基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉紅艷，張明偉

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 濟(jì)源 454650)

0 引言

機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，玉米脫粒裝置可快速將玉米籽粒和芯棒進(jìn)行分離，不僅可以有效提高機(jī)械化作業(yè)效率，而且也大大改善了玉米收獲及初加工過(guò)程的工作環(huán)境，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以大大降低人工成本和時(shí)間成本。本文以玉米脫離裝置為研究對(duì)象，采用ARM和模糊控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)，對(duì)降低整個(gè)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率具有重要意義。

1 玉米脫粒機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般玉米脫粒機(jī)需求主要有：①完成粒、梗分離，脫粒深淺可以控制；②入料口處配有鏈條進(jìn)給裝置，入料快捷方便；③玉米剝凈率程度高、低破碎率低；④刀具使用壽命長(zhǎng)。其主要功能分析如圖1所示。

圖1 玉米脫粒機(jī)功能分析圖

為了設(shè)計(jì)滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，玉米脫粒機(jī)主要由入料口、轉(zhuǎn)動(dòng)軸座、主軸、傳動(dòng)帶、釘齒脫粒滾筒軸、電機(jī)、柵格式篩選板、出粒板、鋼筋、半圓鐵條和出料口組成，如圖2所示。

1.入料口 2.轉(zhuǎn)動(dòng)軸座 3.主軸 4.大帶輪 5.傳動(dòng)帶 6.電機(jī) 7.小帶輪 8.機(jī)架 9.柵格式篩選板 10.鋼筋 11.半圓鐵條 12.釘齒 13.釘齒條 14.圓盤(pán) 15.螺栓 16.出料口圖2 玉米脫粒機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)玉米脫粒機(jī)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，本文采用電力作為動(dòng)力來(lái)源，電動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)器右下角，固定在脫粒機(jī)的機(jī)梁上，以最大限度地節(jié)省空間。玉米脫粒機(jī)主要部分的介紹如下：

1)入料口。入料口是玉米棒進(jìn)入脫粒機(jī)的唯一入口，與機(jī)器上蓋連在一起，由1cm的鋼板制作，入料部位與玉米眼釘齒脫粒滾筒軸相切。入料口的作用是通過(guò)該部件將未帶皮的玉米棒填入機(jī)體，并保證玉米棒不會(huì)被飛濺出來(lái)，能夠順利進(jìn)入到脫粒裝置內(nèi)，完成脫粒過(guò)程。入料口結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

2)脫粒裝置。脫粒裝置包括釘齒脫粒滾筒軸和柵格式篩選板兩部分。其主要流程為：未帶皮的玉米棒進(jìn)去脫粒裝置中，在釘齒脫粒滾筒軸的作用下完成脫粒，接下來(lái)玉米粒從柵格式篩選板進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩選，然后落入到下滑板，從出料口排出。

3)篩選裝置。篩選裝置由一塊柵格式篩選板構(gòu)成，其主要功能有兩個(gè)：①柵格式篩選板之間存在一定的縫隙，可以將玉米粒和芯棒分開(kāi)，并從不同的出口排出；②在釘齒脫粒滾筒軸帶著玉米棒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，卡住玉米棒，以便滾筒軸快速、穩(wěn)定地完成脫粒作業(yè)。柵格式篩選板結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖3 入料口結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 柵格式篩選板結(jié)構(gòu)示意圖

4)機(jī)架。玉米脫粒機(jī)機(jī)架主要包括機(jī)梁、出料口和下滑板等部件，是整個(gè)機(jī)器的支撐，負(fù)責(zé)承擔(dān)機(jī)身和加工農(nóng)產(chǎn)品的所有質(zhì)量。由于機(jī)架所承重力大，因此機(jī)架必須穩(wěn)定，確保機(jī)器在正常作業(yè)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)或倒塌等。

2 脫粒裝置模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 脫粒裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1)釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速。釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速主要由電動(dòng)機(jī)功率決定，本文設(shè)計(jì)的正常轉(zhuǎn)速為750r/min。

2)釘齒轉(zhuǎn)速。釘齒脫粒滾筒軸正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，釘齒條的釘齒也會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)速受釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速和釘齒半徑的影響，即

(1)

其中，V為釘齒轉(zhuǎn)速；Nz為釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速；D為釘齒兩端軸心距。將各參數(shù)值帶入式(1)，計(jì)算得出釘齒轉(zhuǎn)速為9.42m/s。

3)電動(dòng)機(jī)功率。假設(shè)玉米脫機(jī)機(jī)器正常工作時(shí)的功率為Pw，該功率由阻力和各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即

(2)

根據(jù)釘齒脫粒滾筒軸的設(shè)計(jì)參數(shù)可知，每個(gè)釘齒受力為40N，在正常脫粒作業(yè)中一般會(huì)有兩條釘齒條對(duì)玉米進(jìn)行打擊操作，故其所受力為

F=N·M·Z

(3)

