CN104255126B - 一种免耕播种机播种深度自动控制装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于免耕播种机的播种深度自动控制装置，属于农业机械技术领域，具体涉及尤其适用于秸秆覆盖地块及不平整地块的播种作业的播种深度自动控制装置。由安装在每一播种单体限深轮轮胎内表面的胎面形变传感器、安装在每一播种单体上的信号处理电路、安装在播种机主机架上的控制信号产生电路和气压传动系统组成。本发明通过限深轮内部的胎面形变传感器实时监测播种单体对地表压力，并通过在播种机机架与播种单体四连杆间安装气缸，推动播种单体能够额外产生对地表的压力，从而保证播种深度的一致性。

Description

一种免耕播种机播种深度自动控制装置

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种应用于免耕播种机的播种深度自动控制装置，尤其适用于秸秆覆盖地块及不平整地块的播种作业。

背景技术

近年来，随着国外不同类型免耕播种机的相继引进，我国对免耕播种机的研制工作不断取得新进展。目前，免耕播种机播种深度主要依靠仿形机构控制，使用的播种机械仿形机构大体上可分为平行四连杆机构和单铰链机构两种，平行四连杆仿形机构的使用最为普遍，其主要结构特征分单自由度形式和双自由度形式，后者比前者的播种仿形效果要好，它可以适应播种作业地面上下起伏不平的变化，又能够适应牵引方向的变化。

平行四连杆机构仿形工作方式有直接作用式仿形和随动作用式仿形两种，其中直接作用式仿形机构使用最为广泛。直接作用式仿形依靠弹簧作用力与播种单体自身重力校正平行四连杆仿形机构，作业时，播种深度由播种机开沟器阻力、仿形弹簧作用力、播种单体自身重力平衡决定，这种仿形机构对种植田间地表不平整度的适应性和各行播种深度的一致性、可靠性和准确性还不够理想。非工作状态时根据土壤坚实度可以对仿形弹簧的预紧力进行调整从而调整播种机播种深度，播种深度调整后仿形敏感度也会相应发生改变。由于种箱内种子和肥箱内肥料在作业过程中不断减少，造成的整机自重变化使播种单体对地压力不足，从而产生播种深度不够，甚至种子裸露的现象。基于这些不足国内已有不少科研工作者把仿形方向转向了随动作用式，如将电液控制仿形系统应用在大豆精播机上控制播种深度，当播种机进行播种作业时，该系统由仿形传感器感应地面起伏的变化，实时将检测到的地面起伏信号转换成电信号，根据该电流信号驱动液压缸控制四连杆机构动作，实现播种深度的控制。随动作用式仿形机构虽然能够在一定程度的起伏地面实时调整播种作业深度，但是当起伏程度超过某一范围(地表不平度≥5cm)时其仿形传感器便无法满足作业需求，而且对小幅度起伏(地表不平度≤1cm)的地面仿形量小，仿形传感器无法输出相应的信号。由于采用液压系统，随动作用式仿形机构的响应速度较慢，对播种深度一致性影响较大。随动作用式仿形机构只能根据地面的起伏变化来调整播种单体的上下浮动，进行免耕播种时，地表情况复杂，土壤坚实度各处差异较大，仅依靠仿形机构控制播种深度一致性很难达到预期效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可适用于多行免耕播种机的播种深度自动控制装置，该装置能够使免耕播种机在秸秆覆盖地或者地表不平整(地表不平度≤10cm)的土地上作业时自动保证播种深度的良好一致性，并且具有良好的稳定性、快速性和可靠性。

免耕播种机在播种作业过程中使每一个播种单体对地表产生足够的压力是非常必要的，播种单体对地表的压力能够使免耕播种机的开沟圆盘充分深入到土壤中，并且能够在开沟圆盘两侧堆积足够的土壤以便填埋种子，因此，播种机的播种深度主要取决于播种单体对地表的压力。播种单体对地表的压力是播种单体自重和开沟圆盘阻力的合力，种箱和肥箱内种子和肥料的重力是播种单体自重的一部分，在播种过程中这部分重量是不断变化的，开沟圆盘的阻力也不断随土壤坚实度及地表覆盖情况的变化而变化。为了保证播种深度的良好一致性，本发明通过限深轮内部的胎面形变传感器实时监测播种单体对地表压力，并通过在播种机机架与播种单体四连杆间安装气缸，推动播种单体能够额外产生对地表的压力。此时，播种单体对地表的压力是播种单体重力、开沟圆盘阻力和可控的气缸推力综合作用的结果。

