劉領(lǐng)濤

【摘 要】針對(duì)大蒜濕地自走式覆膜機(jī)對(duì)覆膜的特殊要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外實(shí)際情況和常規(guī)技術(shù)，對(duì)該自走式覆膜機(jī)的整體造型、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)了對(duì)自走式覆膜機(jī)整體結(jié)構(gòu)、覆膜輪等主要零部件的分析及設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)采用ARM單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)直流伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，同時(shí)配備了兩個(gè)編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)覆膜機(jī)和地膜釋放的速度，實(shí)現(xiàn)了覆膜機(jī)行走速度的穩(wěn)定、可調(diào)，提高了覆膜的效率和可靠性。

【關(guān)鍵詞】自走式；濕地覆膜機(jī)；ARM單片機(jī)

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）24-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.009

【Abstract】According to the special requirements of garlic wetland self-propelled film mulching machine， combined with the actual situation at home and abroad and conventional technology， the overall modeling， mechanical structure and control system of the self-propelled film mulching machine were studied and designed. The mechanical part realizes the analysis and design of the integral structure of the self-propelled Film-covering machine and the main parts such as the Film-covering wheel.The control system uses ARM single chip microcomputer as the control core， and drives the servo motor by DC servo driver.At the same time， it is equipped with two encoders to monitor the speed of film mulching machine and film release in real time.The running speed of film mulching machine is stable and adjustable， and the efficiency and reliability of film mulching are improved.

【Key words】Self propelled；Wetland laminating machine；ARM single chip microcomputer

0 引言

為了使大蒜在種植后發(fā)芽效率更高、后期生長(zhǎng)的更快、減少雜草的大量生長(zhǎng)、在北方更好的越冬，我國(guó)種植大蒜的地域絕大部分都對(duì)大蒜進(jìn)行濕地覆膜。覆膜的最佳時(shí)機(jī)是在剛剛種上大蒜且進(jìn)行了第一次灌水后。傳統(tǒng)的覆膜方法目前有兩種，一種是人工用切板進(jìn)行覆膜，這種方法效率低下且質(zhì)量千差萬(wàn)別、與人工覆膜技術(shù)密切相關(guān)；另一種覆膜方法是半自動(dòng)覆膜，利用手推車，但是需要人踩在剛剛覆了膜的濕地上，這樣很容易對(duì)剛剛鋪上的地膜造成破壞，同時(shí)會(huì)影響大蒜的出芽率。基于目前的這兩種覆膜方法的缺點(diǎn)，本文利用直流伺服電機(jī)做動(dòng)力、以ARM單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，研究并設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì)性好、效率高、全自動(dòng)、濕地自走式覆膜機(jī)。

1 覆膜機(jī)整體結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

覆膜機(jī)整體結(jié)構(gòu)由車架、懸架、地膜支撐桿、車輪、直流伺服電機(jī)、編碼器、蓄電池及電控箱等部分組成，機(jī)器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。車軸1的一端各裝設(shè)一個(gè)編碼器，地膜支撐桿的一端裝設(shè)一個(gè)編碼器，這兩個(gè)編碼器分別采集覆膜機(jī)的行走速度信號(hào)和地膜旋轉(zhuǎn)的速度信號(hào)，兩個(gè)速度信號(hào)經(jīng)過(guò)比對(duì)后若在允許范圍內(nèi)，則覆膜機(jī)可在接收到啟動(dòng)信號(hào)后在直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下行駛工作。蓄電池及電源控制箱安裝在車架的正中心靠后10CM的位置，這樣可以保障覆膜機(jī)在工作中保持穩(wěn)定、平衡。懸架5可以根據(jù)所覆膜土地地勢(shì)的傾斜度進(jìn)行角度調(diào)節(jié)（如A向視圖所示），角度調(diào)節(jié)范圍在±10°范圍。

2 覆膜機(jī)車輪的研究與設(shè)計(jì)

覆膜機(jī)車輪由壓膜輪轂、切地膜輪沿兩部分組成，如圖2所示。為了保障覆膜機(jī)在壓地膜過(guò)程中不切坡地膜，切地膜輪沿采用尼龍材料制成，并由切地輪沿的中心部位間隔60—80S噴射水霧在輪沿和地膜之間，這樣解決了輪沿和地膜偶爾粘結(jié)的問(wèn)題，具體時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際土地的濕潤(rùn)狀態(tài)進(jìn)行選擇。壓膜輪轂采用不銹鋼材料制成，防止在使用過(guò)程中因生銹導(dǎo)致機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，整個(gè)覆膜機(jī)車輪的重量控制在1.3Kg-1.5Kg之間為宜。

