電動煙草打頂抑芽機控制系統(tǒng)研究

任震宇，劉宏博，韓小斌，李曉賢，何家成，何培祥

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 563000)

0 引言

煙草是以收獲葉片為目的的經(jīng)濟作物[1]，打頂抑芽則是目前煙草種植生產(chǎn)過程中普遍應(yīng)用且必不可少的農(nóng)藝步驟[2]。煙草的打頂抑芽可有效增加葉片的有效葉面積，提高煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量[3-4]。

目前，我國打頂抑芽工作普遍采用人工完成，機械化打頂抑芽在我國還處于起步階段，研究工作主要集中在高校。其中，最具代表性的是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的3YDX-3打頂抑芽機[5]，其采用拱形機架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了打頂和施藥等一體化功能。相比于國內(nèi)，國外早已實現(xiàn)了煙草打頂抑芽和煙芽收集的機械化聯(lián)合作業(yè)[6]，如美國早在1972年就已有專利保護(hù)了一種在農(nóng)業(yè)機械上掛接式的打頂抑芽設(shè)備[7-8]。由目前國內(nèi)外研究情況來看，大多數(shù)打頂抑芽機械體積都較大，適用于平原地區(qū)的大面積耕地，對于我國西南山地丘陵地區(qū)的起伏較大零散的耕地實用性較差[9]，因此研發(fā)一種體積小、質(zhì)量輕，適用于山地丘陵地區(qū)的打頂抑芽裝置具有重要的現(xiàn)實意義。基于上述情況，本項目組研制了一種電動煙草打頂抑芽機，可快速、有效地完成打頂、施藥一體化工作。

1 整體機械結(jié)構(gòu)

電動煙草打頂抑芽機主要由打頂系統(tǒng)和抑芽噴施系統(tǒng)組成，如圖1所示。打頂系統(tǒng)主要集中在手持部分，包括剪切部件、驅(qū)動部件和機身。剪切部件將刀片固定在直線滑塊機構(gòu)上進(jìn)行直線剪切運動，驅(qū)動部件采用電機，利用齒輪齒條進(jìn)行直線驅(qū)動；機身有把手和控制開關(guān)，剪切部件位于機身前段，便于單手操作。抑芽噴施系統(tǒng)包括藥箱、藥泵、電磁閥、藥管和噴頭，藥泵安裝于藥箱下端，藥液通過藥管輸送到噴頭進(jìn)行噴施。藥泵與噴頭之間連接電磁閥，控制管路的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而控制噴藥時間及噴藥量，噴頭固定于剪切刀片下端，剪刀閉合時噴頭噴藥。

1. 剪切刀頭 2.滑塊 3.齒輪齒條 4.直線導(dǎo)軌 5.藥箱 6.噴頭 7.電機 8.控制開關(guān) 9.把手 10.藥管 11.背帶 12.電磁閥 13.控制盒 14.藥泵 15.電池

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整機主要工作流程

人工打頂抑芽主要有兩個步驟，即剪掉煙草頂端再噴施抑芽劑。該電動煙草打頂抑芽機要完成這兩個步驟，需要細(xì)化為多步控制動作，主要工作流程為：首先操作人員觸動工作開關(guān)，電機正向轉(zhuǎn)動，剪刀閉合；剪刀到達(dá)閉合位置后，電磁閥打開，藥液由噴頭噴出，等待藥液噴施完畢后電磁閥關(guān)閉，停止噴藥；這時蜂鳴器鳴音提醒操作人員松開工作開關(guān)，電機反轉(zhuǎn)，剪刀張開，剪刀到達(dá)初始位置，電機停止。如此完成一次工作周期，如圖2所示。

圖2 主要工作流程圖

2.2 輸入信號及輸出控制項的確定

依據(jù)整機主要工作流程，確定輸入信號及輸出控制項。輸入信號考慮剪刀有張開和閉合兩個位置，因此需要剪刀位置信號；施藥量要求在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，因此需要噴藥量調(diào)節(jié)信號；為確保機器工作穩(wěn)定性，需要電池電壓信號；準(zhǔn)備剪切動作要觸發(fā)工作開關(guān)，需要工作開關(guān)信號。輸出控制項首先考慮剪刀進(jìn)行剪切運動，需要控制電機的正反轉(zhuǎn)；施藥時控制電磁閥開關(guān)，從而控制噴藥量；為提高機器方便性，添加蜂鳴器和指示燈，給用戶提示機器的工作狀態(tài)。

2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用單片機進(jìn)行輸入信號的處理及控制信號的輸出。輸入信號包括工作開關(guān)信號、電池電壓信號、噴藥量調(diào)節(jié)信號、剪刀位置信號和電機過流信號等；輸出控制包括電機、藥泵、電磁閥、NFC無線通信模塊、蜂鳴器及指示燈等。其中，電機通過電機驅(qū)動模塊進(jìn)行控制，藥泵、電磁閥及蜂鳴器采用場效應(yīng)管控制電路進(jìn)行控制，指示燈由其相應(yīng)的控制電路進(jìn)行控制，NFC無線通信模塊主要由相應(yīng)的通訊完成。其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

單片機的選擇主要考慮引腳個數(shù)和可靠性，選用Microchip公司的PIC18F13K22作為主控芯片，其有20個引腳、16MHz內(nèi)部晶振、8K程序存儲器[10]。

