基于單片機的機采棉除雜系統優(yōu)化喂料控制

張洪洲+張亞江+張風旗+等

摘要：隨著新疆南疆地區(qū)機采棉除雜系統自動化的發(fā)展，傳統的喂料方法已經不能滿足農業(yè)設備自動化發(fā)展的需要，因此研究設計了一種基于單片機的機采棉除雜系統的優(yōu)化喂料裝置。喂料系統主要由圖像采集設備、數據傳輸裝置、數據處理、決策部件、放大電路、電機變頻調速等部分組成，主要原理是通過調節(jié)電壓量來控制變頻器，進而控制電機轉速，最終實現優(yōu)化喂料控制。優(yōu)化的喂料系統簡單方便、效果良好。

關鍵詞：單片機；除雜系統；優(yōu)化喂料；控制

中圖分類號： S24；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0387-02

收稿日期：2013-11-20

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(yè)自動化與信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。作為我國長絨棉的主產區(qū)，新疆地區(qū)棉花種植中普遍采用的鋪膜、地膜對農田造成了很嚴重的污染。近年來，新疆棉區(qū)棉花的采收基本都是使用采棉機，隨著籽棉中混入的地膜等雜質含量的增加，棉花的質量受到了嚴重影響[1-2]。因此在棉花加工過程中的除雜工序尤為重要，在除雜清選過程中，喂料的控制直接影響到除雜清選的效率和質量。傳統的喂料方式采用輸送機恒速進料，沒有達到自適應喂料的要求和優(yōu)化控制[3-6]。為了提高機采棉除雜的效率，同時尋求一種簡單、快速、穩(wěn)定的優(yōu)化喂料控制方法，本研究著重介紹一個新型的基于單片機的優(yōu)化喂料控制系統，本系統對于改進現有的喂料方法和促進新疆地區(qū)機采棉除雜清選的技術進展有重要的意義。

1系統組成及工作原理

1.1設計思路

在機采棉除雜清選的過程中，常采用輸送機進料，用轉速很高的電機恒速運轉，這樣就會致使清選設備出現堵塞、清選效果不佳、能源的浪費等現象。因此可以通過對機采棉除雜設備的在線監(jiān)控，根據實時信息來控制電機的轉速，進而控制進料量，實現自適應控制，從而優(yōu)化喂料的控制。本研究依據這些生產實踐的經驗和理論推導，利用單片機、變頻器控制電機轉速等原理[7-10]，設計了一個優(yōu)化喂料的控制系統。

1.2工作原理與系統結構

本研究針對現有的機采棉除雜系統喂料的特點與國家節(jié)能減排的要求，提出了一種以單片機為核心的優(yōu)化喂料控制系統的設計方案。該系統主要由在線監(jiān)控模塊、計算機、總線、單片機、模擬信號調試模塊、變頻器控制模塊、速顯模塊等部分組成，系統結構框架見圖1。系統啟動時，單片機程序初始化，電機低速運轉并緩滿加速，輸送帶將機采棉送至喂料口；計算機在線監(jiān)測機采棉的除雜狀態(tài)，并將采集來的狀態(tài)信息作相應處理，再將該數據存入存儲設備并作出相應的決策；計算機通過RS232總線協議將該決策指令發(fā)送到單片機，單片機接到指令后，即輸出相應的數字信號，經數模轉換后，通過放大調試將該模擬量輸入變頻器，從而控制電機的轉速，同時將電機的轉速等信息在顯示屏上顯示出來。

2系統單元設計

2.1狀態(tài)信息監(jiān)測部分

狀態(tài)信息監(jiān)測部分主要由計算機、狀態(tài)信息采集裝置、數據存儲器組成。先用高速攝像頭連續(xù)采集機采棉除雜狀態(tài)信息，經計算機處理后，將信息存儲；同時計算機將處理后的信息數據送入單片機，單片機作出相應的決策。

2.2決策與執(zhí)行部分

決策與執(zhí)行單元主要由單片機、數模轉換模塊、電機轉速控制模塊、顯示模塊等組成。工作時，單片機接收計算機發(fā)送來的數據，并根據此數據進行查表，輸出相應的數據量；經數模轉換再放大至0～10 V范圍，送入變頻器模擬量輸入端子，變頻器控制電機的轉速，同時顯示電機轉速。

