基于单片机的小型犁耕机自动调平系统设计

鄢敏袁奎易蔓陈佛源刘勇严素

（1四川省烟草公司宜宾市公司，四川宜宾 644002；2贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550025）

农业生产是国民经济的重要组成部分，也是维持国家稳定发展的重要因素[1]。据统计，高原和丘陵地形在我国国土面积中的占比达到69.4%，全国有贵州、云南、四川和重庆等11个省（市、自治区）的丘陵和山地面积与耕地面积之比大于60%[1-2]。山地多、平原少是丘陵地区地貌的主要形态，同时丘陵地区耕地具有地形较复杂、地表高低起伏、坡陡弯多等特点，使得农机具在作业过程中稳定性和安全性变差，这一情形严重制约了丘陵地区农业机械化发展[3-5]。随着丘陵地区农业机械化水平的提高，坡耕地作业用耕作机械也得到了长足发展，不仅可以优化丘陵地区农业机械化发展的结构布局，也可以大大改善农业生产条件[6-8]。

耕作机械倾斜作业不仅会对土壤的硬底层造成破坏，而且还会影响耕作平整度和耕作深度等性能指标，导致耕作效果不理想和作业效率较低等问题[9]。小型犁耕机在丘陵地区的行走姿态调整（即机身稳定性调整）操作仍严重依赖于机具操作人员手动调整控制，具有很大的主观性，使得小型犁耕机在丘陵地区作业时存在安全性和稳定性方面的难题，从而极大地阻碍了丘陵地区坡耕地农业耕作机械化发展[10]。

丘陵地区现有的耕作机械只能在坡度较小的耕地上作业，为了减小机身倾斜作业对耕作性能指标的影响，提高其作业质量和效率，本文采用倾角控制调平策略，设计了一种小型犁耕机机身自动调平系统。该系统以AT89C51单片机为控制器、液压油缸为执行元件、倾角传感器为反馈元件，主要由耕作机构、整机机身、调平控制机构和自动调平控制系统组成。该系统能使小型犁耕机在不同角度的坡地上作业时，自动调平机身保持水平，实时调控机具的行走姿态，保证在坡地作业时整机质心位置变化小，从而保持小型犁耕机的平稳性，提高小型犁耕机在丘陵地区作业时的稳定性及坡地适应性。

1 小型犁耕机自动调平系统总体方案设计

1.1 小型犁耕机调平系统整体设计

小型犁耕机自动调平系统按照控制方式可以分为手动调平和自动调平2种，较为完整的自动调平系统应包括硬件搭建和软件设计2个方面的内容。其中，硬件包括检测装置、控制器与执行机构等，软件设计包括调平策略的选择和控制算法的编写实现。

调平系统的检测装置是指可以检测出农机具的作业速度、加速度、角速度和倾斜角度等机具姿态指标的装置，其精确性决定了系统的准确性。自动调平系统的执行机构主要有机电式和液压式2种，其中：机电式以电机作为控制执行器件，成本低、稳定性好，但是存在承载能力和驱动力不足等问题；液压式具有体积小、质量轻、操作简单、驱动力强劲以及便于实现自动控制等优点，是比较常用的驱动执行机构。

小型犁耕机自动调平系统主要包括耕作机构、整机机身、调平控制机构和自动调平控制系统等4个部分组成，如图1所示。系统调平控制机构主要包括上部支撑体、下部支撑体、液压调平系统和旋转轴等，如图2所示。行走机构、整机机身通过下部、上部支撑体和调平控制机构焊接在一起。上部支撑体和下部支撑体之间安装有可旋转的液压调平系统，该系统包括缸体和活塞杆。上部和下部支撑体通过旋转轴铰接，能使上部支撑体相对于下部支撑体转动。

