基于红外扫描的果园自动喷药机械控制系统研究

论文摘要

随着经济的发展,人们对水果的需求量不断增加,对其质量的要求也是日渐增高。但落后的果园施药机械和施药技术限制了果业的发展,与水果的高品质要求形成强烈的反差。落后的果园施药技术不但使作业者劳动强度大、作业效率低、所受危害大,更导致农药大量浪费、利用率低、残留量超标,甚至造成严重的水土污染。综上所述,根据我国果园施药机械的研究现状,对其自动控制系统进行研究很有必要。本文旨在设计一种果园自动喷药机的控制系统,以实现果园内自动对靶间歇式喷药,降低农药使用量、提高利用率、减少对环境污染的目的。系统创新采用机械传动来实现果树信息的红外扫描检测方式,以AT89S52单片机作为微控制器,主要对控制系统硬件电路、控制软件、扫描机构及药液回路等进行了设计。(1)完成了系统整体方案的设计。果园自动喷药机控制系统主要由果树信息检测系统、控制器和药液回路系统组成。(2)完成了果树信息检测系统的设计。按最小传动角45°设计了曲柄滑块机构,用来实现红外光电开关的垂直往复运动,从而得到类似正弦曲线的扫描路径。选用步进电机为机构提供动力,完成了步进电机转速调控电路的设计,实现了扫描速度的调控。(3)完成了控制器硬件电路及控制软件的设计。系统硬件电路采用AT89S52单片机作为微控制器,实现了采集红外光电开关的输出信号并输出控制指令控制电磁阀开闭的功能。采用固态继电器驱动电磁阀,实现了单片机系统和电磁阀负载的电气隔离。控制软件包括初始化程序、主程序、延时子程序及延时测量程序等,利用延时避免电磁阀的频繁开闭,延长其使用寿命。(4)完成了药液回路系统的设计。药液回路是自动喷药机的基础硬件系统,包括汽油机、带传动减速装置、液泵、电磁阀、喷杆喷头以及供药管路及接头。(5)进行了果园自动喷药机控制系统分步实验及整机实验,实验表明:喷药机工作时红外光电开关应距离果树60cm左右;药液回路系统内部压强小于1MPa,电磁阀可以正常开闭;扫描周期为0.5s,喷药机前进速度为1m/s,控制软件中电磁阀打开后延时为0.5s,关闭后延时为0.1s时,系统检测树间间距的最小值为15cm～20cm,能够满足果园内自动对靶间歇式喷药的作业要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 果园施药机械的研究进展
• 1.2.2 果园施药技术的研究进展
• 1.2.3 施药环境信息检测的研究进展
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 自动喷药机控制系统总体设计
• 2.1 总体设计思路
• 2.2 果树信息检测系统的组成
• 2.2.1 果树信息检测装置
• 2.2.2 扫描检测机构
• 2.2.3 步进电机
• 2.3 药液回路系统的组成
• 2.3.1 液泵
• 2.3.2 汽油机
• 2.3.3 V 带传动减速装置
• 2.3.4 电磁阀
• 2.3.5 药箱、供药管路、喷杆喷头
• 2.4 控制器
• 2.5 系统整体构成
• 2.6 小结
• 第三章 系统机械部分设计
• 3.1 机械部分总体设计
• 3.1.1 曲柄滑块机构最小传动角定义
• 3.1.2 曲柄滑块机构最小传动角的位置
• 3.2 机械部分参数的确定
• 3.2.1 已知曲柄相对长度a 的机构设计公式
• 3.2.2 应用 Excel 软件计算并确定参数大小
• 3.3 机械部分的运动分析、验证及实验用实物性能分析
• 3.3.1 曲柄滑块机构运动模型
• 3.3.2 机构运动分析
• 3.3.3 实验用曲柄滑块机构性能分析
• 3.4 小结
• 第四章 系统硬件电路设计
• 4.1 AT89S52 单片机的最小系统
• 4.1.1 时钟电路
• 4.1.2 复位电路
• 4.1.3 单片机引脚电平状态
• 4.2 控制器电源电路
• 4.3 单片机程序下载接口电路
• 4.4 串口调试电路
• 4.5 光电开关信号采集电路
• 4.6 电磁阀驱动电路
• 4.6.1 直流固态继电器（DCSSR）工作原理
• 4.6.2 电磁阀驱动电路的设计
• 4.7 步进电机转速调控电路
• 4.7.1 步进电机驱动器
• 4.7.2 步进电机转速调控电路
• 4.8 电路板制作
• 4.9 小结
• 第五章 系统控制软件设计
• 5.1 系统开发应用软件
• 5.1.1 集成开发环境 Keil uVision2
• 5.1.2 程序烧录软件Progisp1.68
• 5.1.3 单片机程序仿真软件 Proteus ISIS
• 5.2 控制系统软件设计
• 5.2.1 控制软件主程序设计
• 5.2.2 延时子程序设计
• 5.2.3 延时测量程序设计
• 5.3 小结
• 第六章 控制系统实验
• 6.1 距离检测实验
• 6.1.1 实验方案
• 6.1.2 实验结论
• 6.2 靶标间距识别最小值实验
• 6.2.1 实验方案
• 6.2.2 实验结论
• 6.3 整机实验
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介