單片機（MCU）選用51系列STC89C52RD，雙排直插式封裝，8 kB的flash、512 B的RAM、2 kB的內部程序存儲器即能滿足控制的需要[3]。變頻器選用泰科GT3000系列，型號為G4T0015。電機選用通用型三相異步電機，供電電壓380 V，功率1.5 kW，采用星型接法。顯示模塊采用4位共陽數碼顯示。

3軟件及參數設計與分析

在Keil軟件下，采用匯編語言編程實現單片機的所有控制決策命令，生成.Hex文件燒錄到單片機中。圖2為單片機程序流程圖。

泰科GT3000變頻器有9種頻率通道供選擇，在本設計中選用無級調速方式控制電機的轉速。相關參數設定見表1。

參數號參數名稱設定值P0.01頻率給定通道選擇VIP0.04運行方向設定正轉P0.08電機的額定電壓380 VP0.13加速方式選擇曲線加減速P0.16加減速時間3 sP0.19上限頻率50 HzP0.20下限頻率0 HzP0.30電機的額定功率1.5 kWP0.31電機的額定速度1 440 r/minP0.32電機的額定功率因數0.95

通過編程自適應控制電機的緩停緩啟、快停快啟、穩(wěn)定加速、由快到慢、由慢到快等功能。在本試驗中，輸送機喂料平穩(wěn)，精度高，效果良好。

4結論

本研究設計的優(yōu)化喂料控制系統結構簡單，可用性強，系統穩(wěn)定性、可靠性高，實現了電機的無級調速自適應控制，進而達到優(yōu)化喂料的效果，可以為后續(xù)的研究提供可行性參考。

參考文獻：

[1]田新椿，趙勇生. 對支持新疆棉花產業(yè)發(fā)展的思考[J]. 農業(yè)發(fā)展與金融，2011（12）：69-70.

[2]張若宇，坎雜，江英蘭，等. 農業(yè)機器人在新疆兵團農業(yè)生產中的應用前瞻[J]. 農機化研究，2006（9）：29-32.

[3]張鑫. 單片機原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]喬東凱. 基于PLC和變頻器控制異步電動機轉速的研究[J]. 機械與電子，2008（7）：71-72，80.

[5]馮和平，賴華，梁菲玲. 基于變頻器的主軸控制系統設計[J]. 云南大學學報：自然科學版，2009，31（增刊2）：288-290.

[6]王麗萍. 交流電機調速方法[J]. 機械管理開發(fā)，2009，24（4）：40-41.

[7]胡玉紅. 異步電機交流調速技術應用研究與發(fā)展[J]. 科技風，2009（4）：77.

[8]茍加志，包明. 淺談電機調速技術[J]. 渝州大學學報：自然科學版，2001，18（3）：72-75.

[9]朱世釗. 電機調速系統的最優(yōu)PID控制參數方法[J]. 桂林電子科技大學學報，2009，29（1）：30-34.

[10]景曉渝. 交流調速控制綜述[J]. 硅谷，2011（23）：11-12.

摘要：隨著新疆南疆地區(qū)機采棉除雜系統自動化的發(fā)展，傳統的喂料方法已經不能滿足農業(yè)設備自動化發(fā)展的需要，因此研究設計了一種基于單片機的機采棉除雜系統的優(yōu)化喂料裝置。喂料系統主要由圖像采集設備、數據傳輸裝置、數據處理、決策部件、放大電路、電機變頻調速等部分組成，主要原理是通過調節(jié)電壓量來控制變頻器，進而控制電機轉速，最終實現優(yōu)化喂料控制。優(yōu)化的喂料系統簡單方便、效果良好。

關鍵詞：單片機；除雜系統；優(yōu)化喂料；控制

中圖分類號： S24；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0387-02

收稿日期：2013-11-20

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(yè)自動化與信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。作為我國長絨棉的主產區(qū)，新疆地區(qū)棉花種植中普遍采用的鋪膜、地膜對農田造成了很嚴重的污染。近年來，新疆棉區(qū)棉花的采收基本都是使用采棉機，隨著籽棉中混入的地膜等雜質含量的增加，棉花的質量受到了嚴重影響[1-2]。因此在棉花加工過程中的除雜工序尤為重要，在除雜清選過程中，喂料的控制直接影響到除雜清選的效率和質量。傳統的喂料方式采用輸送機恒速進料，沒有達到自適應喂料的要求和優(yōu)化控制[3-6]。為了提高機采棉除雜的效率，同時尋求一種簡單、快速、穩(wěn)定的優(yōu)化喂料控制方法，本研究著重介紹一個新型的基于單片機的優(yōu)化喂料控制系統，本系統對于改進現有的喂料方法和促進新疆地區(qū)機采棉除雜清選的技術進展有重要的意義。

