基于单片机的棉花打顶机打顶高度的控制研究

何 静

(重庆工业职业技术学院，重庆 401120)

基于单片机的棉花打顶机打顶高度的控制研究

何 静

(重庆工业职业技术学院，重庆 401120)

打顶是棉花生产过程中一个重要的环节，可以去除顶端优势，提高棉铃的数量和质量。人工打顶的劳动强度大，导致人力成本上升，成为棉花生产全程机械化的瓶颈。研制作业精准度高、适用性广的棉花自动打顶机械可以解决上述问题，具有广阔的应用前景。为此，研制了一种基于单片机的棉花打顶高度控制系统，采用超声波和传感器进行株高测量，包括控制模块、株高测量装置、速度感应装置、升降装置和打顶装置。室内的适应性检验结果表明，该系统对70～95cm高度范围内的棉花植株具有较好的适应性。该控制系统装载在3MDZ-1型棉花打顶机上，田间试验结果表明：在3.0km/h速度下的打顶效率最高，打顶率达到88%，每小时能够完成约0.7km2面积的棉花打顶作业。该系统结构设计合理，实用性和适应性较好，可以作为棉花生产全程机械化的技术支撑。

棉花打顶；高度控制；单片机；超声波

0 引言

棉花是纺织工业的主要原料，作为经济作物在我国的国民生产活动中占有重要地位。棉花广泛种植在我国的黄河中下游、长江中下游和新疆地区，我国棉花种植总面积仅次于印度和美国，位列世界第三。但是,近年来，我国棉花的种植规模和产量有下降的趋势，而种植成本增加导致的收益减少是重要原因之一。

打顶是棉花生产过程中一个重要的增产环节，可以去除棉花生长过程中的顶端优势，使更多的水分和营养成分应用于棉花的生殖生长，提高棉铃的数量和质量[1]。目前，棉花的打顶主要有化学控制和人工打顶两种方式。化学控制是通过喷洒化学打顶剂来控制棉花的营养生长，技术性较强，但打顶效果会受到棉花品种和天气的影响。此外，反复的喷洒作业使得机械对田块造成有害压实，妨碍了持续性的耕作。部分化学打顶剂对人畜健康和环境是有害的，因此这一方法的大规模应用还存在争议。人工打顶的方式不会带来上述的问题，但是劳动强度大、效率较低，导致人力成本上升，使得打顶成为棉花生产全程机械化的瓶颈[2]。

随着精准农业概念的兴起和发展，自动化物理打顶方法正在成为研究热点。研制作业精准度高、适用性广的作物自动打顶机械，不仅可以解决上述传统方式所面临的问题，还顺应了农业现代化的发展趋势，具有广阔的应用前景。烟草也是一种需要打顶的经济作物，目前其智能化的打顶抑芽机械及相关技术也得到了全面的研究[3-5]。在棉花打顶作业上，我国的科研院校和一些棉花生产企业都进行了智能打顶相关技术的研究，并应用到各种型号的打顶机械上；但这些机械大多停留在试验阶段，离实际应用还有一定的距离。目前，棉花打顶机械的广泛应用主要是受到以下因素的制约：①棉田的自然环境复杂，作业过程中的机械振动和尘土雨露都会对打顶作业的效果产生影响；②一般的机械对棉花植株实际高度的测量精确度有限，影响了打顶的精确度，存在漏打和过打顶的问题[6-9]。

物理光学技术能够实现对物体高度的快速精确测量，应用于农业领域的有激光、超声波、图像处理和光电技术等，而在棉花的株高测量上使用的主要是激光和超声波技术。超声波是一种机械波，在空气中的传播速度与空气一样为340m/s。超声波的频率高、波长短，能量和方向都比较集中，在遥感测绘领域中用途广泛。用于长度、高度测量的超声波频率为40kHz，测量距离在几米至几十米之间。超声波的收发装置都有其固定的频率，因此无需加装选频电路就能获得很强的抗干扰性能。利用超声波测距的方法有多种，根据棉花株高测量的具体情况，选择脉冲回波法最为合适。该方法是利用脉冲信号激励发射传感器发出超声波，到达被测植株顶端后形成反射回波，返回到接收传感器；根据超声波的传播速率和传播时间计算其传播的距离，该距离的1/2即为传感器与植株顶端的距离。

李霞等人通过标定的传感器发出超声波获取棉花图像并测量株高，在进一步分析和修正了误差后，可以为打顶机的自动化控制提供技术支持[10]。随后，他们将该技术整合到了打顶机械上，分析了其在实践应用中需要解决的具体问题，并对其应用前景进行了展望[11]。此外，孙杰设计了一种基于激光对射技术的棉花打顶高度自动控制系统并应用到打顶机械上。田间试验结果表明：其能够代替人工完成棉花打顶，并具有更高的作业效率[12]。

