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摘要：在设计农药喷洒机械自动调平控制系统基于单片机STC89C51而言，使安装在机械车上的农药喷洒装置在不平整的农田或山地作业时，始终能水平地喷洒农药。系统采用倾角传感器进行倾斜检测，再经单片机控制电路，最终由三位四通电磁换向阀控制液压缸完成自动调平。调平系统能有效提高农药的利用率，减少成本。
关键词：单片机；农药喷洒；自动调平
正文：我国是一个农业大国，农业生产是人类生存的根本。然而，农作物在生长发育过程中，经常遭受到病菌、害虫、杂草等生物的侵害，因此农药喷洒是农业生产工程中必不可少的环节。随着现代科学技术的进步和高效农业的发展，越来越多的农业机械被应用于农业生产中，以提高农产品生产效率和降低工作强度。农药喷洒机械的发展，根据各国情况的不同各有其特点:日本地块较小、经营分散，故以发展小型机动式喷洒机械为主;为提高生产效率，近年来开始发展较大型植保机械，如自走式机动喷粉喷雾弥雾机。美国、加拿大等国，因其土地面积较大且比较平坦，故以发展拖拉机配套的悬挂式和牵引式大型喷洒机械为主，而我国有大量的陡坡林地和山地，一般的农药喷洒机械作业时由于受土地平整度等作业环境的限制，喷洒农药过程中经常会造成很大部分的浪费，导致其使用性能显著降低。为此，针对现有农药喷洒机械的不足，设计出一套农药喷洒机械自动调平系统，能使机械在不平整的田间或陡坡行驶作业时始终水平喷洒农药，使农药均匀地喷洒在作物上，从而以最少的药量达到最佳的防治效果。
1系统自动调平总体方案设计
这个调平系统主要是利用单片机和液压控制喷药杆，这样是为了达到自动调平的目的。农药喷洒机械进入农田后，自动调平控制系统开始工作，当遇到凹凸农田时，其作业不会因为土地不平整而上下摆动;此时倾斜检测装置将收集到的信号传送到单片机电路，经单片机处理后，输出相应脉冲信号，控制三位四通电磁换向阀和单向比例调速阀并驱动液压油缸完成喷药装置的自动调平;同时，喷药杆在倾斜过程中，角度传感器不断检测反馈当前的倾斜角度，由单片机比较反馈值和给定值之差，形成闭环负反馈调节系统，大大提高了调平系统的精度。图1是喷药机械自动调平作业原理图。
图1喷药机械自动调平作业原理图
2喷药机械自动调平机构设计
2.1倾角传感器
在调平系统中，倾角传感器很重要的构成部分，发挥着非常关键的作用。倾角传感器的好坏和布置方式直接影响到系统的响应时间和调平精度。本设计采用倾角传感器AME－B002，主要参数包括:角度范围0°～360°，电压范围0．5～+4．5V，温度范围－40～100℃，分辨率12位，精度10位，供电电压5V±10%。该传感器具有反应灵敏、精度高、价格低、容易安装等优点，确保其能满足实际工作要求。倾角传感器输出模拟电压信号，经过A/D转换芯片转换成数字信号，送到控制核心STC89C51。倾角传感器安装在喷药杆转动轴上，将喷洒装置倾角信息实时传送给控制核心，作为判断喷药杆是否水平的依据。
2.2喷药装置调平机构
在与农药喷洒机械前进方向垂直的平面内有喷药杆，目前的农药喷洒装置和配套的拖拉机车体大多都是刚性连接的，由于土地平整性的限制，当在山地或其它恶劣环境下作业时，喷药杆会随着车体的倾斜而一起摆动，导致农药喷洒不到位。本文对此进行改进，改进过后的喷药装置铰接在车体上，并可绕着车体发生相对转动，通过液压调平系统控制它始终处于水平状态。调平机构采用直接推动式调平。该机构稳定性好，油压特性好，且油缸行程和所受最大推力较小。图2为农药喷洒装置调平机构简图。
图2农药喷洒装置调平机构简图
3液压调平系统设计
3.1锁紧回路
锁紧回路可使液压缸活塞在任一位置停止，并可防止装置调平完成后喷药杆继续上下窜动，影响系统的稳定性。系统采用液控单向阀，由于它有着良好的密封性能，即使在外力作用下，也能使执行元件长期锁紧，保证喷药杆空间水平姿态。
3.2换向阀的选择
根据自动调平结构的机械原理，设计液压系统的主要问题在于换向及时、控速灵敏，从而实现“无冲击”调平。为了保证三位换向阀中位时锁紧，换向阀应采用H型或Y型机能，同时考虑到喷药杆部件速度和质量较小，且水平调节精度要求较高，综合比较本系统选用H型中位机能三位四通电磁换向阀。
4自动调平电路
4.1滤波电路
滤波电路作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。通过对传感器输出信号经过带通滤波处理，使通频带范围内的信号顺利通过，除去其中的杂质和扰动信号，从而提高信噪比，同时也避免了干扰信号引起液压缸的误动作。
4.2放大电路
由于传感器输出的信号比较微弱，经简单的滤波处理后，还无法得到有效的利用，需要适当的放大，以提高信号的强度，同时便于后续处理。放大电路是利用具有放大作用特性的电子元件(如晶体三极管)。三极管加上工作电压后，输入端的微小电流变化可以引起输出端较大电流的变化。
4.3单片机控制电路
整个控制电路系统由拖拉机蓄电池提供直流电源，控制系统中继电器和调速比例阀由单片机I/O口直接控制，用以选择液压系统中油液流向及过阀流量。其自动控制原理是通过单片机产生脉宽调制信号，通过控制I/O口输出高、低电平以形成PWM比例脉冲(脉宽调制是通过改变导通时间t与工作周期T的比值，任意配置频率和占空比，使一个周期时间内输出的平均值与相应时刻采样得到的信号成正比。来完成。具体过程如下:经过前方处理的信号分别在单片机的P0．0、P0．1、P0．2、P0．3这4个I/O口输出。其中，P0．0和P0．1输出信号经驱动电路控制电磁阀1YA和2YA的通断，实现对油液总体方向的变换;P0．2和P0．3输出的PWM信号则控制流过比例阀电磁铁3YA和4YA的电流大小。同时，考虑到大电流可能对单片机的干扰，单片机控制系统中采用固态继电器代替传统光电耦合器隔离电路。
结语
综上所述，基于现有农药喷洒机械的农艺要求，设计了一套新型农药喷洒机械自动调平控制系统，着重介绍了系统的总体方案设计、喷药机械调平机构原理、单片机控制系统以及液压驱动下喷药杆快速自动调平的过程。该系统具有响应速度快、可靠性高、易于操作的优点，在农药喷洒自动调平领域有很大的应用价值。
参考文献:
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