一種新型移栽機苗盤輸送機構控制系統設計與驗證

楊 萌，曹衛彬，劉凱強，馬 銳，趙宏政

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆地處我國西北地區，日照時間長，晝夜溫差大，適宜番茄與辣椒等作物的生長。但由于無霜期短，溫度變化率大，不宜于早播[1-3]。育苗移栽技術作為一種培植技術，可以延長作物生長期，能有效地避開春寒，提高幼苗成活率，具有顯著的節本、增產、增收效果[3-4]。

番茄自動移栽機作為一種移栽機具，可以很好地將穴盤內的番茄幼苗移栽到大田中進行大面積種植[6-9]。目前，課題組研究開發的番茄移栽機在苗盤縱向輸送裝置是由變速箱分配動力給連桿機構，連桿機構帶動間歇機構轉動從而帶動鏈輪鏈條轉動實現苗盤向下進給，橫向輸送裝置由變速箱分配動力給絲杠帶動苗盤橫向往復運動。但由于機械結構與動力分配復雜，且機械結構在磨損后會影響苗盤縱向與縱向進給的精度，使取苗手不能準確取苗。因此，本文研究設計了一種基于Arduino單片機的新型移栽機苗盤輸送機構，具有穩定性好、操作簡單、能適應大田作業環境且能夠滿足取苗機構準確夾取番茄幼苗的移栽作業要求。該系統可以較準確地控制苗盤輸送裝置橫向與縱向的進給送苗，為移栽機苗盤輸送裝置的研究提供了一個新的思路。

1 系統總體設計

全自動鋪膜覆土移栽機使用工藝成熟的128穴(16行8列)的軟苗盤，采用取苗手不運動而苗盤運動的送苗方式。要求苗盤輸送裝置可以獨立而且方便地安裝于現有的旱地移栽機，且動力來源獨立于拖拉機后輸出軸。為適應一帶一膜雙行的移栽機作業要求，機身設計有兩只取苗手同時取苗，所以需要同時對兩個苗盤進行橫向和縱向進給控制。

為了控制兩個苗盤的移動誤差，本設計將兩個苗盤按照取苗手中心線的間距焊接在一個滑動軌道上，在保證焊接精度和強度的情況下，本設計將滑臺上的滑塊與移栽機苗盤的滑動軌道相連接，即可以使絲杠每次進給的距離與兩個苗盤進給的距離一致。為保證每次進給精度，系統使用一個兩相四線制步進電機帶動絲杠控制兩個苗盤的橫向移動。苗盤的縱向位移通過另一個步進電機帶動鏈輪以及與鏈輪對應的鏈條繼而帶動苗盤縱向運動。使用步進電機的目的是保證每次位移的精度，在本設計要求中，苗盤每次橫向和縱向的進給距離都是32mm，在大田中作業時步進電機的使用有助于保證精度及減小控制誤差。

針對旱地移栽機苗盤架和吸塑工藝制成的苗盤特點，系統主要由電感式傳感器、Arduino 單片機(控制核心)、電源、苗盤架、鏈輪、步進電機、滑臺及絲杠組成，如圖1所示。根據取苗手的取苗頻率對苗盤的運動進行控制。其中，步進電機A通過聯軸器與鏈輪相連接控制兩個苗盤架同時縱向運動，步進電機B通過聯軸器與滑臺絲杠相連接對兩個苗盤架橫向運動同時進行控制。系統各功能模塊分解如圖2所示。

1.鏈輪 2.滑臺絲杠 3.接近開關A 4.步進電機B 5.步進電機A 6.苗盤架 7.苗盤 8接近開關B圖1 機構示意圖Fig.1 Mechanical structure diagram

圖2 系統結構示意圖Fig.2 Structure of the system

2 工作原理與驅動控制

2.1 工作原理

系統使用兩個接近開關作為信號輸入，接近開關A作為定位傳感器使用，接近開關B提供每次取苗手取苗結束后的完成信號。在上一次結束移栽后，停機時苗盤位置不固定，所以在下一次移栽開始前，需要將苗盤移動到初始位置，即移栽機的最左側。當苗盤與接近開關A的距離為4.0mm時，接近開關A發出信號，苗盤停止運動并進入正常送苗程序。在每次啟動時，控制苗盤先回到取苗初始位置，再開始執行苗盤位移程序，這樣設計的目的是因為單片機在掉電后沒有記憶功能，當移栽結束而苗盤沒有停止在初始位置時，再次開始移栽則會導致苗盤橫向位移時序出錯。

