基于设施农业拖拉机收放线控制系统设计.docx

基于设施农业拖拉机收放线控制系统设计.docx

《基于设施农业拖拉机收放线控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于设施农业拖拉机收放线控制系统设计.docx（59页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于设施农业拖拉机收放线控制系统设计

2015届本科生毕业论文（设计）

题目：

基于设施农业拖拉机收放线控制系统设计

摘要

伴随着我国人民生活水平的提高，对食品安全越发的重视，因此设施农业将得到长足的发展。

设施农业大棚中使用履带式柴油拖拉机，噪声大、污染严重、成本高等缺点而被取代，使用清洁能源的履带式电动拖拉机，电动拖拉机需用电缆。

但是电缆在大棚中操作不便，存在很大的安全隐患，因此，本研究设计设施农业拖拉机收放线控制系统。

该系统利用超声波测距技术，设置运动状态时的距离初值，通过实时测量拖拉机与收放线机械装置的距离，使运动状态时的距离初值与实时测量拖拉机与收放线机械装置的距离进行比较，将结果反馈给拖拉机收放线控制系统，从而控制收放线机械装置运动，可以实现控制收放线机械装置随拖拉机运动速度和方向的改变而改变。

测试表明，基于履带式电动拖拉机收放线控制系统可以用于设施农业拖拉机的收放线控制，实现运动的有效测距，在此基础上有效的进行运动控制。

关键字：

设施农业；电动拖拉机；收放线装置控制；超声波测距

Abstract

Withtheimprovementoflivingstandards,moreandmoreattentiontofoodsafety,thereforeagriculturalfacilitieswillbeleapsandbounds.

Agriculturalgreenhousefacilitiesusedcrawlerdieseltractor,noise,pollutionandhighcostwasreplacedbytheuseofcleanenergy,electriccrawlertractors,electrictractorsrequiredcables.Butcableingreenhousestomaneuver,thereisabigsecurityrisk,therefore,thisstudydesignfacilitiesforagriculturaltractorsretractablewirecontrolsystem.Initialandreal-timemeasurementofthedistancefromthetractorandretractablecablemechanismthesystemusesultrasonicdistancemeasurementtechnology,fromtheinitialvaluesetinmotionwhen,throughreal-timemeasurementofthedistancetractorwithretractablecablemechanism,sothatstateofmotioncomparingtheresultsbacktothetractorretractablelinecontrolsystemtocontroltheretractablecablemechanismmotioncontrolcanbeachievedwithretractablecablemechanismtochangethespeedanddirectionoftractormovementandchange.

Testsshowthatbasedoncrawlerelectrictractorstake-upcontrolsystemcanbeusedforfacilitiesforagriculturaltractorstake-upcontrol,movementtoachieveeffectiverange,onthebasisoftheeffectivemotioncontrol.

Keywords：

Agriculturalfacilities；electrictractor；take-updevicecontrol；ultrasonicranging

1引言

1.1研究背景

第二次世界大战后的几十年来，世界形势相对比较平稳，各国都在致力于自身经济的发展。

因此，经济迅速恢复和快速发展，人民生活质量大幅度提高，对农产品提出了更高的要求，设施农业在全球迅速崛起。

50年代以来，设施农业的发展，取得了巨大进步。

设施栽培的设施设备、专用品种、栽培和管理技术形成完整的技术体系，克服了严寒、炎热等不利气候影响，实现了周年生产、均衡上市，而且使产量成倍增长、品质大幅度提高；设施养殖实现了大规模、集约化、工厂化生产，从设施设备、专用品种，到全价配合饲料饲料、防疫、饲养管理等全套的技术体系，实现了革命性的变革。

以肉鸡生产为例，40多年来，大体上饲料消耗下降了一半、饲养周期缩短了一半（料肉比1.8～2.2：

1,饲养周期54天）[1]。

目前发达国家的设施农业，已形成成套技术、完备的设施设备、生产规范、产量的可靠性与质量的保证性强，并在向高层次、高科技和自动化、智能化方向发展，将形成全新的技术体系。

