果蔬包裝機智控系統的設計與研究——基于嵌入式ARM

羅　成，劉志剛，2

( 1.南昌工學院，南昌　330108；2.南昌大學，南昌　330031)

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果蔬包裝機智控系統的設計與研究——基于嵌入式ARM

羅成1，劉志剛1，2

( 1.南昌工學院，南昌330108；2.南昌大學，南昌330031)

摘要：果蔬產業在我國農產品中占據著重要的市場地位，對我國經濟發展起著積極的促進作用。隨著我國經濟的發展，出于對健康的考慮，人們對果蔬產品的質量、新鮮程度和食用安全的要求也在提高，逐漸開始看重果蔬類產品的外形包裝。為了實現果蔬產品的快速包裝及減少果蔬產品因與機械直接接觸引起的二次污染，設計和研發可以獨立自主包裝果蔬的機械設備顯得尤為重要。為此，基于嵌入式ARM中的AT91SAM9263處理器，設計了果蔬包裝機的智控系統，其集機械電子、智能測試和光電傳感等多種學科于一體，具有自動化程度高、精度優、穩定性強及可靠性高等特點，能較大程度地提高包裝質量，且可以完成對不同種類產品的包裝，提高了包裝作業的效率，為果農降低了經濟成本。

關鍵詞：果蔬包裝機；智控系統；嵌入式系統；光電傳感；ARM；AT91SAM9263

0引言

受社會經濟高速發展的影響，人們生活水平有了很大程度的提高，國民開始注重養生，對綠色果蔬的需求量逐漸增多，同時也越來越注重果蔬的質量和包裝。果蔬產業作為我國第二大農業產業，其包裝形式也開始備受消費者關注，包裝精美、質量優的果蔬深受消費者的喜愛，消費者需求的改變給包裝產業帶了新的發展機遇。目前，已有的包裝機械已經發展數百年，涵蓋了煙草、食品、日用品和醫藥等多種領域，取得了很大成就；但果蔬包裝機械，仍存在著機器成套性差、包裝效率低、人工操作難度大等缺點，很難做到質量和效率同高。本文設計和研究了基于嵌入式ARM的果蔬包裝機，包裝對象主要為水果和蔬菜，具有包裝速度快、包裝精美和成本低等顯著優點，且解決了手工包裝效果不佳、效率低的問題。

1果蔬包裝機智控系統整體設計

果蔬包裝機智控系統需要實現對果蔬產品的自動包裝，主要包括包裝機的結構、智能控制部分和包裝過程中的工藝流程等部分。

果蔬包裝機關鍵構件主要包括果蔬傳送帶、減速器、輸膜軸輪、光敏傳感器、縱向封切機、壓運軸帶、橫向封切機和產品計數器等，如圖1所示。

1.果蔬產品　2.傳送帶　3.減速器　4.計數器與產品輸出口

各構件功能如下：

1)果蔬傳送帶。主要包括伺服電機和傳輸帶，完成對果蔬產品的向前運輸，將果蔬產品順利送到包裝成型器內。

2)輸膜軸輪。主要用來傳輸果蔬包裝塑料薄膜，其結合縱向封切機，可以準確完成對果蔬產品的包裝，減少因為包裝塑料薄膜松軟造成的包裝偏差。

3)減速器。在傳送帶傳送果蔬產品時，因為塑料薄膜摩擦力的不一致，會引起果蔬產品和包裝膜前行速度不同步，此時需要減速器調整傳送帶運轉速度，迫使果蔬產品和塑料薄膜同步前行，完成包裝作業過程的一致性。

