輕簡式煙草打頂抑芽機控制系統研究

夏志林 陳聯雄 彭玉龍 劉京 張之礬 韓小斌 任震宇 劉宏博

摘要 隨著煙草農業的不斷發展，煙草打頂抑芽的工作成為提高煙葉產質的重要方式。在平原地區打頂抑芽機已經投入使用，而在山地丘陵地區，由于其獨特的地形，并沒有合適的小型機械進行打頂抑芽，為了提高煙草打頂抑芽的工作效率，在結合煙桿的結構特點以及人工打頂抑芽的工作步驟后，研制了一種小型的煙草打頂抑芽機。在介紹這種打頂抑芽機基本結構的基礎上，對其控制系統進行研究。該系統采用無刷直流電機驅動藥泵噴藥，利用單片機控制準確地控制噴藥量及其位置，保證工作的可靠性，同時對該控制系統噴藥量的檢測做了測試試驗，驗證了其噴藥量的準確性。該設計提高了工作效率，實現了煙草打頂抑芽機的半自動化，進一步推動了煙草農業的現代化進程。

關鍵詞 煙草；打頂抑芽；基本結構；控制系統

Study on Portable and Simple Control System of Tobacco Topping and Sucker Machine

XIA Zhi-lin，CHEN Lian-xiong，PENG Yu-long，HAN Xiao-bin* et al （Zunyi Group of Guizhou Tobacco Company，Zunyi，Guizhou 563000）

Abstract With the development of tobacco agriculture，the tobacco topping and sucker work has become an significant way to improve the yield and quality of tobacco.Topping machine had been put into use in plain area.While in the hilly and mountainous areas，there was no suitable small machinery for top bud inhibition because of its unique terrain.In order to raise the efficiency of tobacco topping，Based on the structural characteristics of the tobacco rod and the working procedures of manual topping，a small tobacco topping machine had been invented.Based on the introduction of the basic structure of the topping and bud cutting machine，the control system was studied.The system used a brushless DC motor to drive the pump spray.it Also used the SCM to control the quantity and position of spraying，which could ensure the reliability of work.Besides， the detection of the spraying amount of the control system was tested，and the accuracy of the spraying amount was verified.The design improved the efficiency of the machine and it has realized the semi automation of tobacco topping and promotes the modernization process of tobacco agriculture.

Key words Tobacco；Topping and sucker；Basic structure；Control system

煙草作為一種經濟作物，其主要目的在于收獲其葉片來作為生產原料。為了提高煙葉的產量和質量，在煙草種植過程中必須抑制煙草的頂端優勢，打頂抑芽是目前在煙草種植和生產過程中應用廣泛且不可缺少的農藝步驟[1]。打頂是通過摘除煙草作物頂端的花序和幼葉，來控制除去其頂端生長優勢，以避免不作為產量的幼葉對煙草作物內部養分的進一步吸收；而抑芽則是在除去頂芽的條件下，防止頂部側邊幼芽的生長。當前我國煙草打頂工作主要是采用人工來完成作業，但存在勞動強度大、操作不規范、藥物利用率低等現象。機械化的煙草打頂在我國仍處于起步階段，且主要集中在高校，其中的代表是山東農業大學研制的3YDX-3打頂抑芽機，它選取的是拱形機架式結構，能夠完成煙草識別、打頂和施藥的一體化作業，提高了煙草農業的機械化水平[2]。與國內相比，日本、加拿大、美國等農業發達的國家早已經實現了煙草打頂和收集的機械化聯合作業[3]，例如美國在1972年就已經對一種在農業機械上掛接式的打頂抑芽設備進行了專利保護[4-5]，在農業機械發展的過程中，現代化智能化是未來發展的必然趨勢[6]。而目前我國使用的打頂抑芽機械普遍較大，只適用于平原地區，不適合在西南山地丘陵地區的作業，因此，研發一種小型輕量的打頂抑芽機械具有很好的實用價值。西南大學研制了一種輕小型的煙草打頂機械，結合基于單片機的控制系統，可快速打頂，易于操作，噴藥量設計的精準偏差小于5%。

1 煙草打頂機械的基本結構及工作原理

1.1 基本結構 該輕小型煙草打頂機械主要由打頂系統和噴施系統組成，包括剪切部件、驅動部件、機身、藥箱、藥泵、電磁閥、藥管和噴頭等組成。詳細結構見圖1、2。

1.2 工作原理

單手握持機身至煙草桿頂部，將桿置于剪切刀頭之間，指頭按下控制開關，單片機收到信號，傳送給電機一個運動信號，電機轉動帶動齒輪與齒條相對運動，進而推動滑塊，使動刀刀片運動剪切煙草桿，之后電磁閥將自動開啟，藥泵將藥液通過藥管傳送到噴頭，噴頭噴灑藥液，即完成一個打頂過程。