1系統組成及工作原理

1.1設計思路

在機采棉除雜清選的過程中，常采用輸送機進料，用轉速很高的電機恒速運轉，這樣就會致使清選設備出現堵塞、清選效果不佳、能源的浪費等現象。因此可以通過對機采棉除雜設備的在線監(jiān)控，根據實時信息來控制電機的轉速，進而控制進料量，實現自適應控制，從而優(yōu)化喂料的控制。本研究依據這些生產實踐的經驗和理論推導，利用單片機、變頻器控制電機轉速等原理[7-10]，設計了一個優(yōu)化喂料的控制系統。

1.2工作原理與系統結構

本研究針對現有的機采棉除雜系統喂料的特點與國家節(jié)能減排的要求，提出了一種以單片機為核心的優(yōu)化喂料控制系統的設計方案。該系統主要由在線監(jiān)控模塊、計算機、總線、單片機、模擬信號調試模塊、變頻器控制模塊、速顯模塊等部分組成，系統結構框架見圖1。系統啟動時，單片機程序初始化，電機低速運轉并緩滿加速，輸送帶將機采棉送至喂料口；計算機在線監(jiān)測機采棉的除雜狀態(tài)，并將采集來的狀態(tài)信息作相應處理，再將該數據存入存儲設備并作出相應的決策；計算機通過RS232總線協議將該決策指令發(fā)送到單片機，單片機接到指令后，即輸出相應的數字信號，經數模轉換后，通過放大調試將該模擬量輸入變頻器，從而控制電機的轉速，同時將電機的轉速等信息在顯示屏上顯示出來。

2系統單元設計

2.1狀態(tài)信息監(jiān)測部分

狀態(tài)信息監(jiān)測部分主要由計算機、狀態(tài)信息采集裝置、數據存儲器組成。先用高速攝像頭連續(xù)采集機采棉除雜狀態(tài)信息，經計算機處理后，將信息存儲；同時計算機將處理后的信息數據送入單片機，單片機作出相應的決策。

2.2決策與執(zhí)行部分

決策與執(zhí)行單元主要由單片機、數模轉換模塊、電機轉速控制模塊、顯示模塊等組成。工作時，單片機接收計算機發(fā)送來的數據，并根據此數據進行查表，輸出相應的數據量；經數模轉換再放大至0～10 V范圍，送入變頻器模擬量輸入端子，變頻器控制電機的轉速，同時顯示電機轉速。

單片機（MCU）選用51系列STC89C52RD，雙排直插式封裝，8 kB的flash、512 B的RAM、2 kB的內部程序存儲器即能滿足控制的需要[3]。變頻器選用泰科GT3000系列，型號為G4T0015。電機選用通用型三相異步電機，供電電壓380 V，功率1.5 kW，采用星型接法。顯示模塊采用4位共陽數碼顯示。

3軟件及參數設計與分析

在Keil軟件下，采用匯編語言編程實現單片機的所有控制決策命令，生成.Hex文件燒錄到單片機中。圖2為單片機程序流程圖。

泰科GT3000變頻器有9種頻率通道供選擇，在本設計中選用無級調速方式控制電機的轉速。相關參數設定見表1。

參數號參數名稱設定值P0.01頻率給定通道選擇VIP0.04運行方向設定正轉P0.08電機的額定電壓380 VP0.13加速方式選擇曲線加減速P0.16加減速時間3 sP0.19上限頻率50 HzP0.20下限頻率0 HzP0.30電機的額定功率1.5 kWP0.31電機的額定速度1 440 r/minP0.32電機的額定功率因數0.95

通過編程自適應控制電機的緩停緩啟、快停快啟、穩(wěn)定加速、由快到慢、由慢到快等功能。在本試驗中，輸送機喂料平穩(wěn)，精度高，效果良好。

4結論

本研究設計的優(yōu)化喂料控制系統結構簡單，可用性強，系統穩(wěn)定性、可靠性高，實現了電機的無級調速自適應控制，進而達到優(yōu)化喂料的效果，可以為后續(xù)的研究提供可行性參考。

參考文獻：

[1]田新椿，趙勇生. 對支持新疆棉花產業(yè)發(fā)展的思考[J]. 農業(yè)發(fā)展與金融，2011（12）：69-70.

