基于AVR的多功能種子篩選機的設計

劉瑞歌+孟麗麗+宋鋒+張恭民+隋洪亮

摘要： 設計了1款基于AVR的多功能種子篩選機，并詳細介紹了該種子篩選機的機械結構。電氣控制部分由AVR單片機作為控制中樞，運用光電開關、壓力傳感器等傳感器件，與電機、舵機和液晶顯示屏完美配合，實現了人機交互、實時顯示等不同功能。此外，詳細說明了種子篩選機的篩選原理和理論基礎。該設計能有效提高種子的篩選速度和篩選效果，能對篩選出來的種子進行拌藥和稱質量，節省人力物力，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞： AVR；種子篩選；拌藥；稱質量

中圖分類號： S226.5 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0407-03

傳統篩選種子的方法是依靠工人眼看手挑，這種手工作業的方式效率低，且效果不佳，為了適應農業的快速發展，市場上出現了種子篩選機。目前種子篩選機的篩網大多使用平面圓孔篩或方孔篩，在篩選過程中，當進料速度過快時，篩網上積攢的種子過多，甚至會阻塞網孔，直接影響種子的篩選速度和篩選效果。種子篩選出來后，在種子種植前有時需要對種子拌藥，以防止病蟲害的發生。然而，目前種子篩選機只能單純地進行種子篩選，不能對篩選出來的種子進行拌藥。因此，往往采用人工方式對種子拌藥，由于農藥易揮發，揮發出來的農藥易對人體造成傷害，人工拌藥時加藥劑量難以控制，且存在攪拌不均勻的情況，拌藥程度全靠人工掌握。此外，種子篩選出來后往往還需要量化封裝，目前種子篩選機也不能對篩選出來的種子進行稱質量，需要采取人工方式對篩選出來的種子進行稱質量，不便于將種子量化封裝[1-2]。為了克服以上不足，提供一種多功能種子篩選機，不但能夠有效提高種子的篩選速度和篩選效果，而且能夠對篩選出來的種子進行拌藥，準確控制加藥劑量，使種子拌藥均勻，避免人工拌藥時農藥對人體的傷害，還能夠對篩選出來的種子進行稱質量，便于對篩選出來的種子量化封裝，節省人力、物力，具有推廣應用價值。

1 種子篩選機的結構設計

多功能種子篩選機，包括移動車架，移動車架的內部固定有進料裝置和篩選裝置，篩選裝置位于進料裝置的下方，進料裝置包括料槽，料槽包括進料口和出料口，篩選裝置包括上框體、中框體和下框體，上框體通過中框體與下框體連接；上框體的底部為平面篩網，上框體的側壁固定有用于導出雜質的第二導管，料槽的出料口位于平面篩網的正上方；中框體的底部為棱面篩網，中框體的側壁固定有用于導出種子的第一導管；下框體的底部為托板，下框體的側壁固定有用于導出種子和雜質的第三導管；系統整體結構框架由高強度方形管焊接而成，底部裝有具有自鎖功能的萬向輪，方便移動，機械結構由進料模塊、篩選分離模塊、拌藥模塊和稱質量模塊等組成，各部分交互配合，簡便實用（圖1）。

打開電源，稱質量托盤右移及拌藥桶底部的出料閥門閉合，完成機械裝置的初始化；然后進料部分的出料口閉合，等待放料，待放料完成后，電機帶動絲桿轉動控制出料口的開閉幅度，以控制種子的流速；種子進入篩選分離模塊后，振動電機和鼓風機同時工作，進行篩選分離，不同質量等級的種子分別從3個對應出口流出。篩選出質量符合標準的種子進入拌藥桶，當光電傳感器檢測到拌藥桶內種子達到一定高度時，進料部分的出料口閉合，篩選分離模塊和鼓風機均停止工作，攪拌電機開始正反交替旋轉，同時噴藥裝置對種子進行噴藥。拌藥工作完成后，拌藥桶底部開口閥打開，稱質量托盤上的壓力傳感模塊開始工作，待收集到的種子質量達到預設值時，托盤向左移動將袋子移出，同時蜂鳴器報警提示取袋，此次工作流程完成。