因而我国的设施农业设备也应跟上世界的步伐，实现智能化操作，着力农业机械设备的研究。

1.2国内外研究现状

荷兰是土地资源非常紧缺的国家，靠围海造田等手段扩大耕地，人均耕地1000平方米。

全国有13000[2]多公顷玻璃温室，并大力发展设施养殖和畜产品深加工，依靠设施园艺高新技术和畜产品，使农业迅猛发展，设施园艺已成为国民经济的支柱产业，使农产品出口值高达450[3]亿美元，成为仅次于美、法的世界第三大农产品出口国。

荷兰的花卉产业十分发达，主要靠设施栽培，是世界第一大花卉出口国，是世界花卉贸易中心，从荷兰拍卖市场出口的鲜切花占世界贸易出口额的70%，其中荷兰自身生产的占60%（我国仅占1%）[4]，因此荷兰市场花卉的成交价被作为国际价格动向的指标。

日本是个岛国，人均耕地资源低于我国，从60年代以来，高速发展蔬菜、花卉的设施园艺生产，实现了产品的高品质、多样化和周年均衡上市，80年代大体上就能达到每天上市的品种在14个以上[5]，日本的栽培设施主要是塑料大棚和临时采暖的塑料温室，也有一些玻璃温室，比较低，夏季通风降温有一定的问题。

日本的设施栽培主要是蔬菜和花卉，也有一些瓜果类，如网纹甜瓜、草莓、葡萄等。

法国、西班牙等国，由于气候条件较好，冬天不太冷、夏天不太热，因此主要是塑料温室。

以色列的设施栽培发展的很快，由于其干旱、沙漠气候、地理因素，其节水灌溉技术先进，利用光热资源的优势和节水灌溉技术，主要生产花卉和高档蔬菜，采用大型塑料温室，全自动控制，花卉生产温室1800公顷[6]，年产10.7亿支鲜切花，出口量占世界第三位。

美国是个大国，其总的指导思想是搞适地栽培。

由于国土横跨几个气候带，有条件搞适地栽培，通过公路和空运解决均衡上市，对设施栽培不十分重视。

但近几年来，随着人们生活质量的提高，对蔬菜、花卉等产品的品质和新鲜度提出了更高的要求，因此设施栽培有较快发展的趋势。

另外美国对设施栽培的尖端技术的研究非常重视，比如在太空中的设施生产问题，已有成套的、全部机械手操作的全自动设施栽培技术。

我国设施农业的发展趋势如下：

一是设施农业国产化。

我国幅员辽阔、气候类型多样、地域条件差别大，经济、技术、市场条件不一，致使我国不同的地区农业生产条件各异。

在引进、吸收和消化国外先进技术与设备的同时，要因地制宜，结合我国实际，自行研制适合我国设施农业的作业机具，实现设施农业的国产化[7]。

二是设施农业规模化、产业化。

设施农业是高投入、高产出、高效益的产业，只有形成相当规模才可能形成强有力的品牌效应，从而占领市场，使资源优势得到有效的开发与持续利用，同时带来巨大的经济效益，因此必须推进设施农业的产业化，加快设施农业企业的发展。

三是温室大型化。

大型温室设施具有投资省、土地利用率高、室内环境相对稳定、便于控制、能够实现机械化作业和产业化生产等优点。

与世界先进水平相近的大型塑料连栋温室、玻璃温室等，已经在我国许多省份出现，在全国逐步推广采光量好、保温性能强、环境调控技术高的大型连栋温室，将会是我国发展设施农业的关键之路。

四是温室生产多样化。

我国温室农产品是以生产蔬菜为主，这种生产模式应逐步向水果和花卉等生产发展，特别是提高市场价值较高的产品生产投入。

五是生产机械化、自动化。

现代日光温室生产应实现环境控制自动化、主要生产环节机械化、生产技术标准化、经营规模化和产品无害化，实现整体生产现代化，这样能使劳动生产率提高1倍以上[8]。

我国应逐步摆脱传统劳作方式，运用先进生产设备和管理技术，使生产趋于机械化、自动化，既节省人力物力，又能提高农产品质量。

从世界范围农业工程发展的历史来看,随着人口、资源、环境等社会问题的涌现,各国对于农业生产更加重视,相应的对于农业工程的发展也采取了积极措施和相关政策,主要包括经济投人、科研投人和教育投人三个方面。