现代农业正在向着精准化和智能化发展，各种传感器和芯片开始与农业机械结合，大幅度地提高了作业的效率和质量。目前，国内研制并进行试验的棉花打顶机打顶精度普遍不高，成为提升打顶作业质量的限制因素。为此，本文研制了一种基于单片机的棉花打顶高度控制系统。该系统采用超声波和传感器进行株高测量，并装载在打顶机上进行室内和田间的打顶高度控制试验，能够精确地去除棉花顶芯，提高棉花产量，进一步优化后可以应用于实际生产。

1 设计原理及结构

1.1 设计原理

将新的打顶高度控制系统装载在棉花打顶机上，利用超声波回波脉冲法进行棉花的株高测量，测量数据传到由单片机组成的控制模块中计算出结果；然后，根据棉花株高数据调整步进电机的转速和方向，通过升降系统对打顶装置的位置进行精确调节。同时，安装在牵引拖拉机地轮上的速度感应装置获取牵引机械的行进速度，由单片机根据行进速度控制打顶装置的升降速度，实现精确打顶。

1.2 总体设计

高度控制系统装载在3MDZ-1型棉花打顶机上，前悬挂装置由江苏750H型高地隙宽轮距拖拉机牵引，拖拉机输出功率70kW。750H型拖拉机一次牵引打顶机3台，控制打顶机的操作显示屏装载在拖拉机上，打顶机由拖拉机上的蓄电池提供电源和动力。打顶高度控制系统的组成部分包括控制模块、株高测量装置、速度感应装置、升降装置和打顶装置，各模块和装置之间的连接如图1所示。

图1 控制系统工作流程Fig.1 Working flow chart of the control system

2 系统组成

株高测量装置安装在打顶机支架的上方，由超声波发射器、超声波接收器和电位器电路组成。超声波发射器在单片机脉冲信号的激励下向下发出超声波，遇到植株顶端后反射回波至接收器，再由单片机处理计算得到与植株顶端之间的距离。同时，电位器电路测量出装置与地面之间的距离，减去前者便得到植株的高度。棉花株高测量装置工作原理如图2所示。

图2 株高测量装置工作原理Fig.2 Working principle of the plant height measuring device

速度感应装置是安装在拖拉机地轮上的YS41E型霍尔元件，可以采集离合器输出轴行进时转动所产生的脉冲信号；然后，将其输入到控制模块中，计算拖拉机的行进速度，并据此控制打顶装置升降的速度。

升降装置包括上下横梁、步进电机、联轴杆、螺杆和螺母。螺杆的两端分别固定在上、下横梁上，步进电机依照单片机的指令输出动力，通过连轴杆带动螺杆旋转。螺杆的旋转方向和快慢都可进行调节，从而引起套在其上的螺母的上下移动，螺母上下移动的方向和距离由步进电机的转数决定。控制模块通过步进电机驱动螺母的定量移动，实现对与螺母连接的打顶装置位置的精准调节。

打顶装置主要由底座、伺服电机、轴承和打顶刀片组成。底座的两端通过滑块固定在支架的导轨上，保证移动的垂直性，中间连接升降装置的螺母。伺服电机安装在上端，为轴承提供动力，带动轴承下端的打顶刀片高速旋转完成打顶作业。打顶刀片为带锯齿的圆盘刀，单项旋转，削切效果好。打顶装置的打顶量和刀片转速在操作显示屏上设定，由升降装置和伺服电机进行调节。

3 试验与结果

3.1 试验地点和试验设计

首先在室内检验该打顶高度控制系统对不同高度棉花植株的适应性，具体方法是选择高度在70～75、75～80、80～85、85～90和90～95cm之间的棉花植株各20株，设定5cm的打顶量进行打顶作业。测量棉花植株打顶前后的株高，计算打顶量后比较分析。

田间试验在本单位处于华北平原中部棉花种植区的试验田中进行，土壤类型为黄潮土。试验田面积0.5hm2，未用大型机械整理平整，地势有轻微的起伏。使用的棉花品种为豫棉10号，种子从当地的市场购买。农业机械为3台装载打顶高度控制系统的3MDZ-1型棉花打顶机，设定打顶量为5cm。打顶机由江苏750H型高地隙宽轮距拖拉机牵引，拖拉机轮距调为2.28m，前后轮宽分别为0.2m和0.25m，地隙为1m，高于豫棉10号0.85m的株高，能够满足作业的要求。棉花的种植行距0.76m，株距0.1m，呈带状种植，机械正好可以同时完成3行棉株的打顶作业。

