《一种便携式棉花打顶机的设计与研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种便携式棉花打顶机的设计与研究.doc（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、一种便携式棉花打顶机的设计与研究1 引言 棉花是我国最主要的几种经济性农作物之一。棉花的种植管理相对玉米、大豆而言特别费工，所以其经济效益也较为有限，在一定的程度上影响了农户在棉花种植方面的积极性。棉花打顶是棉花栽培和生产过程中的重要环节，目前主要有人工打顶、化学打顶和机械打顶3种方式。 传统上人工打顶（用手掐顶尖）劳动强度大，打顶作业时间紧，费时费工。在种植密度较大时，作业效率低的问题尤为突出。 化学打顶是通过喷施生长点抑制剂来限制棉花无限生长，省时省力。但该方法受施用剂量、喷剂质量的影响较大，对棉花的正常生长发育会造成一定影响，并且化学试剂会对环境构成污染。目前还不是主要的打顶方法。 机械
2、打顶技术近来备受关注。例如，石河子大学研究设计的国产第一代3MD-12棉花打顶机。但由于受田间作业环境复杂、仿形精度、响应时间等因素的影响，前期准备工作量较大，且打顶机需要拖拉机带动作业，易对棉田造成一定的损耗。 由此，我们将双向DC-DC变换器应用于打顶作业，设计出一种便捷式可手持的小型棉花打顶机。 2 系统设计实现 2.1 系统构成 本设计由电池盒、电机、开关、锯齿形圆盘刀片、把柄等主要部分组成。圆盘刀片安装在刀盒中，刀盒宽度小于刀片的半径，功效较高。电机安装在刀盒的上方，与刀片轴连接。开关安装在把柄上，电池盒安装在背带上，与电机之间有穿过把柄内部的电线连接。把柄采用伸缩式结构，在其尾部设
3、置伸缩长度调节旋钮和指棱，并且开关与指棱靠近，握持省力，可实现单手操作。 为了提高安全性，本设计采用单片机控制的开路检测模块、过压保护模块，并且上述刀盒的前端收窄为挡片。电池盒内放置可充电电池、双向DC-DC变换器和单片机控制电路。 2.2 双向DC-DC模块设计 双向DC-DC变换器（Bidirectional DC-DC ConverterBDC）是一个DC-DC变换器的双象限运行，是在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下，根据应用需要改变电流方向，实现能量双向流动的DC-DC变换器。图1为BDC的二端口示意图。从各种基本的变换拓扑来看，可将其看做两个单向DC-DC变换器反向并联连接，
4、通过改变两个单元的工作状态调节能量的双向流动，因此双向DC-DC变换器在功能上相当于两个单向DC-DC变换器。 （I10）（I10）图1 BDC的二端口示意 双向DC-DC变换有隔离和非隔离2种。非隔离型的电路比较简单，容易实现，且能满足低压、大电流场合应用，但是其电压转换比较低；相反，隔离型的变换器可以实现较大大的电压转换比，且相较于非隔离性安全性高，可应用于不同功率场合，但是由于隔离变压器的漏磁和损耗等易造成效率的降低。考虑到输入端输入的是220V家用电源，为了提高安全性，且结合两者的优缺点，所以选择隔离方式。 两向DC-DC变换模块可以利用TPS5430降压芯片和UC3842升压芯片构成
5、，两者之间通过可控硅构成的静态开关完成充、放电工作模式的转换。 2.3 开路检测模块和过压保护模块设计 开路检测模块采用控制器给出检测电平，通过模拟开管CD4066构成输出回路。电路原理如下。首先，上电瞬间，控制器工作给DC-DC变换器的EN端低电平，使DC-DC变换器停止工作。然后打开模拟开关，控制器给出一个检测电平。如果有负载，则控制器可以接收到检测电平，同时控制器给DC-DC变换 器的EN端高电平，让DC-DC变换器开始工作；如果没有负载，则控制器不能接收到检测电平，同时控制器继续给DC-DC变换器的EN端低电平，使DC-DC变换器停止工作。 过充保护模块是在电池充电时，输出端接入分压电
6、阻，经AD进行采集，单片机判断控制。当双向DC-DC电路输出电压超过阈值电压时，对TPS5430的5脚使能端低电平，芯片停止工作，输出电流为0，达到过充电保护目的。 2.4 系统工作框图 如图2所示，充电时，系统输入220V家用电源，通过双向DC-DC变换器的降压电路输出到电池。放电时，电池通过双向DC-DC变换器的升压电路输出到棉花打顶机作为的负载。可充电电池、双向DC-DC变换器和单片机控制电路一同安装在电池盒中即可达到“一盒多用”的功能。 当作业人员使用此打顶机作业时，安装在背带上的电池盒直接给电机供电，使电机带动刀盒内的刀片持续转动，进行打顶作业。同时作业人员可根据实际棉花顶长和距离，
7、自主调节把柄的长度和方向。停止作业时，作业人员只需要扣动把柄尾部的开关即可将关闭系统，将电池盒插上200V家用电源开始充电。 2.5 实际应用效果 依据棉花机械打顶的作业特点和棉株顶部的外形特征，我们对该便携式打顶机的作业效率、能耗以及打顶准确度等方面进行了实际应用效果研究。 研究发现相较于大型打顶机械装置的扶禾打顶放开连续作业和主侧枝同步打顶，虽然作业效率没有较大提升，但前期准备工作量大大减少。因人工作业而使得打顶准确度明显提高，相较于化学打顶和需拖拉机带动的机械打顶，棉田的损耗也大大降低。电池盒使用小型大功率铅酸蓄电池，可连续作业数小时，能耗和组装1台该便携式打顶机系统的成本也较其他类型打顶机低很多。 3 结语 本文在双向DC-DC变换器的基础上，以220V家用电源作为输入电源，将打顶机作为DC-DC变换器放电的负载，设计出了一种小型电池充放电式的可手持棉花打顶机。该系统结构简单，容易实现，解决了人工打顶效率低和化学打顶剂量不易控制的不足，实现了机械打顶的低损耗。应用该系统设计可使制造的打顶机轻便小型化，提高了打顶机的便携性和棉花生产的自动化水平，降低了农工的劳动强度。