梅李爽，任 玲，常晨哲，鄭義洪，蔡華強(qiáng)，梁開放

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

0 引言

移栽作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，研究移栽機(jī)漏苗及補(bǔ)苗系統(tǒng)可以制造出相應(yīng)的移栽機(jī)，完善全自動(dòng)移栽機(jī)性能[1]，大范圍使用移栽機(jī)可以解放生產(chǎn)力，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益[2]，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及機(jī)械化水平的提高有重大的意義。

歐美的一些發(fā)達(dá)國家依靠其本身的技術(shù)與資金方面的優(yōu)勢(shì)，已成功研制出多種類型的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)系統(tǒng)，并廣泛用于生產(chǎn)實(shí)踐，研制移栽機(jī)自動(dòng)化程度較高，但其通用性比較差，整體結(jié)構(gòu)，控制部分復(fù)雜，價(jià)格昂貴[3-4]，對(duì)操作人員素質(zhì)要求較高，難以適應(yīng)我國目前的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平。國內(nèi)的漏苗檢測系統(tǒng)已較為成熟，但補(bǔ)苗系統(tǒng)仍有缺陷，目前已研制出基于機(jī)器視覺的穴盤苗定位檢測系統(tǒng)，以及基于Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于快速移栽系統(tǒng)[5]。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)提出利用光電傳感器檢測移栽機(jī)接苗帶上是否漏苗，由51單片機(jī)作為控制器控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)苗并由光電傳感器檢測是否補(bǔ)苗成功的控制系統(tǒng)。利用光電傳感器檢測接苗帶上是否漏苗[6]，如果沒有苗，傳感器開關(guān)發(fā)出信號(hào)給單片機(jī)，同時(shí)單片機(jī)上的蜂鳴器報(bào)警，單片機(jī)將漏苗信號(hào)傳給LED燈顯示并控制數(shù)碼管顯示漏苗數(shù)量加1，然后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)苗帶進(jìn)行補(bǔ)苗并檢測是否補(bǔ)苗成功，補(bǔ)苗檢測成功傳感器將信號(hào)傳給單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示缺苗數(shù)量減1，單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示最終的缺苗數(shù)量。

1.2 工作流程圖

該系統(tǒng)整體工作流程見圖1。

圖1 整體系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 檢測環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)說明

檢測環(huán)節(jié)分為兩步：（1）檢測接苗帶穴孔中是否有苗，如果沒有苗將該缺苗信息由傳感器傳給單片機(jī)控制中心，由控制中心做出相應(yīng)處理；（2）第二次檢測是在步進(jìn)電機(jī)補(bǔ)苗之后，在補(bǔ)苗處進(jìn)行是否補(bǔ)苗成功的檢測，補(bǔ)苗成功或失敗會(huì)將相應(yīng)的信號(hào)傳給單片機(jī)控制中心的數(shù)碼管，點(diǎn)亮數(shù)碼管以此作為顯示裝置。

2.1.1 檢測傳感器安裝位置及選型

為使檢測環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測避免無關(guān)干擾，本設(shè)計(jì)安裝光電傳感器檢測幼苗莖部，選擇型號(hào)為E18-D80NK型的光電傳感器，根據(jù)不同幼苗以及苗間距調(diào)節(jié)光電傳感器的靈敏度和檢測距離實(shí)現(xiàn)對(duì)接苗帶上漏苗數(shù)量的精準(zhǔn)檢測。

本文以辣椒幼苗做為檢測對(duì)象進(jìn)行相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)[7]，根據(jù)對(duì)辣椒幼苗生長狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀察以及查找相關(guān)資料得到辣椒幼苗最宜移栽時(shí)間為幼苗露地50～70天。此時(shí)幼苗較壯，苗高15～20cm，莖粗3.7～3.9mm，有6～10片葉，單葉面積平均700 mm2，已經(jīng)現(xiàn)蕾開花，根系發(fā)達(dá)。

圖2 辣椒幼苗生長形態(tài)參數(shù)