在移栽開始后，在取苗手插入基質時，接近開關B開始發送信號，并且一直持續到取苗手與缽苗離開苗盤。苗盤的橫向運動在每次接近開關B信號停止后開始，即取信號的下降沿為有效信號。與接近開關B發出信號苗盤運動相比，這樣設計避免了高速移栽時苗盤與取苗手的干涉，苗盤只在取苗手投苗的過程中運動，提高了取苗成功率。當控制核心接收到接近開關B發出的下降沿信號后，控制核心向步進電機控制器B發出設定好的方向和進給脈沖信號，步進電機控制器B將脈沖信號轉換成控制電機運動的信號并帶動苗盤向右運動。在橫向運動7次后取完一排(8株)穴盤苗后，在接近開關B發出的第8次下降沿信號時，控制核心發出信號控制給步進電機控制器A發送方向脈沖和進給脈沖。步進電機控制器A將脈沖信號轉換成控制電機運動的信號并帶動苗盤縱向運動。當接近開關B發出第9次下降沿信號后，控制核心向步進電機控制器B發送進給脈沖信號和與前7次運動相反的方向脈沖信號，步進電機控制器B控制步進電機B向左運動1次，重復7次后，苗盤回到最左端。在接近開關B發出第16個下降沿信號后，控制核心發出信號控制給步進電機控制器A發送方向脈沖和進給脈沖，步進電機控制器A將脈沖信號轉換成控制電機運動的信號并帶動苗盤縱向運動。至此，苗盤完成一個周期的運動。苗盤位移軌跡如圖3所示。

圖3 苗盤位移軌跡圖Fig.3 Seeding trays displacement graph

2.2 驅動控制

為配合單片機的工作，選擇工作電壓為5V的NPN型常開式接近開關，相較于傳統的工作電壓為24V的接近開關減少了電壓放大電路，使得接近開關可以直接接在單片機的I/O口上，通過對單片機I/O口 信號直接讀取移栽工作信號，控制移栽流程。其工作時序如圖4所示。

圖4 工作時序圖Fig.4 Timing diagram

苗盤的縱向位移由步進電機通過聯軸器帶動鏈輪控制，阻尼較大，所以使用一個扭矩為8N·m的兩相四線步進電機控制。苗盤的橫向位移由步進電機帶動絲杠控制，絲杠選用臺灣TBI公司生產的滾珠絲杠，極大地減小了電機運轉所需要的扭矩。所以，為了節省能源，控制苗盤橫向運動選用一個扭矩為1.8N·m的步進電機。使用步進電機是為了提高苗盤的進給精度，標準穴盤的每一個穴孔的規格為32mm×32mm，當進給誤差超過5%即±1.60mm時，取苗手就會對穴孔造成破壞，影響取苗成功率，而步進電機可以將每次進給的誤差控制在±1.60mm以內。

對于步進電機進給的控制，可以直接通過Arduino單片機I/O口發送脈沖，經過放大電路后就可以驅動步進電機。但是，這樣的設計會因為功率放大電路中的延時產生累計誤差，并且這樣的驅動程序會極大地占用CPU的運行空間。控制步進電機的運動還可以選擇使用成熟的步進電機驅動器，這樣只需要給步進電機驅動器發送一個方向信號和一個脈沖信號就可以使電機正常運動，節省了單片機的I/O口并減少了CPU的工作量。因此，使用兩個北京時代超群公司步進電機驅動器分別控制兩個步進電機，通過Arduino單片機向驅動器直接發出兩個幅值為+5V脈沖信號，就可以實現對步進電機的控制。軟件流程圖如圖5所示。

系統電源使用兩個DC12V12ah的電瓶串聯成一個DC24V的電源作為整套系統的電源裝置，對兩個步進電機控制器供電；通過一個DC24V轉DC5V的模塊對Arduino單片機進行供電。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow disgram

3 端口配置

Arduino單片機相比較傳統51單片機具有開源(即軟硬件全部開放)的優勢，使得使用者可以從相關網站獲取大量的共享資源；函數庫多樣且成熟，使得程序指令的編寫得到了極大地簡化，也減少了系統的故障概率[5]，提高了本設計的可靠性。