打顶机械在田间匀速前进完成棉花打顶试验，每次的作业长度为100m。分别设定2.0、2.5、3.0和3.5km/h共4个作业速度，每个速度重复4次。每次重复中选取25个棉花植株测量打顶前后的株高，计算打顶量、相关系数和打顶率。打顶量为植株打顶前与打顶后的高度差，相关系数为所有植株打顶前高度与打顶后高度之间的相关系数，打顶率为被打顶植株在被统计植株中所占的比例。最后，通过数据分析，比较机械在不同速度下的打顶作业质量。

3.2 试验结果和分析

通过室内对不同高度棉花植株的适应性检验可以看出：该控制系统对70～95cm高度范围内的棉花植株打顶时，打顶量在4.8～5.2cm的范围内，与设定值5cm相差不大，说明该机械能按照设定的打顶量对70～95cm高度范围内的棉花植株进行精确打顶，具有较好的高度适应性。室内不同高度棉花植株打顶的试验结果如表1所示。

表1 室内对不同高度棉花植株的打顶量

田间试验中，装载打顶高度控制系统的打顶机在4种不同速度下进行打顶作业，每个速度下共调查了100株棉花植株。随着打顶作业速度的提高，打顶量由5.3cm减小到4.3cm。其中，3.5km/h速度下的打顶量偏离5.0cm的设定值较大，2.5km/h和3.0km/h行进速度下的打顶量接近于设定值。棉花植株打顶前后株高的相关系数和打顶率也随着速度的增加而逐渐下降，将打顶速度和质量综合考虑，则该系统在3.0km/h速度下的打顶作业效率最高，打顶量符合设定值，打顶率达到88%。以此速度计算，该机械每小时能够完成约0.7km2面积的棉花打顶作业。

田间试验过程中，装载打顶高度控制系统的打顶机在4种不同速度下的棉花打顶作业试验数据如表2所示。

表2 机械在不同速度下的打顶质量

4 结论

利用超声波脉冲回波法测量株高，以AT89C型单片机作为控制模块的核心，设计了一种棉花打顶高度的自动控制系统，包括控制模块、株高测量装置、速度感应装置、升降装置和打顶装置，总体结构简单紧凑。室内的适应性检验结果表明：该系统对70～95cm高度范围内的棉花植株都能按照设定的打顶量进行精确打顶，具有较好的高度适应性。

该控制系统装载在3MDZ-1型棉花打顶机上，由江苏750H型高地隙宽轮距拖拉机牵引。田间试验表明：系统在3.0km/h速度下的打顶效率最高，打顶率达到88%，每小时能够完成约0.7km2面积的棉花打顶作业。

机械在室内静止状态下的打顶精度很高，而在田间行进状态下的打顶精度有不同程度的降低，说明田间复杂的自然环境和实际运行状态仍然会对作业的质量产生影响，这也是棉花打顶机继续优化改进的一个方向。总体而言，该系统结构设计合理，技术水平较高，实用性和适应性都较好，可以作为棉花生产全程机械化的技术支撑。

[1] 周桂鹏，张晓辉，范国强，等.棉花打顶机械化的研究现状及发展趋势[J].农机化研究，2014,36(4):242-245.

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[11] 李霞，王维新，张若宇. 超声波测高技术在棉花打顶中的应用[J]. 石何子大学学报，2009，27(3):358-360.

[12] 孙杰. 棉花打顶机打顶高度自动控制系统的设计与试验研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2015.

ID:1003-188X(2018)02-0188-EA

Study on the Control of Topping Height of Cotton Toping Machine Based on Single - chip Microcomputer

He Jing

(Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 401120,China)

Abstract： Topping is an important part of the cotton production process, you can remove the top edge, improve the number and quality of bolls. Labor topping the labor intensity, resulting in rising labor costs, as the full mechanization of cotton production bottlenecks. Therefore, the development of high precision, wide applicability of cotton automatic topping machinery can solve these problems, has broad application prospects. In this paper, a control system based on single chip microcomputer is designed. Ultrasonic and sensor are used to measure the height of the plant. The components include the control module, the height measuring device, the speed sensing device, the lifting device and the topping device. The adaptability test showed that the system had a good adaptability to the cotton plants in the height range of 70-95 cm. The control system was loaded on the 3MDZ-1 type cotton top-dressing machine. The field test results showed that the topping efficiency was the highest at the speed of 3.0km / h, the topping rate was 88%, and the cotton area was about 0.7km2 per hour. Top job. The system structure design is reasonable, practical and adaptable, can be used as cotton production throughout the mechanization of technical support.

cotton topping; height controll; single-chip microcomputer; ultrasonic

2016-12-12

重庆市教委科学技术研究项目(KJ1503401)

何 静(1982-)，女，重庆人，讲师，硕士，(E-mail)llnngw@163.com。

S224.1+49

A

1003-188X(2018)02-0188-04