由以上數(shù)據(jù)可得出幼苗生長過程中幼苗的莖部變化不明顯，以莖部作為檢測部位檢測結(jié)果數(shù)據(jù)最為可靠[8-9]。

2.2 控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)組成及硬件選型

根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，由兩個(gè)傳感器進(jìn)行漏苗檢測和補(bǔ)苗檢測，當(dāng)一個(gè)傳感器在接苗帶檢測到漏苗后單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作并控制單片機(jī)自帶的數(shù)碼管加1同時(shí)控制蜂鳴器發(fā)聲；當(dāng)另一個(gè)傳感器在補(bǔ)苗帶檢測到苗落下后單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作并控制單片機(jī)自帶的數(shù)碼管減1，當(dāng)數(shù)碼管顯示數(shù)值為零即所有漏苗處全部補(bǔ)上苗時(shí)控制蜂鳴器不再發(fā)聲。硬件部分主要由單片機(jī)，傳感器，數(shù)碼管，蜂鳴器和步進(jìn)電機(jī)組成。單片機(jī)型號(hào)采用STC90C516RD+系列單片機(jī)。

2.2.2 精準(zhǔn)補(bǔ)苗控制

為保證補(bǔ)苗過程的精準(zhǔn)性，需要依靠公式及數(shù)據(jù)和一系列仿真的支撐。由實(shí)驗(yàn)需要結(jié)合實(shí)際得出如下公式：

（1）輸苗帶部分

步進(jìn)電機(jī)的齒輪數(shù)為Z，步進(jìn)電機(jī)通電一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距，相當(dāng)于空間上轉(zhuǎn)過360/Z，即每運(yùn)行一拍，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度只是齒距的1/N，N為拍數(shù)，因此歩距角A為：

式中 N=Cm，C—通電狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)采用單拍或雙拍時(shí)，C=1，而采用單、雙拍時(shí)，C=2，m 為相數(shù)。

給步進(jìn)電機(jī)通電來控制輸苗帶和補(bǔ)苗帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，可認(rèn)為是速度控制，給步進(jìn)電機(jī)送入的是連續(xù)脈沖，各項(xiàng)繞組輪流通電，步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。由公式（1）可知，每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個(gè)圓周的N/Z，也就是轉(zhuǎn)過N/Z轉(zhuǎn)，因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)即轉(zhuǎn)速為：

式中 n—轉(zhuǎn)速，r/min；f為控制脈沖頻率，即每秒鐘輸入脈沖數(shù)。

輸苗帶上的傳送速度v為：

式中 v—輸苗帶運(yùn)動(dòng)速度，m/s；R為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分的半徑，m。

（2）補(bǔ)苗帶部分

建立在理想及實(shí)際無法得知準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的情況下，計(jì)算時(shí)忽略各類運(yùn)動(dòng)阻力，如空氣阻力；選取理想的情況進(jìn)行計(jì)算。

補(bǔ)苗帶是建立在輸苗帶上方H高度的地方，當(dāng)補(bǔ)苗時(shí)，苗在空中需要一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)才能落進(jìn)輸苗帶上的苗坑里。

式中 t—苗下落時(shí)間，s；H—補(bǔ)苗帶與輸送帶之間的高度差，m；g為重力加速度，m/s2。

為保證補(bǔ)苗精確性，因?yàn)樵谘a(bǔ)苗下落的過程會(huì)有一個(gè)水平方向上的位移，而又因?yàn)檠a(bǔ)苗帶和輸苗帶是同樣的電機(jī)，在理想情況下，補(bǔ)苗水平速度是v，即在補(bǔ)苗下落時(shí)間t時(shí)間內(nèi)，補(bǔ)苗的水平位移為加上漏苗坑的位移X，公式表達(dá)如下：

式中 X—漏苗檢測傳感器與補(bǔ)苗帶出苗處之間的水平距離，m。

為保證實(shí)驗(yàn)中補(bǔ)苗的精準(zhǔn)性，根據(jù)公式（5）來設(shè)置距離X，由公式（5）亦可看出，在步進(jìn)電機(jī)確定的情況下，X是根據(jù)補(bǔ)苗帶與輸苗帶之間的高度差H的變化而變化的。