3.1 輸入信號檢測電路設(shè)計

3.1.1 剪刀位置信號檢測電路設(shè)計

剪刀位置檢測采用霍爾傳感器A314E[11]，將磁鐵固定在滑塊底端，兩個傳感器分別固定于剪刀閉合張開兩個極限位置，與滑塊上磁鐵位置相對應(yīng)。這樣，當(dāng)剪刀閉合或張開時對應(yīng)的霍爾傳感器會產(chǎn)生電平變化信號，單片機依據(jù)這個信號可以判斷剪刀位置。剪刀位置檢測電路原理圖如圖4所示。圖4中，兩霍爾傳感器信號線分別接到單片機RB4、RB5引腳上，單片機INT1引腳外接一個5V電源線，同時該引腳通過兩二極管D1、D2與RB4、RB5引腳連接。當(dāng)兩霍爾傳感器任意一個有電平變化時，中斷引腳INT1隨之發(fā)生電平變化，這樣單片機能快速處理剪刀位置信號，也方便后續(xù)編程。

3.1.2 噴藥量、開關(guān)及電源電壓信號檢測電路

噴藥量檢測電路原理圖如圖5(a)所示。其中，噴藥量調(diào)節(jié)利用電位器R6的分壓檢測電路來實現(xiàn)，單片機引腳AN8通過AD(Analog-to-Digital)轉(zhuǎn)換檢測電位器R6分壓變化。

開關(guān)信號檢測電路原理圖如圖5(b)所示。其中，當(dāng)開關(guān)k沒按下時，單片機引腳RB6檢測到的是電容C5上端的電壓，為高電平；當(dāng)開關(guān)k按下后，電阻R9、R10間的線路接地，此時引腳RB6為低電平，以此判斷工作開關(guān)是否被按下。

電源電壓檢測電路原理圖如圖5(c)所示。其中，電阻R7、R8將電源電壓VCC分壓成單片機可檢測的電壓信號，輸入單片機AN9引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖4 剪刀位置檢測電路原理圖

圖5 輸入檢測電路原理圖

3.2 輸出控制電路設(shè)計

3.2.1 電機驅(qū)動模塊控制電路

所選用電機額定電壓12V，輸出功率17W；選用飛思卡爾公司的MC33886作為電機驅(qū)動芯片，其正常工作電壓范圍是5～40V，最大電流5A[12]。電機驅(qū)動芯片接線電路原理圖如圖6所示。

3.2.2 電磁閥、蜂鳴器及指示燈的控制電路設(shè)計

電磁閥和控制器電路原理圖分別如圖7(a)、(b)所示。其中，電磁閥線圈和蜂鳴器都為感性負(fù)載，并入D3、D4二極管進(jìn)行續(xù)流，U1、U2為場效應(yīng)管，控制引腳分別為單片機的RC0和RC1，R16、R17下拉電阻用于去除場效應(yīng)管柵極與源極間由于電容效應(yīng)產(chǎn)生的壓差，確保場效應(yīng)管工作的可靠性[13]；指示燈由單片機RC2引腳直接進(jìn)行控制，如圖7(c)所示。

圖6 電機驅(qū)動芯片接線電路原理圖

圖7 輸出控制電路原理圖

4 試驗分析

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)用于制作好的電動煙草打頂抑芽機樣機上，對其進(jìn)行噴藥量準(zhǔn)確性檢測試驗所用到的試驗裝置主要有電動煙草打頂抑芽機樣機及多個小量程的量杯。

試驗對電動煙草打頂抑芽機樣機噴施量選取了11組設(shè)定值，從10～20mL每隔1mL進(jìn)行1組試驗，每組試驗進(jìn)行10次噴施，最后測得總藥量，計算出平均每次噴施量、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、噴藥偏差及平均偏差等數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果如表1所示，偏差分析如表2所示。

由表1、表2的試驗數(shù)據(jù)可知：該打頂抑芽機的每次實際噴藥量均在設(shè)定值上下輕微波動，噴藥量的平均偏差為2.26%，試驗各個小組的方差與標(biāo)準(zhǔn)差變換較小(即每組測試的單次噴藥量的波動較小)，滿足設(shè)計要求。

表1 噴藥量測試試驗數(shù)據(jù)

表2 噴藥量偏差分析

5 結(jié)論

1)設(shè)計的電動煙草打頂抑芽機的控制系統(tǒng)，以PIC18F13K22單片機為控制核心，輔以MC33886電機驅(qū)動控制芯片、霍爾傳感器及多個外圍電路，實現(xiàn)了該機械的半自動化，能夠有效地協(xié)調(diào)各部件間的動作。同時，在機器的可靠性和安全性方面也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，如電池電壓的實時檢測、故障報警及剪刀能夠在工作開關(guān)松開時及時張開等。該控制系統(tǒng)能夠?qū)C械的工作過程進(jìn)行全方位的控制，同時為電路的可靠性提供了相應(yīng)保障。

2)該設(shè)計使得電動煙草打頂抑芽機在噴藥量的精準(zhǔn)性及工作效率方面得到了顯著提高。試驗研究表明：該機械噴藥量的平均偏差為2.26%，單次噴藥量波動較小，有效提高了煙草質(zhì)量，進(jìn)一步推動了煙草農(nóng)業(yè)機械化進(jìn)程。