輕簡(jiǎn)式煙田苗期揭膜機(jī)的設(shè)計(jì)

武艷平,汪 洋,胡 杰,李曉賢,何培祥

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715)

0 引言

煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,是一種喜溫作物,由于地膜覆蓋具有保溫保墑保濕的作用,在煙草種植中得到了廣泛應(yīng)用[1]。地膜覆蓋在煙草種植過程中有重要作用,既除去了在煙草大田栽培的中耕除草環(huán)節(jié),又可提高地溫,從而促進(jìn)土壤中微生物的活動(dòng),加強(qiáng)了土壤中有機(jī)質(zhì)和部分養(yǎng)分的釋放,提高了肥料的利用率,改善了土壤的養(yǎng)分狀況,保持土壤疏松,減少病蟲和雜草危害,進(jìn)而促進(jìn)煙草根系和煙株的生長發(fā)育,使煙草成熟期提早10天左右,明顯提高了煙葉品質(zhì)[2]。但是,地膜覆蓋后,由于土壤環(huán)境條件在各生育階段的變化規(guī)律不同,地膜對(duì)煙草品質(zhì)除了上述正效應(yīng)影響還伴隨著負(fù)效應(yīng)影響。現(xiàn)有研究指出:在煙草作物全生育期進(jìn)行地膜覆蓋栽培,將在一定程度上導(dǎo)致某些病蟲害加重、煙株根系發(fā)育不良等問題。在煙株生長中后期,土壤溫度往往過高,而濕度不足,如果不及時(shí)揭去地膜,易使土壤板結(jié)、通氣不良,過高的土壤溫度會(huì)對(duì)根系造成傷害[3];且地膜會(huì)阻擋來自空氣中的降雨,不利于肥料溶解轉(zhuǎn)化和煙苗吸收,影響煙株后期生長;加之地膜在田間難以降解,污染土壤,對(duì)農(nóng)作物危害很大[4-7]。因此,有研究人員提出,在煙草種植過程中,隨著溫度升高和煙株對(duì)水分的要求不同,應(yīng)及時(shí)揭膜以保證煙草的正常生長。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

輕簡(jiǎn)式煙田苗期揭膜機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.工作開關(guān) 2.扶手 3.錐形揭膜機(jī)構(gòu) 4.集膜機(jī)構(gòu)

該機(jī)主要包括錐形揭膜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、揭膜電機(jī)、集膜機(jī)構(gòu)、控制器、行走輪、扶手、工作開關(guān)、機(jī)架和鋰電池。其整體設(shè)計(jì)在功能系統(tǒng)上主要包括揭膜系統(tǒng)和行走系統(tǒng):揭膜系統(tǒng)在機(jī)構(gòu)上主要包括錐形揭膜機(jī)構(gòu)、揭膜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、揭膜電機(jī)和集膜機(jī)構(gòu);行走系統(tǒng)在機(jī)構(gòu)上主要包括行走輪及其組件。揭膜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有固定地膜、卷膜及卸膜。由于要求揭膜機(jī)在壟溝行進(jìn)時(shí)同時(shí)收兩側(cè)煙壟地膜以提高生產(chǎn)率,因此在揭膜機(jī)兩側(cè)均勻設(shè)置了兩組錐形揭膜機(jī)構(gòu)。錐形揭膜機(jī)構(gòu)主要由錐形卷膜輥、卡膜盤、傳動(dòng)軸和法蘭盤組成。法蘭盤連接并固定錐形卷膜輥于傳動(dòng)軸上,錐形卷膜輥其外徑自靠近機(jī)架一端向外逐漸減小,使卷膜輥的外表面具有錐面,便于快速卸下纏繞在卷膜輥上的地膜,并無需更換輥筒,既提高了工作效率,又無需準(zhǔn)備備用輥筒,從而減小了整個(gè)設(shè)備或操作人員的負(fù)載,簡(jiǎn)化了操作,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。由于揭膜機(jī)揭膜時(shí)兩側(cè)地壟上的地膜狀態(tài)不同,造成兩側(cè)錐形揭膜機(jī)構(gòu)的工況有所不同,導(dǎo)致不能使用同一個(gè)動(dòng)力同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的錐形揭膜機(jī)構(gòu),因此設(shè)置了兩個(gè)揭膜電機(jī)分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩個(gè)錐形揭膜機(jī)構(gòu)。