4)光敏傳感器。主要對塑料薄膜進行準確監測，檢測包裝膜是否用完，提醒操作工人及時更換，避免因沒有包裝薄膜而導致漏包裝。

5)縱向封切機。可以對塑料薄膜進行縱向切割，通過加熱完成對包裝薄膜的縱向封合；其軸承還可以牽引塑料薄膜向前運動，減少因塑料薄膜材質不同引起的偏歪。

6)壓運軸帶。可以對縱向切割熱封的塑料薄膜進行拉平處理，從而減少因塑料薄膜不平引起的外觀瑕疵。

7)橫向封切機。經過縱向封切機熱封過的包裝袋，還剩兩端沒有封口，要完成整個包裝過程，則需要橫向封切機對兩端進行封口。橫向封切機需要有一定的紋理，以保證熱封的質量，避免因封口不良導致包裝袋損壞，同時也可使包裝外觀更加精美。

8)產品計數器。對已經包裝并輸出的整包產品進行計數，計算總共包裝的產品數量。

2 果蔬包裝機工藝流程

果蔬包裝機智能控制系統主要包括嵌入式ARM處理器、人機交互系統、伺服電機驅動系統和信號采集等4個模塊，框架如圖2所示。

圖2　果蔬包裝機智能控制框架圖

果蔬包裝機包裝產品時需要3邊熱封，并且可以根據各類產品自動形成成型包裝袋。其三維立體圖如圖3所示。

圖3　果蔬包裝機三維立體圖

果蔬包裝機實際上是一條包裝流水作業線，其工藝流程如圖4所示。

圖4　包裝工藝流程圖

果蔬包裝機包裝主要包括包裝膜成型制袋、裝載待包裝產品、封切、包裝成袋及計數等工藝流程。具體如下：塑料薄膜由輸膜軸輪送入包裝成型器內并成型制袋，待包裝產品由果蔬傳送帶送入包裝線；果蔬傳送帶上的推送裝置將產品送入已成型制袋的塑料薄膜內，在傳送帶和壓運裝置的牽引下塑料薄膜和待包裝產品向包裝線尾部移動；待包裝產品和塑料薄膜由光敏傳感器判斷位置，當檢測其運行到縱向封切機的位置時，縱向封切裝置對已經裝載產品的塑料薄膜進行縱向封口，上下帶有縫合作用的嚙合對塑料薄膜進行壓封，同時對縱向封切裝置的滾輪進行加熱，經過一系列的加熱加壓完成縱向封口；繼續運行到橫向封切位置時，由橫向封切對塑料薄膜進行橫向封切；完全包裝好的產品由輸出口輸出，并由產品計數器對其計數。

3智能控制系統硬件設計

果蔬包裝機智控系統的硬件包括AT91SAM9263處理器、伺服電機驅動電路、變頻器、開關電源、光敏傳感器、溫敏傳感器、繼電器及電源濾波器等，結構如圖5所示。

圖5　果蔬包裝機智控系統硬件結構圖

在電子技術高速發展過程中，嵌入式技術也獲得快速的發展，其在控制領域的應用已經相當成熟；而ARM處理器在32位處理器中又有其獨特的特點，其功耗低、處理能力強、速度快。AT91SAM9263處理器采用RISC架構，程序移植能力強大，指令更加簡潔，運行速度更快，效率更高。

本系統軸輪驅動電機采用交流伺服電機，驅動系統主要包括控制、驅動、通信和檢測反饋等部分，功能框架如圖6所示。

圖6　伺服電機驅動框架圖

伺服電機與伺服驅動系統為一個整體，一般需要根據性能綜合考慮，選擇伺服電機時主要需要考慮其最大轉速R及功率W。

傳送帶輸送包裝膜時需要考慮的最大轉速為

(1)

其中，Rmax為輸送塑料薄膜的最大轉速；L為產品包裝袋的長度；W為整個伺服驅動系統正常運轉的最大功率；d為傳送塑料薄膜的軸輪長度；μ為塑料薄膜損耗補償率。

包裝線正常運轉時所需要的最大功率為

(2)

其中，J1為交流伺服電機的扭矩慣量；J2為熟料薄膜的扭矩慣量；v為交流伺服電機的運轉速度；t為傳動比。

4智能控制系統軟件設計

果蔬包裝機采用AT91SAM9263處理器為控制器，用戶可以用其建立、調試、檢查程序，且程序的移植非常方便，大大節省了程序開發和調試的時間。果蔬包裝機智控系統軟件流程如圖7所示。