本发明所述的免耕播种机播种深度自动控制装置，由安装在每一播种单体(N行播种机由N个播种单体构成)限深轮轮胎内表面的胎面形变传感器、安装在每一播种单体上的信号处理电路、安装在播种机主机架上的控制信号产生电路和气压传动系统组成。

胎面形变传感器通过树脂胶粘在播种单体限深轮轮胎的内表面，由有机聚合物压电薄膜和铝电极组成，铝电极镀覆在压电薄膜的上下表面上，两条信号传输线分别固定在两个铝电极的表面上；所述压电薄膜的宽度为12～15mm，长度为30～40mm，厚度为20μm～60μm，压电常数10～20pC/N，断裂伸长率10～15％，断裂拉伸强度20～30MPa；所述的有机聚合物压电薄膜为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，优选的是MEAS品牌DT系列聚偏氟乙烯压电薄膜传感器(包括铝电极和信号传输线)DT1-028K/L、DT1-052K/L。

所述信号处理电路由电荷放大电路、电压放大电路、峰值保持电路、A/D转换电路、第一单片机和无线发射模块组成，安装在限深轮内部的胎面形变传感器将播种单体对地面压力转换为模拟电流信号，该电流信号经电荷放大电路放大后转化为电压信号，电压信号再由电压放大电路予以放大，之后再通过峰值保持电路输出等于该信号峰值的直流电压，A/D转换电路将此直流电压值转换为数字信号传给第一单片机，第一单片机控制无线发射模块将该信号从限深轮内部发出。

所述控制信号产生电路由无线接收模块、第二单片机、显示模块、输入键、D/A转换电路和功率放大电路组成。无线接收模块接收到来自无线发射模块的信号后，由第二单片机将接收到的信号与存储在单片机内的预设值比较，当接收到的信号小于预设值时，预设值与接收到信号的差值形成控制信号，控制信号经D/A转换电路转换为模拟电压信号后再由功率放大电路放大，传送给电-气比例阀；单片机内的预设值可通过输入键设置和修改。

所述气压传动系统由空气压缩机、储气罐、过滤器、压力型电-气比例阀和气缸组成。每一个播种单体配备一个气缸，气缸的一端固定在播种机的主机架上，另一端与每一个播种单体的四连杆机构固定。空气压缩机产生压缩空气存储在储气罐内，储气罐与过滤器相连，压缩空气由过滤器过滤，滤除粉尘和杂质后提供给压力型电-气比例阀，压力型电-气比例阀根据控制信号产生电路产生的控制信号的大小输出稳定的气压力，从而控制气缸产生相应大小的推力，控制信号幅值越大，气缸产生的推力越强，气缸推动四连杆机构向下使播种单体对地面产生精确压力，直到使限深轮轮胎面产生足够的变形。当胎面形变传感器输出值大于或等于预设值时，没有控制信号产生，此时气缸不产生推力，限深轮充分接触地面并限制播种单体继续向下，播种单体自重与开沟圆盘阻力能够产生足够大的播种单体对地表压力，播种深度即为限深轮与开沟圆盘的高度差(限深轮与开沟圆盘保持同步)。

本发明结构简单，适用性强，能够在坡耕地或者地表不平整土地上作业，可以在播种机作业过程中实时保证播种深度的良好一致性，具有良好的稳定性和安全可靠性。

附图说明

图1：本发明所述的一个播种单元的侧面结构示意图；

图2：本发明所述的一个限深轮的横截面结构示意图；

图3：本发明装置的结构示意图；

图4：本发明所涉及的信号处理电路；

图5：本发明所涉及的控制部分电路；

图6：本发明胎面形变传感器的输出波形；

图7：本发明限深轮载荷与峰值保持电路输出电压关系。

具体实施方式

为了能够进一步理解本发明，下面将结合附图对本发明的播种深度自动控制装置做更为详尽地说明。

实施例1

一般来说，播种机上至少安装有两个行播种单体，如图1所示，每一行播种单体通过四连杆机构2安装在播种机的主机架1上，行播种单体可以上下浮动适应地表的起伏变化。行播种单体左右对称安装一对橡胶限深轮4，位于开沟圆盘5的两侧靠后的位置。开沟圆盘5的下部嵌入到土壤中，限深轮4压在土壤表面，开沟圆盘5与限深轮4的高度差保持固定不变即为播种深度。进行播种作业时，播种深度由播种机开沟圆盘5遇到的阻力、气缸3向下的作用力、播种单体自身重力平衡决定，要求限深轮4与开沟圆盘5对地表始终保持足够压力才能保证播种深度一致性。由于秸秆覆盖地的地表起伏以及种箱和肥箱自重的变化，仅依靠播种单体自重不能使限深轮4与开沟圆盘5对地表始终有足够的压力，压力不足造成播种深度不一致，甚至种子裸露在地表。