揭膜電機(jī)通過揭膜傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)揭膜機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)揭膜。揭膜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由主同步帶輪、同步帶和從同步帶輪組成,從同步帶輪與傳動(dòng)軸剛性連接,從而實(shí)現(xiàn)揭膜電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),即驅(qū)動(dòng)錐形卷膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)揭膜。錐形卷膜輥一端連接卡膜盤,卡膜盤上設(shè)有用于固定地膜的卡膜口,在揭膜之前,操作人員先將覆蓋在煙壟上的地膜端部卡入卡膜口,使其被可靠地限位,從而保證了揭膜機(jī)在地膜回收初期的可靠運(yùn)行。

行走系統(tǒng)的作用為支撐其余構(gòu)件并使揭膜機(jī)行走。雙行走輪具有更高的穩(wěn)定性和操控性,其余機(jī)構(gòu)或組件皆安裝在以行走輪為支撐的機(jī)架上。在行走輪的一側(cè)設(shè)置了行走速度檢測(cè)裝置,主要由磁鐵盤、小磁鐵、霍爾傳感器固定件及霍爾傳感器組成。磁鐵盤與行走輪剛性連接,霍爾傳感器與磁鐵盤盤面正對(duì)。當(dāng)揭膜機(jī)啟動(dòng)時(shí),霍爾傳感器檢測(cè)安裝在磁鐵盤上的小磁鐵經(jīng)過時(shí)間,控制系統(tǒng)從而準(zhǔn)確、靈敏地判斷揭膜機(jī)的工作狀態(tài)并計(jì)算出行走輪的實(shí)時(shí)行走速度,實(shí)現(xiàn)揭膜電機(jī)的自動(dòng)啟停及對(duì)操作人員行走速度的報(bào)警提示,提高了人機(jī)交互性。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體硬件電路如圖2所示。

揭膜機(jī)揭膜時(shí),揭膜電機(jī)恒扭矩驅(qū)動(dòng)錐形卷膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)揭膜,從而近似恒拉力揭膜,可通過控制電機(jī)電流使揭膜電機(jī)輸出恒扭矩。由于地膜的使用情況、厚度、強(qiáng)度等因素不同,其拉斷力不盡相同。為了使揭膜機(jī)揭膜時(shí)能可靠地揭起不同強(qiáng)度的地膜,可設(shè)置揭膜機(jī)的揭膜拉力。

通過檢測(cè)揭膜電機(jī)的電流,控制系統(tǒng)根據(jù)電流與揭膜拉力之間的關(guān)系可計(jì)算出相應(yīng)的揭膜拉力。控制系統(tǒng)將檢測(cè)的揭膜電機(jī)電流反饋給單片機(jī),可實(shí)現(xiàn)對(duì)揭膜電機(jī)的閉環(huán)控制,從而增加控制的精準(zhǔn)度。電機(jī)電流選用電流令。當(dāng)電池電壓達(dá)到要求時(shí),主程序?qū)z測(cè)工作開關(guān)是否閉合,若工作開關(guān)斷開,主程序?qū)㈥P(guān)掉單片機(jī)的PWM模傳感器ACS712檢測(cè)電流大小。由于左右兩側(cè)揭膜電機(jī)獨(dú)立控制,需要分別檢測(cè)其電流值,因此電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了2塊電流傳感器ACS712。ACS712由5 V電壓供電,通過IP+引腳和IP-引腳串聯(lián)于被測(cè)電路中,被測(cè)電流經(jīng)IP+引腳輸入和IP-引腳輸出。IP+和IP-之間設(shè)置了1個(gè)霍爾元件,電流從霍爾元件附件流過時(shí),電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁信號(hào),并經(jīng)過后續(xù)信號(hào)還原及放大由VIOUT引腳輸出1個(gè)電壓信號(hào)。