3 電控系統(tǒng)硬件研究與設(shè)計(jì)

3.1 電控系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)為主控板和紅外線發(fā)射及接收器，電控系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。主控板以 ARM7 S3C44B0X為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各部分的綜合控制。紅外線接收模塊包括光電轉(zhuǎn)換放大器和解調(diào)電路，紅外線發(fā)射器采用脈沖寬度調(diào)制方案，將指令數(shù)據(jù)通過(guò)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)傳輸穩(wěn)定 ，能夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

S3C44B0X為三星公司推出的16/32位ARM7處理器，通過(guò)提供全面的、通用的片上外設(shè)，S3C44B0X大大減少了系統(tǒng)中除處理器以外的元器件配置，從而大大降低系統(tǒng)的成本。電源系統(tǒng)采用可以充電的蓄電池進(jìn)行供電，系統(tǒng)主控板采用核心板+底板設(shè)計(jì)方式，核心板為S3C44B0X最小工作系統(tǒng)，方便后期系統(tǒng)移植與擴(kuò)展。底板設(shè)計(jì)根據(jù)大蒜濕地覆膜機(jī)控制的實(shí)際需求對(duì) S3C44B0X 進(jìn)行硬件擴(kuò)展。

3.2 紅外發(fā)射器設(shè)計(jì)

由于指令數(shù)據(jù)時(shí)間周期較長(zhǎng)，信號(hào)頻率很低，直接發(fā)射傳送效率和距離受限，抗干擾性差，因此，必須采用二次調(diào)制方式，將指令數(shù)據(jù)通過(guò)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成較高頻率的復(fù)合信號(hào)，在通過(guò)紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線發(fā)射出去。

紅外編碼有很多種方式，本設(shè)計(jì)采用脈沖寬度調(diào)制方案，如圖4所示。這種遙控碼具有以下特征：以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進(jìn)制的“1”。 紅外遙控發(fā)射原理如圖所示。

3.3 紅外線接收端設(shè)計(jì)

接收端主要包括紅外接收模塊和解調(diào)單片機(jī)，如圖5所示。其中，紅外線接收模塊包括光電轉(zhuǎn)換放大器和解調(diào)電路。當(dāng)紅外線發(fā)射信號(hào)進(jìn)入模塊后，在其輸出端得到原先的數(shù)字控制編碼，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)解碼程序進(jìn)行解碼，便知按下那個(gè)鍵，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)輸出。輸出口1連接蜂鳴器系統(tǒng)，每成功接收到信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出一聲響聲。

4 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是在ADS1.2的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用 C 語(yǔ)言編寫的，可以在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，主控系統(tǒng)流程圖如圖6所示。整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要分以下幾部分：主控制程序、LCD程序、鍵盤限位指示燈掃描程序、脈沖發(fā)生程序、高速計(jì)數(shù)程序、485通訊程序、看門狗和 RTC程序等。系統(tǒng)主控制程序完成系統(tǒng)（硬件和軟件）的初始化、輸入口掃描、輸出口控制、485通訊和中斷服務(wù)程序。485通訊程序完成包括伺服驅(qū)動(dòng)器起?？刂瞥绦颍娏?、扭矩信息反饋程序等。與直流伺服驅(qū)動(dòng)器使用MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊，可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器的控制輸入、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定值的讀取/寫入等。RTC利用32.768kHz的外部晶振提供時(shí)鐘源，備用電源供電，使用時(shí)只要正確設(shè)置 RTC的各個(gè)寄存器即可，程序包括SetTime（）、SetDay（）、Set Week（）3個(gè)設(shè)置函數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以三星公司ARM7芯片S3C44B0X為控制核心，利用直流伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，研究設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)性好、效率高、全自動(dòng)、濕地自走式覆膜機(jī)。實(shí)現(xiàn)了0～2m/s的行駛速度可調(diào)，并設(shè)計(jì)了前進(jìn)啟動(dòng)、后退啟動(dòng)、停止、緊急停車、輪沿霧水等功能，能夠滿足大蒜濕地覆膜的使用要求。本設(shè)計(jì)對(duì)于提高國(guó)產(chǎn)大蒜濕地覆膜機(jī)的技術(shù)水平，減輕蒜農(nóng)（工作人員）勞動(dòng)強(qiáng)度，降低覆膜機(jī)制造成本具有一定的意義。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，基于該設(shè)計(jì)的大蒜濕地自走式覆膜機(jī)具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性、功能性和可靠性，能夠在保證可靠性的同時(shí)高效地進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

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