大型现代化温室是设施园艺中装备完整性最好、环境调控能力最强、技术集成度最高的栽培设施，是设施园艺科学研究的前沿和技术应用的高地，也是中国设施农业发展的重要方向之一[9]，其技术内容代表了设施园艺的尖端成果和发展方向，也是各类先进装备技术在其他栽培设施中推广运用的重要前提和有效示范，直接影响到一个国家或地区设施园艺的整体发展水平和种植效益。

1.3提出问题

设施农业大棚采用履带式柴油拖拉机实现农业耕种等多种操作，具有噪声大、污染严重、成本高多种缺点。

基于此做出改善：

使用清洁能源的履带式电动拖拉机，电缆作为传输介质与电机相连接提为其供充足的能源。

电机的收放线在设施农业大棚中操作起来不变而且存在很大的安全隐患，据调查100米的电缆大约50kg且价格不便宜，并对电机产生很大的压力，如何判断履带式电动拖拉机的动向，以及解决收放线问题？

1.4研究内容

解决履带式拖拉机的收放线并判断其运动动向。

本文主要研究内容包括2部分，分别为超声波测距的设计、步进电机的控制

1）超声波测距的设计

超声波是指频率高于20KHz的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

取代了传统的收放线设计-线缆传输，大大降低了安全事故的发生。

2）步进电机的控制

控制电机的运动速度，以及电机的正反转。

保证履带式电动拖拉机与电机的同步并根据电机的正反转判断履带式拖拉机的运动方向。

1.5本章小结

本章主要分析了设施农业在国内外的发展状况，以及设施农业技术性产品有着广阔的前景，还简单阐述采用超声波取代传统的收放线控制系统，根据设施农业的发展提出了本文的研究目的及主要的研究内容。

2.总体方案设计

2.1方案论述

1）方案一：

红外测距

红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用图像处理接收发射与接收的时间差的数据。

经信号处理器处理后计算出物体的距离。

这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。

测量距离远，很高的频率响应，适合于工业环境中。

红外测距传感器的远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；有同步输入端，可多个传感器同步测量；测量范围广，响应时间短；外形设计紧凑，易于安装，便于操作，价格在十几元左右。

2）方案二：

超声波测距

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。

它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。

在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远，价格约在十几元左右。

3）方案三：

激光测距

激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。

经目标反射后激光向各方向散射。

部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。

雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。

记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快，价格约在两千元左右。

2.2设计思路

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。

而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。

超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。

目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测，汽车的倒车雷达的应用中都有着非常重要的作用。

在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也被广泛的应用着。

超声波测距仪作为一种新型的非常有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高定位、更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。

可以预见的是超声波测距的作用将在未来的各个领域中有着非常重要的作用。

同样在设施农业大棚中，也应用了超声破测距来控制电机的运动。

2.3设计方案

电机的控制系统包含两个模块，一是电机运动模块，保证电机在水平方向上加速减速，往返运动。

二是超声波测距模块，对电机的运动做出判断。

2.4元器件选型

产品类别

收发一体

标称频率

40.0±1.0KHz

灵敏度

-82dBmin

静态电容

2400Pf±20%

余振

2.98msmax

最高输入电压

120Vp-p

方向角

80°±15°（-6dB）

检测范围

0.2~3m（反射）

分辨率

10mm

工作温度

-40°C~+80°C

1）型号：

US40-16

表格1US40-16特性

图2.4.1US40-16

2）型号：

Polaroid600

表格2Polaroid600特性

产品类别

收发一体

标称频率

49.4±1.0KHz

灵敏度

-82dBmin

静态电容

1800Pf±20%

余振

2.38.msmax

最高输入电压

120Vp-p

方向角

80°±15°（-6dB）

检测范围

0.2~4m（反射）

精度

3mm

工作温度

-40°C~+80°C

图2.4.2Polaroid600

2.5本章小结

本章对本文设计设备的思路及方案进行了阐述，为后文具体设计提供整体框架和设计思路。

3.系统模块超声波测距

3.1测距原理

首先超声波传感器向空气中发射声波脉冲，声波遇到被测物体反射回来，若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t，利用