揭膜機(jī)的行走速度可由霍爾傳感器測(cè)出。揭膜機(jī)行走輪輪側(cè)安裝了磁鐵盤,盤上均布著12個(gè)小磁鐵,當(dāng)小磁鐵經(jīng)由霍爾傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)霍爾脈沖信號(hào),單片機(jī)可通過檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)小磁鐵的通過個(gè)數(shù)即霍爾脈沖信號(hào)個(gè)數(shù),或者計(jì)時(shí)相鄰兩個(gè)霍爾脈沖信號(hào)之間的時(shí)間,從而計(jì)算出行走輪的轉(zhuǎn)速。

揭膜機(jī)除了電源開關(guān),還需設(shè)置工作開關(guān),以給控制系統(tǒng)下達(dá)工作指示。單片機(jī)通過檢測(cè)引腳的高低電平信號(hào)決定是否啟動(dòng)電機(jī)工作。工作開關(guān)斷開時(shí),開關(guān)檢測(cè)引腳為高電平;工作開關(guān)接通時(shí),開關(guān)檢測(cè)引腳為低電平。

鋰電池是揭膜機(jī)控制系統(tǒng)和揭膜電機(jī)的供電電源,因此控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控鋰電池的電壓,以判斷鋰電池剩余電量狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到電池電壓過低時(shí),控制系統(tǒng)需要提示用戶電量不足,并不進(jìn)行后續(xù)工作。電池電壓采用電阻分壓檢測(cè)(見圖2),R13和R14接入電池,通過檢測(cè)電池在R14上的分壓即可轉(zhuǎn)換為電池電壓;單片機(jī)通過A/D模塊檢測(cè)R14的電壓值,選擇的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道為RB5/AN11,電容C8是濾波電容。

在多種情況下,揭膜機(jī)需要向操作人員進(jìn)行報(bào)警提示,如當(dāng)控制系統(tǒng)上電后,工作指示燈亮,表明系統(tǒng)的正常狀態(tài);當(dāng)電池電壓過低時(shí),蜂鳴器鳴叫,工作指示燈閃動(dòng),提示用戶電池電量不足;當(dāng)操作人員推動(dòng)揭膜機(jī)揭膜時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)其行走速度,若行走速度不在設(shè)置范圍內(nèi),控制系統(tǒng)會(huì)以蜂鳴器鳴叫和工作指示燈閃爍的不同頻率,提示用戶。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

輕簡(jiǎn)式煙田苗期揭膜機(jī)的控制系統(tǒng)的主要功能有揭膜機(jī)揭膜拉力設(shè)置、揭膜電機(jī)恒流控制、行走速度檢測(cè)及其操作指示、電池欠壓保護(hù)及其報(bào)警提示等。控制系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