其中，N為每個(gè)釘齒受力所受的力(N)；M為參與的釘齒數(shù)量，一共有7個(gè)；Z為釘齒條數(shù)，一共有2條。根據(jù)各參數(shù)值，可以算出F=560N。

計(jì)算得出Pw=5.28kW，因此需要選擇5.5kW的電動(dòng)機(jī)。

2.2 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成框架

模糊控制系統(tǒng)是一種將模糊數(shù)學(xué)和理論控制技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)控制系統(tǒng)，具備一般的數(shù)字控制結(jié)構(gòu)體系。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

模糊控制系統(tǒng)一般包括模糊控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和交互接口等4個(gè)部分。

1)模糊控制器：主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入量的模糊化，并通過(guò)計(jì)算推理控制輸出量的計(jì)算處理等。

2)交互接口：主要負(fù)責(zé)輸入輸出信號(hào)的A/D、D/A的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路是將傳感器采集到模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；D/A轉(zhuǎn)換電路則是將ARM的GPIO管腳輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成能夠驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬量。

3)廣義對(duì)象：主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象。

4)傳感器：主要負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象的輸出信號(hào)的采集。

2.2.2 嵌入式模糊控制器的設(shè)計(jì)

以釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象，其功耗計(jì)算表達(dá)式為

(4)

其中，ω為滾筒軸的角速度；J為滾筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；r為滾筒軸半徑；N為機(jī)器正常作業(yè)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率；a、b分別為摩擦力和空氣阻力；f為摩擦系數(shù)；γ為谷草比；λ為玉米粒出口速度和滾筒軸轉(zhuǎn)速之比；q為玉米的喂入量。

因此，設(shè)定滾筒角速度為控制器的輸入信號(hào)，玉米喂入量和電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸出控制量。

本文采用微處理器作為模糊控制器的核心，結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算和控制。為了方面ARM控制器實(shí)現(xiàn)模糊控制算法，本文采用二維控制結(jié)構(gòu)。嵌入式模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 嵌入式模糊控制器結(jié)構(gòu)

3 玉米脫?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

玉米脫粒控制系統(tǒng)硬件它主要包括ARM嵌入式構(gòu)成的模糊控制器、流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、ADC、人機(jī)交互界面、電壓檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和報(bào)警電路等，如圖7所示。

1)ARM嵌入式模糊處理器。本研究采用ATMEL公司的AT91SAM9261處理器為核心控制器，該芯片擴(kuò)展和集成了DSP指令集和Jazelle Java 加速器，是一款性能卓越的工業(yè)級(jí)嵌入式處理器。其具備的功能有：①主時(shí)鐘頻率高達(dá)190MHz，處理速度快；②集成了LED控制器，支持BW模式，支持TFT-LCD和STN-LCD；③集成了JTAG-ICE和UART調(diào)試通道系統(tǒng)等多個(gè)調(diào)試接口，方便開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由D/A轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)放和變頻電路構(gòu)成，如圖8所示。D/A轉(zhuǎn)化電路將AT91SAM9261處理輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量，然后由OP07運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。最后，OP07放大的后模擬型號(hào)去驅(qū)動(dòng)變頻器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

圖7 玉米脫?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

玉米脫粒控制系統(tǒng)的軟件操作流程如下：①開(kāi)機(jī)自檢→②電壓檢測(cè)→③設(shè)定系統(tǒng)控制參數(shù)→④檢測(cè)滾筒角轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)采用C語(yǔ)言模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序、定時(shí)中斷程序、轉(zhuǎn)速檢測(cè)程序、流量檢測(cè)程序、顯示程序及模糊控制器算法等。系統(tǒng)主程序流程如圖9所示。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，采用手工喂入的方式，將玉米出皮后勻速喂入。試驗(yàn)進(jìn)行3次，喂入量分別是4.0、4.5、5.0kg/s。玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)工作界面如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

圖10 玉米脫機(jī)控制系統(tǒng)顯示界面

試驗(yàn)序號(hào)喂入量/kg·s-1脫離率/%破碎率/%14.097.680.4424.597.150.4635.098.200.53

試驗(yàn)中，3次試驗(yàn)的玉米籽粒脫離率在97%以上，成功率非常高，破碎率在0.53%以下，效率較高。另外，隨著喂入量的加大，玉米籽粒脫離率逐漸提高，且破碎率逐漸提高，說(shuō)明喂入量直接影響機(jī)器的脫離率和破碎率。測(cè)試結(jié)果表明：該玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，穩(wěn)定性和效率較高，對(duì)實(shí)現(xiàn)玉米脫粒作業(yè)具有重要意義。

5 結(jié)論

針對(duì)玉米脫粒作業(yè)需求，以玉米脫離裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)脫粒裝置相比，該裝置將嵌入式系統(tǒng)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，形成了一種ARM模糊處理器，可以根據(jù)喂入量改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了玉米脫粒的變速控制。試驗(yàn)表明：玉米籽粒脫離率97%以上，成功率高，破碎率0.53%以下，效率較高，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。