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        穴盤苗移栽機(jī)漏苗檢測及補(bǔ)苗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2018-03-06 05:48:06梅李爽常晨哲鄭義洪蔡華強(qiáng)梁開放
        新疆農(nóng)機(jī)化 2018年6期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)檢測

        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。

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