如图2，在其中一个橡胶限深轮4内部粘贴胎面形变传感器6(另一个橡胶限深轮内部不需要安置传感器)，橡胶限深轮4在行进过程中接触地面使胎面形变传感器6发生变形，聚偏氟乙烯压电薄膜内部产生极化现象，同时在聚偏氟乙烯压电薄膜的两个上下铝电极表面出现正负相反的电荷；胎面变形越大，产生的电荷就多；胎面变形小，产生的电荷就少。信号处理电路7安置在限深轮4上。

系统结构如图3所示，信号处理电路7由电荷放大电路8、电压放大电路9、峰值保持电路10、A/D转换电路11、第一单片机12、无线发送模块13组成。系统的工作原理是：电荷放大电路8将胎面形变传感器6所产生的电荷Q转化为电压信号Ui，再经过电压放大电路9将电压信号Ui放大为U，U是一个根据电荷Q转化来的动态脉冲信号，峰值保持电路10将U峰值转换成直流电压输出，A/D转换电路11将此直流电压值转换为数字信号传给第一单片机12，第一单片机12控制无线发射模块13将该信号从限深轮4内部发出。

控制信号产生电路14安装在机架1上，由无线接收模块15、第二单片机16、输入键17、显示模块18、D/A转换电路19和功率放大电路20组成。系统的工作原理是：无线接收模块15接收到无线发射模块13发出的数字信号后传送给第二单片机16，第二单片机16将接收到的信号与存储在第二单片机内的预设值比较(预设值为理想播种深度时，限深轮4产生变形，胎面形变传感器6发出的信号经过信号处理电路7后形成电压信号U的峰值)，当接收到的信号小于预设值时，第二单片机16将预设值与接收到信号的差值形成控制信号，控制信号经D/A转换电路19转换为模拟电压信号后再由功率放大电路20放大，传送给电-气比例阀25。单片机16内的预设值可通过输入键17设置和修改，并在显示模块21上显示。

其中气压传动系统21由空气压缩机22、储气罐23、过滤器24、电-气比例阀25和气缸3组成。空气压缩机22产生压缩空气存储在储气罐23内，并由过滤器24过滤，滤除粉尘和杂质。电-气比例阀25根据控制信号产生电路14输出信号的大小输出稳定的气压力，从而控制气缸3产生相应大小的推力。控制信号幅值越大，气缸3产生的推力越强，气缸推动四连杆2向下使播种单体对地面产生精确压力，直到使限深轮4轮胎面产生足够的变形。当控制信号产生电路14接收到的信号大于或等于预设值时，没有控制信号产生，此时限深轮4充分接触地面，从而使播种深度保持一致。

信号处理电路7如图4所示由，电荷放大电路8由运算放大器A1、积分电容C1和反馈电阻Rf组成，反馈电阻Rf的目的是提高电路的稳定性。运算放大器A1的正、负输入端分别接胎面形变传感器6的两个电极，且正向输入端同时接地。积分电容C1和反馈电阻Rf并联后接在运算放大器A1的负输入端和输出端之间。如果将输入电容和导线电容忽略的话，其输出电压U_i与压电电荷Q的关系是(C₁为积分电容C1的电容值)：

$U_i=-\frac{Q}{C_1}---\left(1\right)$

运算放大器A1为通用运算放大器(如LM358)，积分电容C1值范围是300pF～0.1μF，反馈电阻Rf阻值为100kΩ～100MΩ。

电压放大电路9是一个同向比例放大器，其特点是输入阻抗较高，由运算放大器A2、电阻R₁、可调电阻R_w和电阻R₂组成；电阻R₁、可调电阻R_w、电阻R₂串联后，接在地与运算放大器A2的输出端之间；运算放大器A2的正输入端接电荷放大电路8的输出端，可调电阻R_w的可调端接运算放大器A2的负输入端；电压放大电路9输出电压U与输入电压U_i的关系为：