1.2 小型犁耕机调平系统工作原理

小型犁耕机的自动调平控制系统示意图如图3所示。当小型犁耕机在丘陵地区坡耕地作业时，由安装在机身上的倾角传感器采集整机机身的倾斜数据，该数据信号实时传输到AT89C51单片机控制器中，机身水平预设值和反馈值的差值由单片机进行计算，从而判断出小型犁耕机的机身姿态。若整机机身处于倾斜状态，系统再进一步判断倾角值是否超过机身水平的预设值。若超过，则通过蜂鸣报警器进行报警，同时由调平控制系统控制电磁换向阀的得、失电和自动调平液压系统中2个执行油缸的伸缩，实现对小型犁耕机调平控制机构的自动调平，完成自动调平闭环控制。

若小型犁耕机机身处于水平姿态，调平控制系统不会对调平控制机构进行调整，以确保整机机身处于水平状态。

2 小型犁耕机自动调平液压系统设计

2.1 液压系统工作原理

液压传动系统原理图如图4所示，液压系统的油路由液压油箱、变量泵、单向阀、溢流阀、分流阀、电磁换向阀和油缸等组成。由于分流阀的同步原理，液压系统可以保证调平油缸9、10的进、出油量基本相同，使得2个油缸协同运动，实现调平控制机构的运动，完成整机机身的调平。当小型犁耕机的整机机身处于右倾斜姿态时，电磁换向阀7的线圈1YA得电，同时电磁换向阀8的线圈2YA得电，调平油缸9的活塞杆实现向上运动，调平油缸10的活塞杆实现向下运动，调平油缸9、10的活塞杆协同作用于调平控制机构，实现小型犁耕机的整机机身随着调平控制机构的运动而保持水平。当机身处于左倾斜姿态时，电磁换向阀7、8的线圈得电情况与右倾斜时相反，实现对整机机身的及时调平。当机身处于水平姿态时，电磁换向阀7、8的线圈同时失电，电磁换向阀的阀芯处于中位，调平油缸9、10闭锁，由电磁换向阀5实现卸荷，从而使丘陵地区小型犁耕机作业时机身始终处于水平姿态。

2.2 液压系统设计

2.2.1 换向阀的选择。换向阀通过阀芯和阀体的相对运动完成接通、关闭或改变液压油路方向的作用，实现液压元器件的启停或方向变化。丘陵地区小型犁耕机作业时，调平油缸内会产生一定的压力，因而换向阀需要具备保压功能，J、K、O、M型4种换向阀均满足此液压系统的要求。此外，该液压系统需要调平油缸的同步协同运动对自动调平控制机构进行控制，O型三位四通换向阀满足多个换向阀的并联需求。因此，在系统保压基础上，最终选用具有中位保压功能的O型三位四通型电磁比例换向阀。

2.2.2 锁紧回路设计。液压系统的锁紧回路可以保证在小型犁耕机整机机身处于水平姿态时，由液压执行元件维持机身处于水平位置，不会因为外在环境的作用而移动。根据三位四通阀的自锁能力，换向阀阀芯处于中位时，调平油缸处于闭锁状态。考虑到油缸内会产生一定的工作压力，要保证油缸活塞杆能在外力情况下维持在既定位置处，实现调平控制机构在水平位置时液压回路的自动锁紧，从而满足设计要求。

2.2.3 卸荷回路设计。液压系统的卸荷回路可以保证在小型犁耕机整机机身处于水平姿态时，液压执行元件不工作。当液压系统不需要供液时，若液压油泵继续以高压状态输出液压油，会导致液压油泵的输出功率变大，液压系统发热，使得泵和电机的寿命缩短。为此，选用电磁换向阀实现卸荷，满足系统设计要求。液压系统回路选用具备中位机能的O型电磁阀。