3 軟件部分

3.1 使用的軟件

使用proteus（整體設(shè)計(jì)的仿真）和MATLAB（拋物線的圖）兩種軟件來進(jìn)行仿真。通過MATLAB對(duì)補(bǔ)苗過程中忽略空氣阻力和一定摩擦的理想情況下苗的軌跡進(jìn)行研究，從而得到較為精準(zhǔn)的苗的軌跡圖和苗的下落點(diǎn)及下落時(shí)間。通過使用proteus軟件，對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的仿真，并可以通過proteus的仿真檢查出一些不必要的錯(cuò)誤，從而進(jìn)行改正，避免了不必要的麻煩，提高了項(xiàng)目的準(zhǔn)確性，可靠性和實(shí)際性。

3.2 控制流程圖

圖3 控制流程圖

3.3 MATLAB仿真

補(bǔ)苗過程中苗的軌跡如圖4，在忽略阻力的理想情況下為一個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)。0點(diǎn)為苗剛飛出補(bǔ)苗帶的位置，高度為補(bǔ)苗帶與輸苗帶間的距離H。

3.4 Proteus仿真

Proteus仿真圖如圖5。系統(tǒng)開始工作時(shí)，光敏傳感器開始進(jìn)行漏苗檢測，當(dāng)有漏苗信號(hào)傳遞給單片機(jī)時(shí)，圖5中的控制臺(tái)開始給單片機(jī)信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)工作并控制數(shù)碼管顯示屏顯示數(shù)值加1，步進(jìn)電機(jī)控制補(bǔ)苗帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行補(bǔ)苗，同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)苗檢測，檢測到需要進(jìn)行補(bǔ)苗時(shí)，將有補(bǔ)苗信號(hào)控制電機(jī)工作，數(shù)碼管顯示屏數(shù)值減1。

圖4 拋物線圖

圖5 proteus仿真

4 單片機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

試驗(yàn)開始時(shí)漏苗檢測的傳感器處于被遮擋的狀態(tài)，傳感器的鏡頭對(duì)準(zhǔn)移栽幼苗的莖部。實(shí)驗(yàn)開始后，隨著接苗帶的運(yùn)動(dòng)，傳感器由被遮擋的狀態(tài)變?yōu)椴槐徽趽醯臓顟B(tài)并保持一定的時(shí)間，這段時(shí)間為苗與苗的間隔，同時(shí)也是程序中的延時(shí)時(shí)間。當(dāng)這段時(shí)間過去后，如果缺苗，那么程序就會(huì)接收到缺苗的信號(hào)，單片機(jī)就會(huì)控制數(shù)碼管數(shù)值加1并控制蜂鳴器發(fā)聲，同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作一下，實(shí)現(xiàn)漏苗檢測以及補(bǔ)苗控制。對(duì)于補(bǔ)苗檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)開始時(shí)補(bǔ)苗檢測的傳感器處于不被遮擋的狀態(tài)，傳感器的鏡頭位于移栽幼苗在補(bǔ)苗帶上的位置的前方，同時(shí)補(bǔ)苗帶的前方有一個(gè)圓筒將補(bǔ)苗帶包起來，只要有苗通過，則苗必然通過圓筒到達(dá)指定的補(bǔ)苗點(diǎn)。試驗(yàn)開始后，隨著補(bǔ)苗帶的運(yùn)動(dòng)，傳感器由不被遮擋的狀態(tài)快速變?yōu)楸徽趽醯臓顟B(tài)并保持一定的時(shí)間，這段時(shí)間為通過苗的高度所用時(shí)間，因?yàn)槊缡翘稍谘a(bǔ)苗帶上的，因此時(shí)間較長。傳感器的鏡頭再次由被遮擋的狀態(tài)變?yōu)椴槐徽趽醯臓顟B(tài)并保持一定的時(shí)間，這段時(shí)間為苗與苗的間隔的一半，同時(shí)也是程序中的延時(shí)時(shí)間，當(dāng)這段時(shí)間過去后，如果有這兩個(gè)過程，那么程序就會(huì)接受到補(bǔ)苗的信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)就會(huì)控制數(shù)碼管數(shù)值減1并控制步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)研究的移栽機(jī)漏苗檢測及補(bǔ)苗控制系統(tǒng)可以制造出相應(yīng)的移栽機(jī)，完善全自動(dòng)移栽機(jī)的性能，大范圍使用移栽機(jī)可以解放勞動(dòng)力，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益[10]，也可為以后全自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展與完善提供參考。