Arduino UNO是Arduino USB接口的最新版本具有14路數字I/O口(其中6路可做PWM輸出)和6路模擬輸入輸出口，16MHz晶振，1個USB口，支持I2C接口，處理器為ATmega328。程序編譯使用 Arduino IDE編寫，這款編譯器結構簡單，庫函數豐富，非常適合編寫步進電機的控制程序。

本設計功能使用單片機6個I/O口，I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

4 電機控制參數的計算

由于本設計通過步進電機驅動器控制步進電機的運動，所以只需要控制單片機發送給驅動器的脈沖就可以控制電機的轉速和轉動角度。本設計的苗盤輸送機構，橫向與縱向每次進給的距離均為32mm，使用時代超群公司生產的86系列步進電機驅動，步距角1.8°，絲桿螺距20mm，鏈輪直徑80mm。為保證電機轉動的穩定性，驅動器統一設置為16細分模式。橫向位移脈沖計算，即

其中，θ1為橫向轉動角度；L為需要的進給距離(mm)，根據苗盤結構設置為32mm；R為鏈輪半徑(mm)，本設計中為40mm。則經過計算θ1應為45.89°， 則

其中，N1表示單片機每次需要發送給驅動器的脈沖數。

縱向位移脈沖的計算，即

5 苗盤輸送控制系統送苗精度試驗

5.1 試驗材料及裝置

2016年7月，試驗在新疆生產建設兵團機械重點實驗室進行，將苗盤輸送控制系統安裝在已有的移栽機樣機上，電機與控制核心的電源由電瓶提供；取苗手動力來源于拖拉機后輸出軸，試驗使用約翰迪爾牌454拖拉機，拖過控制拖拉機檔位與油門來微調后輸出軸轉速進而控制取苗速度；通過激光測距儀測量不同取苗速度下苗盤橫向與縱向位移，并通過串口通信將數據發送至上位機軟件，得到不同轉速下的取苗成功率。苗盤系統實物圖如圖6所示。

圖6 苗盤輸送控制系統實物圖Fig.6 The physical picture

5.2 試驗設置及評價指標

試驗主要通過改變取苗手的取苗速度，測試苗盤的送苗速度與精度的影響，并檢驗橫向送苗與縱向送苗主要功能環節的可靠性。試驗使用Fluke 424D 激光測距儀，精度0.001m。

5.3 橫向苗盤輸送試驗

苗盤橫向運動速度直接受控于取苗手的取苗速度，苗盤根據取苗手即P1口發出的信號頻率，調整進給速度.所以，當取苗手取苗速度過高時苗盤，在沒有進給到位時取苗手下一次取苗已經開始，導致了苗盤與取苗手之間的干涉，干涉嚴重時會對苗盤和取苗手造成不可逆的損傷。苗盤橫向運動由兩相步進電機帶動絲杠控制，步進電機本身的性質決定了轉速超過400r/min時，電機扭矩快速下降，會導致電機丟步，影響控制精度。通過改變取苗手取苗速度，測試其對苗盤運動的影響。

5.4 縱向苗盤輸送試驗

苗盤的縱向運動頻率小于苗盤橫向運動的頻率，在一個運動周期內，苗盤縱向移動兩次。與橫向位移一樣，縱向移動也是根據P1口發出的信號來調整苗盤的進給頻率，通過控制拖拉機后輸出軸轉速來改變取苗手取苗速度，測試其對苗盤運動的影響。試驗結果如圖7所示。

6 結論

1)設計了針對一種穴盤苗移栽機的苗盤輸送機構控制系統。該系統創新設計了苗盤橫向與縱向進給機構，提高了苗盤橫向與縱向的進給精度，提高了取苗成功率； 系統整體獨立于移栽機取苗與栽植機構， 不需要拖拉機后輸出軸提供動力， 不僅可以配套裝備在新移栽機上，也可以裝備在現有移栽機上。

2)以苗齡60天的大螺絲Hydrid F1號辣椒苗進行試驗，結果表明：苗盤輸送控制系統能夠按照設計要求完成動作，測得苗盤輸送系統在送苗速度55株/min時，苗盤輸送系統可靠性96.23%，平均位移誤差率4.77%。

參考文獻：

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