一种自制播种施肥一体机测控系统的设计与试验

摘要

精准农业是现代化农业的重要发展方向，我国农业正处于传统农业向精准农业转型过程中，精准农业在应用示范区已经取得显著的经济效益和社会效益。变量施肥是精准农业的重要组成部分，变量施肥技术是在充分了土地资源和作物群体异变情况下，通过作物生长模型、作物营养专家系统，指导变量施肥机具对田间的每个操作单元精细准确地进行施肥作业，使肥料合理投入，能够带来良好的经济效益和环境效益。 课题组在总结前期的工作基础上，对播种施肥机的箱体和槽轮结构进行了改进设计，自制了一套双肥箱结构播种施肥一体机，本文针对该播种施肥一体机设计了专门的测控系统，该系统可根据设定的目标播种施肥量，自动检测机具作业速度来动态调整实时播量，进而使单位面积的播种施肥量满足目标要求，具体研究内容和研究结论如下: (1)下位机测控系统构建。设计制作以飞思卡尔单片机为控制核心的PCB板，将每块控制板封装为模块化的控制节点，并为种子、尿素、复合肥箱体各配置一个节点，负责各自节点单元的信号采集和电机转速控制;配置一个GPS节点负责获取当前车辆位置和行驶速度;配置一个主控节点负责汇总各节点信息后进行决策、数据存储以及与上位机实时通讯实现人机交互。 (2)CAN总线通讯系统构建。结合单片机自带的CAN模块和外接CAN收发器构建了CAN总线通讯系统，通过软件配置CAN总线通讯协议，使各节点通过CAN总线实现信息的传输和共享。 (3)上位机控制平台构建。采用工业触摸屏作为人机交互终端，配置电源、无线模块组成上位机控制平台;制定上、下位机之间的通信协议，对触摸屏图形化人机交互界面进行设计，实现触摸式人机控制以及施肥机作业状态显示。 (4)播种施肥机标定试验与动态性能测试。标定试验:对改进后的外槽轮式排肥（播种）器进行标定试验，建立了槽轮的流量与车辆作业速度、单位面积施肥（播种）量之间的变量控制数学模型，标定试验表明单通道排肥（播种）器具有良好的线性度，单排箱体的各通道间排量一致性变异系数最大为6.02％，标准差最大为41.7g/min;动态性能测试:在设定单位面积目标播种施肥量不变的情况下，进行了单位面积播种施肥量控制实验，当施肥机在非匀速状态下作业时，依据所建立的控制模型，变量播种施肥测控系统能有效调节槽轮转速，保持单位面积实时施肥量的稳定，实际播种排肥量与目标值的最大相对误差为3.79％。 (5)播种施肥机田间试验。针对播种施肥机作业速度以及单位面积目标播种施肥量两个变量，设计了两种单变量试验条件下的田间实际作业测试，具体包括:设定相同单位面积目标播种施肥量，不同作业速度下的播种施肥精度试验;相同作业速度下，设定不同单位面积目标播种施肥量的播种施肥精度试验。试验结果表明:实际播种排肥量与目标值的最大相对误差为5.58％，理论单位面积实时播量的最大波动率为5.62％,方差最大为6.8％。 试验结果表明，本文研制的变量播种施肥测控系统工作稳定，控制和检测精度较高，能够应用于精准变量播种施肥作业。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2变量施肥技术组成及研究现状

1．2．1变量施肥技术组成

1．2．2国内外研究现状

1．2．3变量施肥研究现状总结

1．3本文主要研究目标与内容

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

第二章播种施肥机结构与系统总体方案设计

2．1变量播种施肥机的机械本体结构

2．1．1变量播种施肥机箱体结构

2．1．2外槽轮播种排肥器结构

2．2设计目标

2．3．1变量播种施肥测控系统设计方案

2．3．2技术路线

2．4本章小结

第三章测控系统软硬件设计与实现

3．1测控系统硬件组成

3．2控制节点软硬件设计与实现

3．2．1主控节点设计

3．2．2从节点设计

3．2．3 GPS节点设计

3．2．4电源系统

3．3 CAN总线通讯系统设计

3．3．1 CAN总线简介

3．3．2 CAN总线硬件设计

3．3．3 CAN总线软件设计

3．4上位机界面设计与通讯协议

3．4．1上位机选型与软件开发环境

3．4．2上位机界面开发

3．4．3上位机通讯协议配置

3．5系统集成测试

3．6本章小结

第四章播种施肥机标定与动态性能测试

4．1播种施肥机标定试验

4．1．1材料与方法

4．1．2试验结果

4．1．3试验结果分析

4．1．4变量控制数学模型

4．2播种施肥机动态性能测试

4．2．1材料与方法

4．2．2试验数据

4．2．3试验结果分析

4．3本章小结

第五章测控系统田间试验与分析

5．1播种施肥机田间综合性能测试

5．1．1不同行驶速度下的播量精度试验

5．1．2不同播种施肥目标设定值下的播量精度试验

5．1．3播种施肥测控系统实时性能分析

5．1．4田间试验误差分析

5．2本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果