3 小型犁耕机自动调平电路设计

单片机具有体积小、价格低、模块扩展灵活和可靠性较高等优点，广泛应用于仪器仪表、设备智能化管理及各种工业过程控制等领域，控制质量和经济效益均较高。小型犁耕机自动调平系统选用Atmel公司的AT89C51单片机，其具有指令简单、硬件设计清晰、外围电路设计简易、拥有4KB的Flash ROM及I/O接口操作简易等优点。自动调平系统的控制电路如图5所示，主要包括数据采集电路、显示电路、控制电路、报警电路和其他基本电路。当小型犁耕机的整机机身处于倾斜姿态时，安装在机身上的倾角传感器会随着机身的转动而发生倾斜，传感器实时采集的倾斜信息数据经A/D转换器模数转换后传输到单片机中，倾斜角度数字显示在液晶显示器上，单片机通过控制继电器线圈1YA和2YA的得、失电，调控液压系统中的三位四通电磁阀的阀芯位置，控制2个调平油缸进、出液压油的油量，通过活塞杆的伸缩来调平机身姿态，从而使得小型犁耕机在地形复杂的工况下保持机身水平。

3.1 数据采集电路

倾斜数据的采集是通过倾角传感器来完成，然后通过A/D转换器实现模数转换。倾斜数据采集电路如图5所示，主要由转换芯片ADC0832和单片机AT89C51芯片构成。

3.2 显示电路

自动调平显示电路如图5所示，该系统的倾角阈值设置为10°，显示电路的液晶显示器为LCD1602。当自动控制系统对犁耕机的调平控制机构进行调平时，倾角的变化可以直观、实时显示在液晶显示器上，通过系统对小型犁耕机的机身倾斜程度进行及时、有效的调平判断。

3.3 控制电路

系统控制电路是通过电磁换向阀线圈的得、失电情况进行控制，具体过程如下：realy1接口接P1.0口，对应着电磁换向阀7的线圈1YA；realy2接口接P1.1口，对应着电磁换向阀7的线圈2YA；realy3接口接P1.2口，对应着电磁换向阀8的线圈1YA；realy4接口接P1.3口，对应着电磁换向阀8的线圈2YA。当小型犁耕机的机身处于右倾斜状态且倾角大小超过阈值范围时，电磁换向阀7的线圈1YA得电，相应地电磁换向阀8的线圈2YA得电，使得换向阀7控制的调平油缸9的活塞杆向上运动，换向阀8控制的调平油缸10的活塞杆向下运动，从而实现小型犁耕机机身的调平。调平系统的控制电路如图5所示。

3.4 报警电路

系统蜂鸣报警电路如图5所示，该系统的倾角阈值设置为10°，当犁耕机的倾斜角度超过阈值时，蜂鸣器发出声响实现报警，警示操作者此时犁耕机的倾斜角度不再适宜，需要对小型犁耕机的姿态进行调整。此外，考虑到犁耕机作业环境的差异，该调平系统设置了倾角阈值加减档，当机身倾斜程度普遍超过预设的阈值时，可以通过加减档对阈值大小进行及时调整和设置。

4 小型犁耕机自动调平系统软件设计

小型犁耕机自动调平系统的软件部分采用C语言编写，采用模块化设计。调平系统软件的主程序如图6所示。

5 结语

丘陵地区坡耕地耕作机械的倾斜作业不仅会对土壤的硬底层造成破坏，而且还影响耕作平整度和耕作深度等性能指标，导致耕作效果不理想和作业效率较低等。针对现有耕作机械只能在坡度较小的耕地上作业的现状，本文在小型犁耕机的基础上设计了一种机身自动调平系统：首先，详细介绍了犁耕机自动调平系统的总体方案和工作原理；随后，介绍了调平液压系统的工作原理以及相应的液压回路设计，包括锁紧、卸荷等液压回路；最后，对犁耕机自动调平电路进行设计，主要包括数据采集、显示、控制和报警等电路。该调平系统具有调平速度快、精度高和操作简单等特点，能保持小型犁耕机的平稳性，提高了小型犁耕机在丘陵地区作业时的稳定性及坡地适应性。