2 煙草打頂機的控制系統

2.1 主要工作流程

煙草在進行打頂抑芽工作時主要有2個步驟：一是剪切，二是噴藥。基于這2個要求所設計的主要工作流程如圖3所示。

2.2 控制系統的硬件設計

為了使打頂抑芽機能夠正常穩定地工作，同時自由地控制，該設計選用的是線性調速較好、效率較好的無刷直流電機作為驅動電機，其特點是體積小、質量輕、易于更換和維護，能夠有效地達到該設計的工作要求。同時，該打頂抑芽機的噴施系統需要對藥劑進行精良化控制，盡量避免藥泵出口到噴頭的壓力損失，比對目前常用的幾種小型水泵，最終選用了小型的離心泵來進行控制。

系統總體結構。該打頂抑芽機硬件電路的CPU主要由單片機來控制實現。剪刀位置信號、噴藥量調節信號、電池電壓信號、工作開關信號等，都是通過單片機采集數據后處理運算，再根據程序設計傳輸相應的輸出信號到電機驅動模塊、控制電路來達到控制整個打頂抑芽過程的過程。其結構示意圖如圖4所示。

2.3 系統軟件設計

打頂抑芽機的控制系統要保證使用者在實際操作中，當控制按鈕按下后，一套動作要立刻開始執行，并檢測過程中可能出現的問題，在遇到問題的時候能夠

當打頂機開始工作時，首先要檢測電源電壓和施藥量是否在正常范圍內，再判斷工作開關是否被按下，在接收到工作開關按下的信號時，控制程序開始啟動并且調用直流電機正轉的子程序，之后判斷工作開關是否松開，當接收到開關未被松開的信號后，緊接著會判斷剪刀是否閉合，剪刀閉合之后，系統將關閉直流電機同時調用施藥子程序。之后接收到按鍵松開的信號后，程序調用直流電機反轉子程序，再張開剪刀，關閉直流電機，整個過程就此結束。當然，在程序設計中也考慮到一些突發狀況和故障的處理，使用者在工作過程中遇到相關問題或出現非正常工作狀態的情況時，系統能夠自動報警提醒使用者停止使用，并做出相應的檢查。在下一次電源開啟時，所有動作程序都將初始化。

3 噴藥量測試試驗及結果分析

噴藥量測試主要是針對設計好的打頂抑芽機的控制系統所進行的準確性測試試驗。通過對制作好的打頂抑芽機樣機進行噴藥量檢測，用得到的試驗數據進行分析。該試驗所用到的裝置主要有：打頂抑芽機樣機、多個小量程的量杯。

試驗對打頂抑芽機樣機噴施量選定了11組設定值，從10 mL到20 mL每隔1 mL進行一組試驗，每組進行10次噴施，測得總藥量，計算出平均每次噴施量、噴施偏差、平均偏差、方差、標準差以及噴施偏差等數據，來對試驗過程進行分析。試驗結果如表1所示。

由表1試驗數據可知，該打頂抑芽機的每次實際噴藥量均在設定值上下輕微波動，其噴藥量平均偏差為2.14%，各組試驗的方差、標準差的變化較小，反映出每組測試的單次噴藥量的波動較小，離散程度低，滿足設計要求。

4 結論

該試驗的控制系統是針對一種煙草打頂抑芽機提出來的，主要由單片機作為核心，對剪刀位置、噴藥量調控、電池電壓、工作開關等信號進行控制，并在噴藥量測試試驗中驗證了其精準度，提高了藥液的使用效率。對于煙草的打頂抑芽工作能夠起到很大的作用，提高了打頂抑芽的工作效率和煙葉質量，實現了煙草打頂抑芽的半自動化和精準化，也為進一步優化該機械的自動化進程提供了良好的基礎。隨著農業現代化的發展，自動控制系統將在農業領域運用得越來越廣泛，該系統的應用將進一步提高煙草農業的自動化與智能化。

參考文獻

[1] 林中麟，石健林，周益.煙草打頂研究進展[J].江西農業學報，2009，21（6）：32-36.

[2] 耿愛軍，張曉輝，苗乃樹，等.3YDX-3型煙草打頂抑芽機設計[J].農業工程學報，2010，26（7）：96-101.

[3] 耿愛軍.智能煙草打頂機械關鍵技術研究[D].泰安：山東農業大學，2011：8-10.

[4] CECIL H W.Apparatus for topping stalk-type plants：US3695013[P].1972-10-03.

[5] LEE S E.Devices for topping tobacco plants：US3662526[P].1972-05-16.

[6] 宋濤，張曉輝，馬敏，等.煙草打頂機械化技術及應用現狀[J].農機化研究，2010，32（6）：233-236.