[2]張若宇，坎雜，江英蘭，等. 農業(yè)機器人在新疆兵團農業(yè)生產中的應用前瞻[J]. 農機化研究，2006（9）：29-32.

[3]張鑫. 單片機原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]喬東凱. 基于PLC和變頻器控制異步電動機轉速的研究[J]. 機械與電子，2008（7）：71-72，80.

[5]馮和平，賴華，梁菲玲. 基于變頻器的主軸控制系統設計[J]. 云南大學學報：自然科學版，2009，31（增刊2）：288-290.

[6]王麗萍. 交流電機調速方法[J]. 機械管理開發(fā)，2009，24（4）：40-41.

[7]胡玉紅. 異步電機交流調速技術應用研究與發(fā)展[J]. 科技風，2009（4）：77.

[8]茍加志，包明. 淺談電機調速技術[J]. 渝州大學學報：自然科學版，2001，18（3）：72-75.

[9]朱世釗. 電機調速系統的最優(yōu)PID控制參數方法[J]. 桂林電子科技大學學報，2009，29（1）：30-34.

[10]景曉渝. 交流調速控制綜述[J]. 硅谷，2011（23）：11-12.

摘要：隨著新疆南疆地區(qū)機采棉除雜系統自動化的發(fā)展，傳統的喂料方法已經不能滿足農業(yè)設備自動化發(fā)展的需要，因此研究設計了一種基于單片機的機采棉除雜系統的優(yōu)化喂料裝置。喂料系統主要由圖像采集設備、數據傳輸裝置、數據處理、決策部件、放大電路、電機變頻調速等部分組成，主要原理是通過調節(jié)電壓量來控制變頻器，進而控制電機轉速，最終實現優(yōu)化喂料控制。優(yōu)化的喂料系統簡單方便、效果良好。

關鍵詞：單片機；除雜系統；優(yōu)化喂料；控制

中圖分類號： S24；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0387-02

收稿日期：2013-11-20

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(yè)自動化與信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。作為我國長絨棉的主產區(qū)，新疆地區(qū)棉花種植中普遍采用的鋪膜、地膜對農田造成了很嚴重的污染。近年來，新疆棉區(qū)棉花的采收基本都是使用采棉機，隨著籽棉中混入的地膜等雜質含量的增加，棉花的質量受到了嚴重影響[1-2]。因此在棉花加工過程中的除雜工序尤為重要，在除雜清選過程中，喂料的控制直接影響到除雜清選的效率和質量。傳統的喂料方式采用輸送機恒速進料，沒有達到自適應喂料的要求和優(yōu)化控制[3-6]。為了提高機采棉除雜的效率，同時尋求一種簡單、快速、穩(wěn)定的優(yōu)化喂料控制方法，本研究著重介紹一個新型的基于單片機的優(yōu)化喂料控制系統，本系統對于改進現有的喂料方法和促進新疆地區(qū)機采棉除雜清選的技術進展有重要的意義。

1系統組成及工作原理

1.1設計思路

在機采棉除雜清選的過程中，常采用輸送機進料，用轉速很高的電機恒速運轉，這樣就會致使清選設備出現堵塞、清選效果不佳、能源的浪費等現象。因此可以通過對機采棉除雜設備的在線監(jiān)控，根據實時信息來控制電機的轉速，進而控制進料量，實現自適應控制，從而優(yōu)化喂料的控制。本研究依據這些生產實踐的經驗和理論推導，利用單片機、變頻器控制電機轉速等原理[7-10]，設計了一個優(yōu)化喂料的控制系統。

