相对位置，使传感器检测装置（15）能最大可能检测到烟株最大直径。

检测系统（20）的20对红外光电传感器各接收管（18）信号输出端分别与信号转换电路（22）的输入端相连，信号转换电路（22）的各信号输出端分别与单片机I/O口相连，测速电路（24）的信号输出端与单片机外部中断0相连，控制电路（25）的信号输入端与单片机I/O相连，检测系统（20）和控制系统通过电瓶（5）和电源模块（27）供电，两个12V电瓶（5）串联获得24V电压，将该24V的正极分别与电源模块（27）和控制电路（25）的24V正极相连，电源模块（27）输出端的5V和12V的正极分别接入控制系统5V和12V的正极，检测系统（20）和控制系统的所有负极供地，控制电路（25）的电磁离合器（7）安装在自走式精准施肥机减速器（9）输出轴上，测速电路（24）的旋转编码器（8）通过联轴器与电磁离合器（7）同轴安装，控制系统的其余部分均放置在控制系统安装盒（6）内，电瓶（5）和控制系统安装盒（6）固定在自走式精准施肥机肥箱（4）的前方。

传感器检测装置（15）横跨烟垄的左右两侧，机械在发动机（10）驱动下前进时，传感器检测装置（15）的20对对射型红外光电传感器对每棵烟株的位置进行精确测量，产生相应的一组高、低电平信号，当传感器检测装置（15）中间有烟株遮挡时，相应的接收管（18）信号端输出高电平，接收管（18）指示灯亮，当无烟株遮挡时，相应的接收管（18）信号端输出低电平，接收管（18）指示灯灭，通过记录20对红外光电传感器传感器接收管（18）指示灯的亮、灭即可判断出烟株的直径和烟株追肥点的位置。

本发明经过大量试验，总结归纳出一种单个烟株有效肥位点真值表（表1）和鸭嘴（1）相对于当前烟株追肥点的距离D计算公式（a）。表1中涵盖了检测单个烟株时可能出现的17种状态，1表示高电平，即该对红外光电传感器之间有烟株遮挡，0表示低电平，即该对红外光电传感器之间无烟株遮挡，x表示高电平或低电平，即该对红外光电传感器之间有烟株，但该对红外光电传感器有时可能会正好探测到该烟株烟叶之间的间隙，发射管（17）发射出的光线不被烟叶遮挡，接收管（18）能接收到发射管（17）发射的光。以表1中第4种情况为例，假设当机械运行到一定位置时，1~7号和13~20号接收管（18）的指示灯灭，同时8号和12号接收管（18）的指示灯亮，则8号接收管（18）与12号接收管（18）所在的位置即为该烟株的边缘，由于烟叶之间有缝隙，9号~11号接收管（18）之间可能有一对或几对接收管（18）不被遮挡，因此可判定该棵烟株的直径d为8号和12号接收管（18）的中心距，且烟株的中心与传感器检测装置（15）的中心重合，又已知传感器检测装置（15）的中心距鸭嘴（1）下落点之间的水平距离为L，农艺要求的烟株追肥点是在烟株一旁10~15cm处或烟株最大叶尖下或两株中间，因此根据（a）式可计算出烟株追肥点与鸭嘴（1）下落点之间的水平距离D，（a）式中，D的单位为mm，250mm为烟株株距的一半，30mm为检测误差。

D = \{\begin{matrix} L - 100, & 0 < \frac{d}{2} < 100 \\ L - \frac{d + 30}{2}, & 100 \leq \frac{d}{2} \leq 250 \\ L - 250, & \frac{d}{2} > 250 \end{matrix} - - - (a)

表1单个烟株追肥点真值表

机械前进时，检测系统（20）对烟株进行扫描，多对红外光电传感器接收管（18）信号输出端输出的各电平信号分别经信号转换电路（22）的光电耦合器（23）转换成单片机能直接接收的电平信号，然后将该电平信号送入单片机最小系统（21），单片机将接收到的高、低电平信号与单个烟株有效肥位点真值表（表1）比对，如果满足17种状态中的其中一个，则由单片机根据公式（a）计算出该棵烟株追肥点与鸭嘴（1）下落点之间的水平距离D，同时测速电路（24）的旋转编码器（8）将测得的电磁离合器（7）所在主轴旋转时产生的脉冲数传递给单片机最小系统（21），则机械前进距离D时，旋转编码器（8）产生的脉冲数N为

N = \frac{nDP}{2 πR} - - - (b)

