機采棉荷電系統優化控制

摘要：針對采用靜電方法清選機采棉過程中機采棉荷電不均勻、荷電效果不佳等現實問題，設計了一種基于單片機控制的機采棉荷電系統。通過軟件編程分別實現了靜電輸出電壓緩慢和快速達到設定的最大閾值的控制轉換。結果表明，靜電輸出電壓緩慢地達到設定的最大閾值比快速地達到最大閾值的荷電效果好，有利于保證棉花的品質；系統平穩，效果良好。

關鍵詞：機采棉；荷電；優化控制；靜電

中圖分類號： S126；S225.91+1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0409-02

收稿日期：2013-11-23

基金項目：國家自然科學基金（編號：11242012）。

作者簡介：張洪洲（1982—），男，吉林長春人，碩士，講師，主要從事智能檢測與控制、農業自動化與信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。機采籽棉中含有地膜、三絲、殘殼和粉塵等雜質[1-5]。新疆南部地處沙漠，受沙塵等環境因素影響，機采棉中雜質含量相對較高。棉花中混入雜質不僅影響棉農收益，也對棉花深加工造成了很大的影響，對棉紡織企業造成了巨大的經濟損失[6-8]。目前，國內外棉花清選主要采用機器視覺技術、機械氣流原理和靜電分離方法[7-10]。機器視覺技術利用數碼相機對異性纖維進行檢測，再利用高速空氣流將異性纖維吹出，以達到清選的效果。靜電分離方法主要是針對剔除籽棉中的地膜，是將機采棉在高壓電場下進行荷電，使機采棉帶上電荷，根據帶電荷的差異實現清選[10]；但這種方法在荷電過程中會出現荷電不均勻、荷電效果不佳等問題，直接影響清選效果。為了提高靜電分離法除雜的效率，尋求一種簡單、實用的荷電方法，本研究著重介紹一種采用單片機控制的機采棉荷電優化控制系統，對改進現有的荷電方法和促進靜電分離法機采棉除雜清選的發展有重要的意義。

1系統構成及工作原理

1.1設計思想

將機采棉放入荷電箱體，箱體的4個豎棱內側裝有靜電棒，4個靜電棒并聯接在靜電發生裝置輸出口，通過對輸出電壓的控制，進而實現對靜電棒作用距離的控制。依據以上分析和推導，利用單片機、改裝的靜電發生裝置設計一個荷電優化控制系統。

1.2工作原理與系統結構

針對現有的機采棉靜電分離方法清選的特點，提出了一種以單片機為核心的機采棉荷電控制系統設計的方案，該系統由荷電箱、靜電棒、靜電發生裝置、單片機、數模轉換、鍵盤、顯示模塊、信號放大模塊等部分組成（圖1）。啟動時，單片機程序初始化，靜電發生器輸出電壓為0 V，靜電棒不釋放電荷，由鍵盤輸入靜電發生器最大輸出電壓，自動步進電壓值，步進時間間隔；單片機根據設定的值做出相應的決策，輸出相應的數字信號，經數模轉換，再經放大處理后，使控制信號達到靜電發生器匹配的輸入量，最后靜電發生器輸出相應的高壓，并在發生器上顯示出實際輸出的高壓值；同時在單片機控制部分的實時顯示屏上顯示出高壓的理論值。

2系統設計

2.1決策與執行部分

決策與執行單元主要由單片機、數模轉換模塊、信號放大模塊、顯示模塊、靜電發生器等組成。工作時，處理器接收由鍵盤鍵入的閾值、步進電壓值、步進時間間隔等數據，根據接收來的數據進行換算，做出決策，輸出相應的數字量；該數字信號經數模轉換再放大至0～12 V范圍，送入靜電發生器模擬量輸入端口，靜電發生器產生1 ∶5 000的高壓信號；同時顯示出預設值和實際值。

靜電發生裝置由BM101型靜電器改裝而成。BM101型靜電器的靜電棒能夠產生+/-離子，其裝置有一根堅固的器棒裹著離子針，并連接高壓電源，當電壓達到或高于4 kV，它會令靜電棒周圍空氣充滿離子，電壓越高，有效范圍越大，輸出正或負的高壓電幅值可達25 kV，并且可連續調節輸出大小。通過靜電產生棒產生大量的帶有正或負電荷的氣團，由于同性電荷相斥，這些電荷氣團會向四周擴散，引起與之相近的物體帶電。通過增加內部充放電電容，使靜電發生裝置的輸出電壓幅值達到60 kV。將原有的電位器調節輸出電壓方式改為單片機控制的數控可調方式。

單片機（MCU）選用51系列STC89C54RD，內部有 8 KB 的flash、512 B的RAM、2 KB的ROM，能夠滿足控制的需要[11]。顯示模塊采用2×16位LCD1602液晶顯示。

2.2軟件設計

用Proteus軟件進行仿真，實現控制系統的各項功能，反復調試，直至各參數達到理想值為止。

4結論

本研究設計的機采棉荷電控制系統穩定性強、易于控制；步進電壓和閾值電壓可以自行設定，可選性強；可以根據需要選擇相應的參數組合，進而實現荷電的優化；為靜電分離法清選機采棉的研究提供了一個可行性參考。

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