5果蔬包裝機封切設計

果蔬包裝機智控系統封切主要需要考慮其封切的準度及封切時的溫度。封切溫度是包裝工序中最重要的部分，直接確定了包裝的精美程度和包裝的精準度；封切的準度主要考慮的是對包裝塑料薄膜的加熱控制。對包裝塑料薄膜的加熱封切需要采用高壓和高熱使其包裝口融化后封接起來融為一體，一般以包裝袋的密封時間和外觀評價封切的質量。果蔬包裝機智控系統封切示意如圖8所示。

圖7　果蔬包裝機智控系統軟件流程

圖8　智控系統封切控制示意圖

果蔬包裝機智能控制系統采用PID控制算法，采用熱電偶的方式對加熱溫度進行監測反饋，通過溫度控制系統驅動繼電器對橫、縱向進行封切操作，具有控制直接、效率高、可靠性強及穩定性好等特點。

6實驗與分析

研制的果蔬包裝機在包裝實驗中，包裝物料的標準為高度80mm、袋長200mm、寬度130mm，判定參數主要針對包裝效率及外觀。試驗結果如表1所示。

表1果蔬包裝機實驗結果

Table 1The experimental results of packaging machine for fruits and vegetables

測量項數量百分比/%不良品袋數露包282.33外觀不良322.67良品袋數114095.00包裝效率158袋/min

在整個實驗過程中共包裝了1 200袋產品，其中有28袋是在包裝過程中沒有完整包裝的，32袋外觀有問題，完成包裝的良品數有1 140袋，良品率高達95%，計數準確，測試不良率在最大限度內。實驗數據表明：果蔬包裝機智控系統運行正常、效率高、整體性能良好。

7結論

基于嵌入式AT91SAM9263控制器，設計和開發了果蔬包裝機智控系統，從果蔬包裝機的整體設計、工藝流程到包裝機的核心構件進行了設計研究。為了實現對溫度和伺服電機的精準控制，高質量地完成包裝作業，設計和開發了整個控制系統。實驗表明：果蔬包裝機智控系統符合包裝作業要求，可以保證包裝流程有條理地進行，具有結構簡單、操作容易、性能優、效率高、包裝精美等優點。

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Design and Research of Intelligent Control System for Fruit and Vegetable Packaging Machine——Based on Embedded ARM

Luo Cheng1, Liu Zhigang1,2

(1.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 2.Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract：In recent years, China has made great progress in the fruit and vegetable industry, people's demand for fruit and vegetable products is second only to food.The fruit and vegetable industry occupies an important market position in China's agricultural products, and China's economic development plays an active role in promoting agricultural products. As a fruit and vegetable exporting country, China’s fruit and vegetable variety is complete, and the resources are also very rich,which is the world's most fruits and vegetables export. With the development of our economy, people's demand for fruits and vegetables is gradually increasing. The requirements for the quality of fruits and vegetables, fresh degree and food safety are also increased. At the same time, people gradually begin to value the shape of fruit and vegetable products. In order to achieve the rapid packaging of fruit and vegetable products and reduce the second pollution caused by the direct contact with the machine, the design and development of the mechanical equipment is particularly important. The AT91SAM9263 processor was used to design and research of the fruit and vegetable packing machine intelligent control system, the mechanical and electronic, intelligent test and a photoelectric sensor on various subjects based on ARM embedded.With a high degree of automation, high technology content, better accuracy and stability, high by features,it can greatly improve the quality of packaging, complete on different kinds of products packaging with strong adaptability.It not only improves the efficiency of packaging operations, but also savse the economic costand for farmers.

Key words：fruit and vegetable packaging machine; intelligent control system; embedded system; photoelectric sensor; ARM; AT91SAM9263

中圖分類號：S229

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0198-05

作者簡介：羅成(1983-)，男，江西豐城人，副教授，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人， 副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(41505015)

收稿日期：2015-08-26