1系统自动调平总体方案设计
图1是喷药机械自动调平作业原理图。该调平系统通过液压和单片机控制喷药杆，从而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。
2喷药机械自动调平机构设计
2．1倾角传感器倾角传感器作为调平系统的重要组成部分，有着举足轻重的地位［5］。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［6－7］。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。
3液压调平系统设计
3．1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［8］。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。3．2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。3．3液压系统工作原理液压传动系统原理图，如图3所示。液压控制系统主要由液压油泵、三位四通电磁换向阀换向阀、单向比例调速阀、液压锁和液压缸等元件组成［9］。系统工作时，液压泵通过吸油过滤器从油箱中吸油，高压油通过电磁换向阀、比例阀向调平油缸供油。调速阀电磁铁在额定电流条件下一直工作，并由单片机电路控制。当喷洒机械进入田间作业时，由于田间土地不平整，故而喷药机械会发生倾斜。当车体向右偏转时喷药杆向右倾斜，控制电路输出信号传给图3中的1YA，使1YA得电，三位四通换向阀右偏，活塞杆向上移动调节喷药口水平。当车体向左边偏转时喷药杆向左倾斜，控制电路输出信号传给图3中的2YA，使2YA得电，三位四通换向阀左偏，活塞杆收回调节喷药口水平。至此偏差信号消失，控制器切断电磁阀的控制信号，油缸停止运动，完成自动调平的目的。本设计通过接收偏转信号再传给电磁换向阀，左右的电磁铁得电或者失电调节液压系统油液流向，达到调平目的。
4自动调平电路
单片机具有可靠性高、体积小、价格低、扩展灵活，较易实现数字控制等优点，目前已广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制等领域，有效地提高了控制质量与生产经济效益［10－14］。本设计系统控制核心采用STC89C51单片机，单片机读入喷药杆的倾度值和倾向信号，根据倾度值的大小和倾斜方向，经逻辑判断，控制继电器开断及调速比例阀电流大小，到达控速、控向等目的。为了实现农药喷洒机械调平系统的快速自动控制，本文基于单片机设计了一套控制电路，如图4所示。该电路主要包含滤波、放大及控制驱动电路等几个部分。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［15－16］。)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。4．4驱动电路驱动电路能提高回路的带负载能力，它将控制电路输出的脉冲信号放大到足以驱动功率晶体管工作(即放大控制电路的信号使其能够驱动换向阀)。脉宽调制的驱动电路不同于一般的单脉冲电磁阀的驱动电路，它能够大幅降低线圈的功率损耗，保证线圈对信号变化反应的快速性和灵敏性。除高电压驱动以外，适当的电磁阀开启脉宽可以使线圈在较短的时间内获得足够的开启电压，同时又可以避免阀体流经过大的电流而引起过热。4．5自动调平系统软件设计调平控制系统的软件部分，采用C语言编写，模块化设计。调平软件主程序流程图，如图5所示。
5结语
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。
作者：奉山森 张燕 樊军庆 马兆玉 单位：海南大学 机电工程学院