控制系統(tǒng)上電后,主程序首先對(duì)單片機(jī)PIC18F23K22進(jìn)行初始化,初始化后的每次主程序循環(huán)都要清看門狗WDT;接下來主程序調(diào)用電池電壓檢測(cè)子程序檢測(cè)電池電壓,并決定程序是否繼續(xù)進(jìn)行和做出電池欠壓保護(hù)和報(bào)警提示相關(guān)指令。當(dāng)電池電壓達(dá)到要求,主程序?qū)z測(cè)工作開關(guān)是否閉合,若工作開關(guān)斷開,主程序?qū)㈥P(guān)掉單片機(jī)的PWM模塊,使揭膜電機(jī)停機(jī);若開關(guān)閉合主程序?qū)⒃试SINT2外部中斷和TMR0中斷,以檢測(cè)揭膜機(jī)的行走速度。然后主程序調(diào)用揭膜拉力設(shè)置檢測(cè)子程序,控制系統(tǒng)獲得操作人員設(shè)置的揭膜拉力后,將使能PWM模塊,使揭膜電機(jī)保持驅(qū)動(dòng)狀態(tài);接下來主程序調(diào)用電流檢測(cè)子程序?qū)ψ笥覂蓚?cè)的揭膜電機(jī)的輸出電流分別進(jìn)行采樣檢測(cè),并分別將采樣值送至恒流控制子程序中的相關(guān)寄存器。在恒流控制子程序中,控制系統(tǒng)將對(duì)電流采樣值進(jìn)行計(jì)算處理來調(diào)節(jié)PWM的占空比,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)揭膜電機(jī)的恒流控制。主程序最后調(diào)用行走快慢報(bào)警提示子程序,根據(jù)中斷服務(wù)程序測(cè)出的行走速度對(duì)操作人員進(jìn)行提示,然后進(jìn)入下一個(gè)主程序循環(huán)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

驗(yàn)數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 恒扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

揭膜機(jī)揭膜時(shí),揭膜電機(jī)通過恒扭矩驅(qū)動(dòng)錐形卷膜輥揭膜,從而實(shí)現(xiàn)以近似恒拉力揭膜的目的,以保證可靠、揭膜而不斷膜。因此,在揭膜機(jī)整機(jī)試驗(yàn)之前,需要單獨(dú)測(cè)試揭膜機(jī)控制系統(tǒng)的恒扭矩控制性能,以測(cè)試其恒扭矩控制精準(zhǔn)度。由于揭膜電機(jī)恒扭矩輸出由控制系統(tǒng)恒流控制程序?qū)崿F(xiàn),在進(jìn)行揭膜機(jī)恒扭矩控制試驗(yàn)時(shí)需要設(shè)置并檢測(cè)揭膜電機(jī)電流。恒扭矩試驗(yàn)時(shí)將地膜纏繞在揭膜機(jī)錐形卷膜輥上,在不同的電流設(shè)定值下啟動(dòng)揭膜電機(jī),測(cè)試揭膜拉力和揭膜電機(jī)電流及PWM的占空比。試驗(yàn)的主要設(shè)備有:揭膜機(jī)樣機(jī)、數(shù)字測(cè)力計(jì)、數(shù)字示波器、直流電流表。

由表1的數(shù)據(jù)可得到設(shè)置電流與PWM占空比及設(shè)置電流與理論揭膜拉力和實(shí)際揭膜拉力的趨勢(shì),如圖4所示。由圖4可知:當(dāng)設(shè)置電流增大,PWM的占空比和揭膜拉力皆呈近似線性比例增大,而控制系統(tǒng)即是通過調(diào)節(jié)PWM的占空比使揭膜電機(jī)電流恒定在設(shè)置值,從而使揭膜電機(jī)恒扭矩驅(qū)動(dòng)錐形卷膜輥,使之以近似恒拉力揭膜。

圖4 設(shè)置電流趨勢(shì)

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種輕簡(jiǎn)式煙田苗期揭膜機(jī),包括揭膜系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和行走系統(tǒng)。揭膜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)揭膜和卸膜功能,主要由錐形卷膜輥、揭膜電機(jī)、揭膜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、卡膜盤和集膜機(jī)構(gòu)組成。控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)揭膜電機(jī)的獨(dú)立控制,使揭膜電機(jī)恒扭矩驅(qū)動(dòng)錐形卷膜輥,使其達(dá)到不損壞膜而可以揭膜的作用。行走系統(tǒng)提供支撐和移動(dòng)功能,使其平穩(wěn)行走。

2)揭膜機(jī)恒扭矩試驗(yàn)表明:揭膜機(jī)平均恒扭矩控制誤差為5.02%,揭膜性能較好,能實(shí)現(xiàn)殘地膜回收。