（b）式中，n为大车轮所在轴与电磁离合器（7）所在主轴的转速比，P为旋转编码器（8）旋转一周所产生的脉冲数，R为大车轮的半径。

单片机将N的值存入P[0]、P[1]或P[2]中，防止当前烟株还没有追肥就被下一棵烟株产生的N值覆盖，同时单片机从0开始记录旋转编码器（8）旋转产生的脉冲数K。N和K的存储原则为：变量P[0]、P[1]和P[2]的初始值均为0，如果P[0]中的值为0，则N存入P[0]，K存入K[0]，如果P[0]中的值不为0，则N存入P[1]，K存入K[1]，如果P[1]中的值不为0，则N存入P[2]，K存入K[2]。当K[i]=（i＝1或2或3）时，鸭嘴（1）运动到P[i]对应的烟株的施肥点，P[i]清零，单片机将追肥动作控制信号发送给控制电路（25），直流固态继电器（26）通电，电磁离合器（7）得电闭合，与电磁离合器（7）端盖相连的链轮随减速器（9）输出轴转动，经过变速箱（2）和一系列的链传动，鸭嘴（1）下落施肥，同时排肥器（3）旋转，U型槽中的肥料落入鸭嘴（1）中。通过调节排肥器（3）U型槽的体积可控制单个烟株的追肥量，当完成该烟株的定点定量追肥后，单片机控制控制电路（25）的直流固态继电器（26）断电，控制电路（25）等待下一个追肥动作控制信号的到来。

上述仅为本发明的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和范围的情况下做出的各种变化和变型、所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

Claims

1.一种烟草定点定量追肥机，其特征在于由自走式精准施肥机、检测系统和控制系统组成；所述的自走式精准施肥机为2ZZF-1型多功能自走式精准施肥机；通过调节2ZZF-1型多功能自走式精准施肥机的排肥器U型槽体积控制每棵烟株的追肥量；所述的检测系统由传感器检测装置、高度调节板和传感器连接板组成，检测系统安装在自走式精准施肥机行走系统支撑架的左、右两侧；所述的传感器检测装置由缩光板、多对红外光电传感器和传感器安装板组成；红外光电传感器安装在传感器安装板上；传感器安装板安装在缩光板内侧，且两者之间留有一定间距，以减小与另一侧传感器之间的相互干扰；缩光板与高度调节板连接，高度调节板与传感器连接板连接，传感器连接板通过U型卡安装在自走式精准施肥机行走系统支撑架的左、右两侧；传感器检测装置可上下调节；所述的红外光电传感器为对射型红外光电传感器，每对红外光电传感器由一个发射管和一个接收管组成，每对红外光电传感器的发射管和接收管分别安装在自走式精准施肥机行走系统支撑架左、右两侧的传感器安装板上，两侧的发射管和接收管分上下两行安装在传感器安装板的两端，即一侧传感器安装板上面一行为发射管，下面一行为接收管，与其相对应的另一侧传感器安装板相同位置上面一行为接收管，下面一行则为发射管，每对红外光电传感器的发射管与接收管需相对同轴安装，每一侧传感器安装板上的上下两行发射管与接收管交错排列，且每侧传感器安装板每一行两端的发射管或接收管对称安装；所述的发射管或接收管前端与其相对应的缩光板上开有通光孔，用于缩小发射管发射光线的辐射角和接收管的受光范围；与发射管相对应的缩光板上的通光孔为小孔，与接收管相对应的缩光板上的通光孔为大孔；所述的控制系统由单片机最小系统、信号转换电路、测速电路、控制电路、电源模块和电瓶组成；所述的信号转换电路采用光电耦合器将红外光电传感器的输出信号转换成单片机能直接接收的高、低电平信号；检测系统的多对红外光电传感器各接收管信号输出端分别与信号转换电路的输入端相连，信号转换电路的各信号输出端分别与单片机I/O口相连；所述的测速电路核心元件为旋转编码器，测速电路的信号输出端与单片机外部中断0相连，单片机通过旋转编码器计算机械前进过程中减速器主轴旋转产生的脉冲数；所述的控制电路核心元件为直流固态继电器和电磁离合器，控制电路的信号输入端与单片机的I/O相连，单片机通过控制直流固态继电器控制电磁离合器通断电，从而控制鸭嘴的下落和排肥器的旋转；所述的检测系统和控制系统通过电瓶和电源模块供电，电瓶为两个12V电瓶，电源模块将24V电压转换成稳定的5V和12V电压；两个12V电瓶串联获得24V直流电压，该24V的正极分别与电源模块和控制电路的24V正极相连，电源模块输出端的12V正极接入检测系统的12V正极；电源模块输出端的5V和12V的正极分别接入控制系统5V和12V的正极，检测系统和控制系统的所有负极接地；所述控制电路的电磁离合器安装在自走式精准施肥机减速器输出轴上，测速电路的旋转编码器通过联轴器与电磁离合器同轴安装，控制系统的单片机最小系统、信号转换电路、测速电路、控制电路和电源模块放置在控制系统安装盒内，电瓶和控制系统安装盒固定在自走式精准施肥机肥箱的前方。