羅　成，劉志剛，2

( 1.南昌工學(xué)院，南昌　330108；2.南昌大學(xué)，南昌　330031)

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果蔬包裝機智控系統(tǒng)的設(shè)計與研究——基于嵌入式ARM

羅成1，劉志剛1，2

( 1.南昌工學(xué)院，南昌330108；2.南昌大學(xué)，南昌330031)

摘要：果蔬產(chǎn)業(yè)在我國農(nóng)產(chǎn)品中占據(jù)著重要的市場地位，對我國經(jīng)濟發(fā)展起著積極的促進作用。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，出于對健康的考慮，人們對果蔬產(chǎn)品的質(zhì)量、新鮮程度和食用安全的要求也在提高，逐漸開始看重果蔬類產(chǎn)品的外形包裝。為了實現(xiàn)果蔬產(chǎn)品的快速包裝及減少果蔬產(chǎn)品因與機械直接接觸引起的二次污染，設(shè)計和研發(fā)可以獨立自主包裝果蔬的機械設(shè)備顯得尤為重要。為此，基于嵌入式ARM中的AT91SAM9263處理器，設(shè)計了果蔬包裝機的智控系統(tǒng)，其集機械電子、智能測試和光電傳感等多種學(xué)科于一體，具有自動化程度高、精度優(yōu)、穩(wěn)定性強及可靠性高等特點，能較大程度地提高包裝質(zhì)量，且可以完成對不同種類產(chǎn)品的包裝，提高了包裝作業(yè)的效率，為果農(nóng)降低了經(jīng)濟成本。

關(guān)鍵詞：果蔬包裝機；智控系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；光電傳感；ARM；AT91SAM9263

0引言

受社會經(jīng)濟高速發(fā)展的影響，人們生活水平有了很大程度的提高，國民開始注重養(yǎng)生，對綠色果蔬的需求量逐漸增多，同時也越來越注重果蔬的質(zhì)量和包裝。果蔬產(chǎn)業(yè)作為我國第二大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，其包裝形式也開始備受消費者關(guān)注，包裝精美、質(zhì)量優(yōu)的果蔬深受消費者的喜愛，消費者需求的改變給包裝產(chǎn)業(yè)帶了新的發(fā)展機遇。目前，已有的包裝機械已經(jīng)發(fā)展數(shù)百年，涵蓋了煙草、食品、日用品和醫(yī)藥等多種領(lǐng)域，取得了很大成就；但果蔬包裝機械，仍存在著機器成套性差、包裝效率低、人工操作難度大等缺點，很難做到質(zhì)量和效率同高。本文設(shè)計和研究了基于嵌入式ARM的果蔬包裝機，包裝對象主要為水果和蔬菜，具有包裝速度快、包裝精美和成本低等顯著優(yōu)點，且解決了手工包裝效果不佳、效率低的問題。

1果蔬包裝機智控系統(tǒng)整體設(shè)計

果蔬包裝機智控系統(tǒng)需要實現(xiàn)對果蔬產(chǎn)品的自動包裝，主要包括包裝機的結(jié)構(gòu)、智能控制部分和包裝過程中的工藝流程等部分。

果蔬包裝機關(guān)鍵構(gòu)件主要包括果蔬傳送帶、減速器、輸膜軸輪、光敏傳感器、縱向封切機、壓運軸帶、橫向封切機和產(chǎn)品計數(shù)器等，如圖1所示。

1.果蔬產(chǎn)品　2.傳送帶　3.減速器　4.計數(shù)器與產(chǎn)品輸出口

各構(gòu)件功能如下：

1)果蔬傳送帶。主要包括伺服電機和傳輸帶，完成對果蔬產(chǎn)品的向前運輸，將果蔬產(chǎn)品順利送到包裝成型器內(nèi)。

2)輸膜軸輪。主要用來傳輸果蔬包裝塑料薄膜，其結(jié)合縱向封切機，可以準確完成對果蔬產(chǎn)品的包裝，減少因為包裝塑料薄膜松軟造成的包裝偏差。

3)減速器。在傳送帶傳送果蔬產(chǎn)品時，因為塑料薄膜摩擦力的不一致，會引起果蔬產(chǎn)品和包裝膜前行速度不同步，此時需要減速器調(diào)整傳送帶運轉(zhuǎn)速度，迫使果蔬產(chǎn)品和塑料薄膜同步前行，完成包裝作業(yè)過程的一致性。