1.2工作原理與系統結構

本研究針對現有的機采棉除雜系統喂料的特點與國家節(jié)能減排的要求，提出了一種以單片機為核心的優(yōu)化喂料控制系統的設計方案。該系統主要由在線監(jiān)控模塊、計算機、總線、單片機、模擬信號調試模塊、變頻器控制模塊、速顯模塊等部分組成，系統結構框架見圖1。系統啟動時，單片機程序初始化，電機低速運轉并緩滿加速，輸送帶將機采棉送至喂料口；計算機在線監(jiān)測機采棉的除雜狀態(tài)，并將采集來的狀態(tài)信息作相應處理，再將該數據存入存儲設備并作出相應的決策；計算機通過RS232總線協議將該決策指令發(fā)送到單片機，單片機接到指令后，即輸出相應的數字信號，經數模轉換后，通過放大調試將該模擬量輸入變頻器，從而控制電機的轉速，同時將電機的轉速等信息在顯示屏上顯示出來。

2系統單元設計

2.1狀態(tài)信息監(jiān)測部分

狀態(tài)信息監(jiān)測部分主要由計算機、狀態(tài)信息采集裝置、數據存儲器組成。先用高速攝像頭連續(xù)采集機采棉除雜狀態(tài)信息，經計算機處理后，將信息存儲；同時計算機將處理后的信息數據送入單片機，單片機作出相應的決策。

2.2決策與執(zhí)行部分

決策與執(zhí)行單元主要由單片機、數模轉換模塊、電機轉速控制模塊、顯示模塊等組成。工作時，單片機接收計算機發(fā)送來的數據，并根據此數據進行查表，輸出相應的數據量；經數模轉換再放大至0～10 V范圍，送入變頻器模擬量輸入端子，變頻器控制電機的轉速，同時顯示電機轉速。

單片機（MCU）選用51系列STC89C52RD，雙排直插式封裝，8 kB的flash、512 B的RAM、2 kB的內部程序存儲器即能滿足控制的需要[3]。變頻器選用泰科GT3000系列，型號為G4T0015。電機選用通用型三相異步電機，供電電壓380 V，功率1.5 kW，采用星型接法。顯示模塊采用4位共陽數碼顯示。

3軟件及參數設計與分析

在Keil軟件下，采用匯編語言編程實現單片機的所有控制決策命令，生成.Hex文件燒錄到單片機中。圖2為單片機程序流程圖。

泰科GT3000變頻器有9種頻率通道供選擇，在本設計中選用無級調速方式控制電機的轉速。相關參數設定見表1。

參數號參數名稱設定值P0.01頻率給定通道選擇VIP0.04運行方向設定正轉P0.08電機的額定電壓380 VP0.13加速方式選擇曲線加減速P0.16加減速時間3 sP0.19上限頻率50 HzP0.20下限頻率0 HzP0.30電機的額定功率1.5 kWP0.31電機的額定速度1 440 r/minP0.32電機的額定功率因數0.95

通過編程自適應控制電機的緩停緩啟、快停快啟、穩(wěn)定加速、由快到慢、由慢到快等功能。在本試驗中，輸送機喂料平穩(wěn)，精度高，效果良好。

4結論

本研究設計的優(yōu)化喂料控制系統結構簡單，可用性強，系統穩(wěn)定性、可靠性高，實現了電機的無級調速自適應控制，進而達到優(yōu)化喂料的效果，可以為后續(xù)的研究提供可行性參考。

參考文獻：

[1]田新椿，趙勇生. 對支持新疆棉花產業(yè)發(fā)展的思考[J]. 農業(yè)發(fā)展與金融，2011（12）：69-70.

[2]張若宇，坎雜，江英蘭，等. 農業(yè)機器人在新疆兵團農業(yè)生產中的應用前瞻[J]. 農機化研究，2006（9）：29-32.

[3]張鑫. 單片機原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]喬東凱. 基于PLC和變頻器控制異步電動機轉速的研究[J]. 機械與電子，2008（7）：71-72，80.

[5]馮和平，賴華，梁菲玲. 基于變頻器的主軸控制系統設計[J]. 云南大學學報：自然科學版，2009，31（增刊2）：288-290.

[6]王麗萍. 交流電機調速方法[J]. 機械管理開發(fā)，2009，24（4）：40-41.

[7]胡玉紅. 異步電機交流調速技術應用研究與發(fā)展[J]. 科技風，2009（4）：77.

[8]茍加志，包明. 淺談電機調速技術[J]. 渝州大學學報：自然科學版，2001，18（3）：72-75.

[9]朱世釗. 電機調速系統的最優(yōu)PID控制參數方法[J]. 桂林電子科技大學學報，2009，29（1）：30-34.

[10]景曉渝. 交流調速控制綜述[J]. 硅谷，2011（23）：11-12.