$U=(1+\frac{R_2+R_{w2}}{R_1+R_{w1}})U_i---\left(2\right)$

可调电阻的可调端将可调电阻的阻值分为两部分，即R_w＝R_w1+R_w2。电压放大电路9的放大倍数在范围内连续可调。

峰值保持电路10是由两个运算放大器A3和A4、晶体管Tr、二极管D1、二极管D2和电阻Re、R3，电容C2构成，其中晶体管Q1和电阻Re构成复位电路(ResetCircuit)。运算放大器A3的正输入端接电压放大电路9的输出端，输出端经过整流二极管D2与A4的正输入端相连，电阻R3分别与A3、A4的负输入端相连，二极管D1连在A3的负输入端和输出端之间，晶体管Q1的基极与单片机12的P0口连接，晶体管Tr的发射极与电阻Re连接后接地，晶体管Q1集电极接运放A4的正输入端，并与电容C2相连。峰值保持电路10可以输出一个直流电压，其幅值等于输入信号U的峰值，输出端接A/D转换电路11的输入端，这样A/D转换电路11就可以得到一个稳定的信号，转化后的数字电压信号通过单片机12的I/O口输入单片机，由单片机12通过对数字电压信号进行编码转换处理后，并控制与单片机12相连的无线发射模块13进行无线发射。为了能准确输出电压放大电路9输出电压U的峰值，峰值保持电路10还需要在A/D采集电路11采集完电压U的峰值信号后复位。复位电路(ResetCircuit)是由单片机12通过I/O口P0.0控制的，当单片机12通过I/O口对晶体管Q1的基极输入一个正脉冲信号时，晶体管Q1集电极和射极饱和导通，将峰值保持电路10中电容C2上的电量放掉，峰值保持电路10的输出变为零，重新跟随输出信号U的峰值。其中，晶体管Q1为高速晶体管或场效应管。

控制信号产生电路14如图5所示，由无线接收模块15、第二单片机16、输入键17、显示模块18、D/A转换电路19和功率放大电路20组成。无线接收模块15与单片机16的I/O口相连，单片机16的P0口作为显示模块18的数据线连接口；输入键17由递增键S1、递减键S2以及确认键S3组成，S1、S2、和S3分别与单片机13的P2.6，P2.7和P1.5三个I/O口相连，用以输入预设值。单片机16通过I/O口(P1口)与D/A转换器19的片选CS、时钟SCLK和数据输入DIN端口相连接，电压基准集成芯片REF5020为D/A转换器19提供2.048V的基准电压，REF5020通过管脚VOUT与D/A转换器19的管脚REFIN相连。功率放大电路20通过管脚AIN与D/A转换器19的管脚OUT相连。图5中，Uout信号将会控制电-气比例阀25的输出气压力。

实施例2

具体地，空气压缩机22优选VIAIR公司生产的直流空气压缩机350C，最大工作压力150PSI，电-气比例阀25优选SMC公司生产的VEP系列电-气比例阀VEP3121-1，气缸3优选固特异公司生产的IS5-006，过滤器24优选SMC公司生产的AF系列空气过滤器AF20。

电荷放大电路8选用的运算放大器A1为LM358，积分电容C1为4700pF，反馈电阻Rf阻值为3.3MΩ。电压放大电路9中电阻R1、R2及可调电阻RW分别为12kΩ、200kΩ和110kΩ。在峰值保持电路10中，电阻R3、Re分别选用10kΩ、1KΩ，电压保持电容C2为0.1μF，整流二极管D1、D2选用1N4148。运算放大器A2，A3和A4均选用了低噪声高精运放OP07。图中A/D转换器11选用美国TI公司生产的多通道10位串行A/D转换器TLC1543。单片机12选用STC89C52，无线发射模块13选择由NORDIC生产的NRF24L01，图5所示的单片机16和无线接收模块15也是同样。

具体地，显示模块18选择通用的液晶显示屏LCD12864(如LG液晶显示屏128X64LCD)，D/A转换器19选用串行10位DAC芯片TLC5615，并采用美国TI公司的高精度电压基准集成芯片REF5020为TLC5615提供2.048V的基准电压。功率放大电路20采用的是与VEP3121-1型比例阀相配套的是SMC公司的VEA252功率放大板，其功能是驱动比例阀，它能将0～5V电压信号转变为0～1A电流信号。