4)光敏傳感器。主要對塑料薄膜進行準確監(jiān)測，檢測包裝膜是否用完，提醒操作工人及時更換，避免因沒有包裝薄膜而導(dǎo)致漏包裝。

5)縱向封切機。可以對塑料薄膜進行縱向切割，通過加熱完成對包裝薄膜的縱向封合；其軸承還可以牽引塑料薄膜向前運動，減少因塑料薄膜材質(zhì)不同引起的偏歪。

6)壓運軸帶。可以對縱向切割熱封的塑料薄膜進行拉平處理，從而減少因塑料薄膜不平引起的外觀瑕疵。

7)橫向封切機。經(jīng)過縱向封切機熱封過的包裝袋，還剩兩端沒有封口，要完成整個包裝過程，則需要橫向封切機對兩端進行封口。橫向封切機需要有一定的紋理，以保證熱封的質(zhì)量，避免因封口不良導(dǎo)致包裝袋損壞，同時也可使包裝外觀更加精美。

8)產(chǎn)品計數(shù)器。對已經(jīng)包裝并輸出的整包產(chǎn)品進行計數(shù)，計算總共包裝的產(chǎn)品數(shù)量。

2 果蔬包裝機工藝流程

果蔬包裝機智能控制系統(tǒng)主要包括嵌入式ARM處理器、人機交互系統(tǒng)、伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)和信號采集等4個模塊，框架如圖2所示。

圖2　果蔬包裝機智能控制框架圖

果蔬包裝機包裝產(chǎn)品時需要3邊熱封，并且可以根據(jù)各類產(chǎn)品自動形成成型包裝袋。其三維立體圖如圖3所示。

圖3　果蔬包裝機三維立體圖

果蔬包裝機實際上是一條包裝流水作業(yè)線，其工藝流程如圖4所示。

圖4　包裝工藝流程圖

果蔬包裝機包裝主要包括包裝膜成型制袋、裝載待包裝產(chǎn)品、封切、包裝成袋及計數(shù)等工藝流程。具體如下：塑料薄膜由輸膜軸輪送入包裝成型器內(nèi)并成型制袋，待包裝產(chǎn)品由果蔬傳送帶送入包裝線；果蔬傳送帶上的推送裝置將產(chǎn)品送入已成型制袋的塑料薄膜內(nèi)，在傳送帶和壓運裝置的牽引下塑料薄膜和待包裝產(chǎn)品向包裝線尾部移動；待包裝產(chǎn)品和塑料薄膜由光敏傳感器判斷位置，當(dāng)檢測其運行到縱向封切機的位置時，縱向封切裝置對已經(jīng)裝載產(chǎn)品的塑料薄膜進行縱向封口，上下帶有縫合作用的嚙合對塑料薄膜進行壓封，同時對縱向封切裝置的滾輪進行加熱，經(jīng)過一系列的加熱加壓完成縱向封口；繼續(xù)運行到橫向封切位置時，由橫向封切對塑料薄膜進行橫向封切；完全包裝好的產(chǎn)品由輸出口輸出，并由產(chǎn)品計數(shù)器對其計數(shù)。

3智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

果蔬包裝機智控系統(tǒng)的硬件包括AT91SAM9263處理器、伺服電機驅(qū)動電路、變頻器、開關(guān)電源、光敏傳感器、溫敏傳感器、繼電器及電源濾波器等，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　果蔬包裝機智控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在電子技術(shù)高速發(fā)展過程中，嵌入式技術(shù)也獲得快速的發(fā)展，其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟；而ARM處理器在32位處理器中又有其獨特的特點，其功耗低、處理能力強、速度快。AT91SAM9263處理器采用RISC架構(gòu)，程序移植能力強大，指令更加簡潔，運行速度更快，效率更高。

本系統(tǒng)軸輪驅(qū)動電機采用交流伺服電機，驅(qū)動系統(tǒng)主要包括控制、驅(qū)動、通信和檢測反饋等部分，功能框架如圖6所示。

圖6　伺服電機驅(qū)動框架圖

伺服電機與伺服驅(qū)動系統(tǒng)為一個整體，一般需要根據(jù)性能綜合考慮，選擇伺服電機時主要需要考慮其最大轉(zhuǎn)速R及功率W。

傳送帶輸送包裝膜時需要考慮的最大轉(zhuǎn)速為

(1)

其中，Rmax為輸送塑料薄膜的最大轉(zhuǎn)速；L為產(chǎn)品包裝袋的長度；W為整個伺服驅(qū)動系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的最大功率；d為傳送塑料薄膜的軸輪長度；μ為塑料薄膜損耗補償率。

包裝線正常運轉(zhuǎn)時所需要的最大功率為

(2)