即可算得

传感器与反射点间的距离s，测量距离

，若测量距离s>>h时，则d≈s，本仪器采用收发同体传感器，故h=0，则。

脉冲法测距的原理如1所示。

图3.1.1距离测量原理

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

3.2温度补偿

常温常压下，空气近似为理想气体。

超声波在理想气体中传播速度，式中

为气体摩尔质量；r为气体的比热比；R为气体常数；T为热力学温度。

对于一定的气体r、

为定值。

由公式可知：

声速与热力学温度的平方根成正比。

温度越高速越大，温度越低声速越小00C时，空气中声速的实验值为331.45m/s[10]，空气中声速表达式为

（1）

由实验分析得距离计算公式为

（2）

式中N为计数个数，为参考频率，为摄氏温度，s为距离。

在250oC时，为本仪器的距离计算公式。

电路中未用温度传感器，所以仅进行常温下的声速补偿v=346.285m/s[11]在其它情况下，可根据具体需要而程序会略有改动。

3.3硬件电路设计

该设计的超声波测距系统由Polaroid600系列传感器、Polaroid6500系列超声波距离模块和AT89C51单片机构成。

3.3.1Polaroid600系列传感器

此超声波传感器是集发送与接收一体的一种传感器。

传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。

薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4kHz、电压为300VAC的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz的超声波。

当接收回波时，Polaroid6500内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤[12]。

超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一串超声波束，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为，则在时间内从物体反射回的信号就无法捕捉；另外，超声波传感器有一定的惯性，发送结束后还留有一定的余振，这种余振经换能器同样产生电压信号，扰乱了系统捕捉返回信号的工作。

因此，在余振未消失以前，还不能启动系统进行回波接收，以上两个原因造成了超声传感器具有测量一定的测量范围。

此超声波最近可以测量37cm[13]。

3.3.2Polaroid6500系列超声波距离模块

Polaroid6500系列超声波距离模块的硬件实物如图3.3.2所示：

图3.3.2Polaroid6500模块实物

TL851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。

内部有一个420KHz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8.5分频，形成49.4KHz的超声波信号，然后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。

发送之后陶瓷晶振被4.5分频[14]，以供单片机定时用。

TL852是专门为接收超声波而设计的芯片。

因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，TL852主要提供了放大电路，当TL852接收到4个脉冲信号时，就通过REC给TL851发送高电平表明超声波已经接收。

3.3.3AT89C51单片机

图3.3.3AT89C51单片机

本系统采用AT89C51来实现对Polaroid600系列传感器和Polaroid6500系列超声波距离模块的控制。

单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。

计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

超声波测距的硬件示意图如图3-4所示：

图3.3.4超声波测距的硬件示意图

3.4系统软件设计

系统程序流程图如图3.4.1所示：

图3.4.1超声波测距程序流程图

工作时，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，

同时启动内部定时器T0开始计时。

由于我采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms[15]才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。

当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。

再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。

4．系统模块步进电机控制

4.1步进电动机

德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。

我国在80年代以前[16]，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。

是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电机。

步进电动机构造：

由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。

最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。

步进电动机的机座号：

主要有35、39、42、57、86、110等

图4.1.1电动机结构图

步进电动机主要参数：

①步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机。

②拍数：

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用m表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。

③保持转矩：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

步距角：

对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。

④定位转矩：

电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。

⑤失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

⑥失调角：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角.

⑦调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

⑧运行矩频特性：

电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线。

4.2步进电机的特点

一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积；

步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；

步进电机的力矩会随转速的升高而下降

图4.2.1矩频特性曲线

（1）空载启动频率：

即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

步进电机的起步速度一般在10~100RPM，伺服电机的起步速度一般在100~300RPM。

根据电机大小和负载情况而定，大电机一般对应较低的起步速度。

（2）低频振动特性：

步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。

其步距状态的移动会产生步距响应。

图4.2.2步距响应图

（3）电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然。

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声方法：

①通过改变减速比等机械传动避开共振区；

②采用带有细分功能的驱动