2 關鍵技術的具體實現

2.1 篩選分離模塊設計

目前種子篩選分離的設計方案主要有2種，一是離心分離式，利用離心運動的離心原理，物體的質量不同，其具有的離心力也不同。預留的種子質量參差不齊，內含有干癟、腐爛變質、發芽的，其離心力與質量好的種子有一定的差別，利用不同種子具有不同離心力的原理，可將其分離。考慮到離心控制對技術的要求比較高，不易控制，且離心控制必須用到離心分離機，其價格比較昂貴，故該方案不適合。二是風選分離式，利用輕雜及病變種子在質量上明顯輕，且尺寸與好種子有明顯差別的特點，將不同等級的種子進行分離。其原理是在振動篩的振動作用下，不同等級種子的振動幅度不同，經過風機的吹風作用，不同等級的種子逐漸分離。經過篩選分離后，種子凈度已明顯提高，且粒度比較均勻。該方案控制簡單，成本較低，分離效果明顯，在農業機械方面應用廣泛，故本設計選擇此方案。篩選分離模塊通過雙層篩網分隔為3層，上層篩面為平面篩，下層篩面為棱面篩，棱面篩的效率要比平面篩效率提高2～3倍。整個模塊的振動依靠電機帶動曲柄連桿的搖動，使其做有規律的往復運動，從而實現整個篩選分離模塊的振動。在進料口下部裝有風選裝置，由鼓風機等部分構成，PWM調速可以調節風速，可以吹走質量較輕和干癟的種子。篩選分離部分的振動與風選裝置配合工作，能夠將不同等級的種子分離開，粒徑大的種子通過振動作用經過上層平面篩網過濾掉，從1號出口流出，粒徑小的從2號出口流出，質量符合標準的種子從3號出口流出，從而完成種子的篩選分離。可以根據篩選種子的直徑大小來更換不同規格的篩網，以滿足不同種子的篩選需求。篩網網孔的阻塞直接影響清選效果，針對此問題，在棱面篩網上部加裝有與篩網寬度相同的毛刷，電機轉軸通過聯軸器與絲杠連接，毛刷一端焊接有螺母，長條毛刷與絲杠保持垂直狀態。12 V直流電機帶動絲杠旋轉，間接地使毛刷做有規律的往復運動，保證清選效果。

2.2 篩選理論設計計算

（1） 要求篩子的前部風速達到7～8 m/s，中部達5～6 m/s，后部達1～2 m/s，風扇出風口的平均風速需達4～5 m/s。

（2） 篩子面積計算方面，可由進入篩選裝置的種子Qs（kg/s）確定篩的寬度B（mm），在傳統型聯合收割機上一般為篩體寬度的0.90～0.95，則篩子長度：

2.3 控制模塊設計

依靠AVR單片機作為控制中樞，運用光電開關、壓力傳感器、碰撞開關等傳感器件，并與電機、舵機和12864液晶顯示屏完美配合，實現人機交互、實時顯示等功能。

2.3.1 微處理器的選擇 ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega16內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在1個時鐘周期內同時訪問2個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數據吞吐率[3]。

2.3.2 檢測模塊的選擇 為保證工作的準確性，必須保證數據的連續傳輸，要求傳感器有效信號傳輸距離為5～25 cm，傳輸信號準確，反應快，最終確定選用E3F-DS30C4型光電傳感器。當光電傳感器監測到拌藥桶內的種子達到一定量時，反饋信號給單片機，單片機作出相應的響應（表1）。

HX711是一款專為高精度稱質量傳感器而設計的24位A/D 轉換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。

該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A或通道B，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程（圖2）。

2.3.3 舵機模塊P MG995型舵機工作穩定，體積小，扭力大，功耗低，控制精確[4]。

舵機在該裝置中的使用主要是控制角度的變換，以實現拌藥桶底部開口開合的變換。

2.3.4 繼電器的選擇 在低電壓控制高電壓的結構中采用電磁式繼電器，由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放（圖3、圖4）。

3 結論

智能種子篩選機主要針對個體型農戶設計，也可應用于小型工廠。傳統型手工作業費時費力，效率低。該產品的設計集種子篩選分離、拌藥、稱質量于一體。跟傳統篩選機相比，本篩選機具有以下優點：（1）流速控制功能，保證篩選過程中進料的均勻性，從而保證篩選質量。（2）雙層篩網過濾，上篩面為平面篩，下篩面為棱面篩的設計，更換方便，篩選效果明顯。（3）在攪拌桶內有攪拌扇葉，桶的上部裝有智能化噴頭，能夠控制進藥量，能夠對篩選出的質量符合標準的種子進行拌藥，效率高，攪拌更均勻。（4）稱質量托盤底部裝有壓力傳感器，可以對裝袋質量實時監測，達到預設質量時自動報警。（5）單片機作為控制中樞，與傳感器件交互配合，實現智能控制。獨特的機械結構與電氣控制部分交互配合，智能高效，簡單易操作，可以滿足不同種類種子加工處理需求，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]鄒必昌，彭三河，湯小凝. 谷物清選機構主要參數優化設計試驗研究[J]. 湖北農學院學報，2003，23（2）：108-112.

[2]馬繼光. 國外重力式清選機的發展方向[J]. 世界農業，2001（7）：32-33.

[3]徐益民，范紅剛，蘇鳳武. 零基礎學AVR單片機[M]. 北京：機械工業出版社，2011：85-115.

[4]宗華光，楊 洋，唐伯雁譯. 機器人控制電子學[M]. 北京：科學出版社，2004：41-50.