其中，J1為交流伺服電機的扭矩慣量；J2為熟料薄膜的扭矩慣量；v為交流伺服電機的運轉(zhuǎn)速度；t為傳動比。

4智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

果蔬包裝機采用AT91SAM9263處理器為控制器，用戶可以用其建立、調(diào)試、檢查程序，且程序的移植非常方便，大大節(jié)省了程序開發(fā)和調(diào)試的時間。果蔬包裝機智控系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

5果蔬包裝機封切設(shè)計

果蔬包裝機智控系統(tǒng)封切主要需要考慮其封切的準度及封切時的溫度。封切溫度是包裝工序中最重要的部分，直接確定了包裝的精美程度和包裝的精準度；封切的準度主要考慮的是對包裝塑料薄膜的加熱控制。對包裝塑料薄膜的加熱封切需要采用高壓和高熱使其包裝口融化后封接起來融為一體，一般以包裝袋的密封時間和外觀評價封切的質(zhì)量。果蔬包裝機智控系統(tǒng)封切示意如圖8所示。

圖7　果蔬包裝機智控系統(tǒng)軟件流程

圖8　智控系統(tǒng)封切控制示意圖

果蔬包裝機智能控制系統(tǒng)采用PID控制算法，采用熱電偶的方式對加熱溫度進行監(jiān)測反饋，通過溫度控制系統(tǒng)驅(qū)動繼電器對橫、縱向進行封切操作，具有控制直接、效率高、可靠性強及穩(wěn)定性好等特點。

6實驗與分析

研制的果蔬包裝機在包裝實驗中，包裝物料的標準為高度80mm、袋長200mm、寬度130mm，判定參數(shù)主要針對包裝效率及外觀。試驗結(jié)果如表1所示。

表1果蔬包裝機實驗結(jié)果

Table 1The experimental results of packaging machine for fruits and vegetables

測量項數(shù)量百分比/%不良品袋數(shù)露包282.33外觀不良322.67良品袋數(shù)114095.00包裝效率158袋/min

在整個實驗過程中共包裝了1 200袋產(chǎn)品，其中有28袋是在包裝過程中沒有完整包裝的，32袋外觀有問題，完成包裝的良品數(shù)有1 140袋，良品率高達95%，計數(shù)準確，測試不良率在最大限度內(nèi)。實驗數(shù)據(jù)表明：果蔬包裝機智控系統(tǒng)運行正常、效率高、整體性能良好。

7結(jié)論

基于嵌入式AT91SAM9263控制器，設(shè)計和開發(fā)了果蔬包裝機智控系統(tǒng)，從果蔬包裝機的整體設(shè)計、工藝流程到包裝機的核心構(gòu)件進行了設(shè)計研究。為了實現(xiàn)對溫度和伺服電機的精準控制，高質(zhì)量地完成包裝作業(yè)，設(shè)計和開發(fā)了整個控制系統(tǒng)。實驗表明：果蔬包裝機智控系統(tǒng)符合包裝作業(yè)要求，可以保證包裝流程有條理地進行，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、性能優(yōu)、效率高、包裝精美等優(yōu)點。

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Design and Research of Intelligent Control System for Fruit and Vegetable Packaging Machine——Based on Embedded ARM

Luo Cheng1, Liu Zhigang1,2

(1.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 2.Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract：In recent years, China has made great progress in the fruit and vegetable industry, people's demand for fruit and vegetable products is second only to food.The fruit and vegetable industry occupies an important market position in China's agricultural products, and China's economic development plays an active role in promoting agricultural products. As a fruit and vegetable exporting country, China’s fruit and vegetable variety is complete, and the resources are also very rich,which is the world's most fruits and vegetables export. With the development of our economy, people's demand for fruits and vegetables is gradually increasing. The requirements for the quality of fruits and vegetables, fresh degree and food safety are also increased. At the same time, people gradually begin to value the shape of fruit and vegetable products. In order to achieve the rapid packaging of fruit and vegetable products and reduce the second pollution caused by the direct contact with the machine, the design and development of the mechanical equipment is particularly important. The AT91SAM9263 processor was used to design and research of the fruit and vegetable packing machine intelligent control system, the mechanical and electronic, intelligent test and a photoelectric sensor on various subjects based on ARM embedded.With a high degree of automation, high technology content, better accuracy and stability, high by features,it can greatly improve the quality of packaging, complete on different kinds of products packaging with strong adaptability.It not only improves the efficiency of packaging operations, but also savse the economic costand for farmers.

Key words：fruit and vegetable packaging machine; intelligent control system; embedded system; photoelectric sensor; ARM; AT91SAM9263

中圖分類號：S229

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0198-05

作者簡介：羅成(1983-)，男，江西豐城人，副教授，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人， 副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41505015)

收稿日期：2015-08-26