如图6为胎面形变传感器6选用MEAS品牌DT系列DT1-028K/L传感器的输出波形。将胎面形变传感器6粘贴在限深轮4的轮胎内表面，胎面形变传感器6的粘贴位置接触地面时，胎面产生变形，变形使胎面形变传感器6发生极化现象并在其上下表面产生电荷，电荷放大电路8将胎面形变传感器6所产生的电荷Q转化为电压信号Ui，再经过电压放大电路9将电压信号Ui放大为U，U是一个根据电荷Q转化来的动态脉冲信号，图6为用示波器观测到的由电压放大电路9输出的模拟电压信号U。由图6，限深轮4胎面发生形变时，电压放大电路9产生一个信号周期为200ms，幅值为104mV的脉冲电压信号，变形恢复后，信号消失。

如图7为单个限深轮4在承受不同负载时，峰值保持电路10的输出电压信号。将胎面形变传感器6粘贴在限深轮4的轮胎内表面，胎面形变使胎面形变传感器6发生极化现象并在其上下表面产生电荷，电荷放大电路8将胎面形变传感器6所产生的电荷Q转化为电压信号Ui，再经过电压放大电路9将电压信号Ui放大为U，峰值保持电路10将U峰值转换成直流电压输出，图7为让限深轮4承受不同的载荷时，峰值保持电路10输出的直流电压值。限深轮4承受的载荷越大，限深轮4的胎面变形量也越大，极化现象产生的电荷越多，所产生的动态脉冲信号U的峰值越大，峰值保持电路10输出的直流电压值也越大。峰值保持电路10输出的直流电压值与限深轮4承受的载荷量呈线性的正比关系。

Claims (3)

1.一种免耕播种机播种深度自动控制装置，其特征在于：由安装在每一播种单体限深轮轮胎内表面的胎面形变传感器、安装在每一播种单体上的信号处理电路、安装在播种机主机架上的控制信号产生电路和气压传动系统组成；

胎面形变传感器通过树脂胶粘在播种单体限深轮轮胎的内表面，由有机聚合物压电薄膜和铝电极组成，铝电极镀覆在有机聚合物压电薄膜的上下表面上，两条信号传输线分别固定在两个铝电极的表面上；

信号处理电路由电荷放大电路、电压放大电路、峰值保持电路、A/D转换电路、第一单片机和无线发射模块组成，安装在限深轮内部的胎面形变传感器将播种单体对地面压力转换为模拟电流信号，该电流信号经电荷放大电路放大后转化为电压信号，电压信号再由电压放大电路予以放大，之后再通过峰值保持电路输出等于该信号峰值的直流电压，A/D转换电路将此直流电压值转换为数字信号传给第一单片机，第一单片机控制无线发射模块将该信号从限深轮内部发出；

控制信号产生电路由无线接收模块、第二单片机、显示模块、输入键、D/A转换电路和功率放大电路组成；无线接收模块接收到来自无线发射模块的信号后，由第二单片机将接收到的信号与存储在单片机内的预设值比较，当接收到的信号小于预设值时，预设值与接收到信号的差值形成控制信号，控制信号经D/A转换电路转换为模拟电压信号后再由功率放大电路放大，传送给压力型电-气比例阀；单片机内的预设值可通过输入键设置和修改；

气压传动系统由空气压缩机、储气罐、过滤器、压力型电-气比例阀和气缸组成；每一个播种单体配备一个气缸，气缸的一端固定在播种机的主机架上，另一端与每一个播种单体的四连杆机构固定；空气压缩机产生压缩空气存储在储气罐内，储气罐与过滤器相连，压缩空气由过滤器过滤，滤除粉尘和杂质后提供给压力型电-气比例阀，压力型电-气比例阀根据控制信号产生电路产生的控制信号的大小输出稳定的气压力，从而控制气缸产生相应大小的推力，控制信号幅值越大，气缸产生的推力越强，气缸推动四连杆机构向下使播种单体对地面产生精确压力，直到使限深轮轮胎面产生足够的变形。

2.如权利要求1所述的所述的一种免耕播种机播种深度自动控制装置，其特征在于：所述的有机聚合物压电薄膜的宽度为12～15mm，长度为30～40mm，厚度为20μm～60μm，压电常数10～20pC/N，断裂伸长率10～15％，断裂拉伸强度20～30MPa。

3.如权利要求1所述的所述的一种免耕播种机播种深度自动控制装置，其特征在于：所述的有机聚合物压电薄膜为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。