任震宇，劉宏博，韓小斌，李曉賢，何家成，何培祥

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 563000)

0 引言

煙草是以收獲葉片為目的的經(jīng)濟(jì)作物[1]，打頂抑芽則是目前煙草種植生產(chǎn)過(guò)程中普遍應(yīng)用且必不可少的農(nóng)藝步驟[2]。煙草的打頂抑芽可有效增加葉片的有效葉面積，提高煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量[3-4]。

目前，我國(guó)打頂抑芽工作普遍采用人工完成，機(jī)械化打頂抑芽在我國(guó)還處于起步階段，研究工作主要集中在高校。其中，最具代表性的是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的3YDX-3打頂抑芽機(jī)[5]，其采用拱形機(jī)架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了打頂和施藥等一體化功能。相比于國(guó)內(nèi)，國(guó)外早已實(shí)現(xiàn)了煙草打頂抑芽和煙芽收集的機(jī)械化聯(lián)合作業(yè)[6]，如美國(guó)早在1972年就已有專利保護(hù)了一種在農(nóng)業(yè)機(jī)械上掛接式的打頂抑芽設(shè)備[7-8]。由目前國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看，大多數(shù)打頂抑芽機(jī)械體積都較大，適用于平原地區(qū)的大面積耕地，對(duì)于我國(guó)西南山地丘陵地區(qū)的起伏較大零散的耕地實(shí)用性較差[9]，因此研發(fā)一種體積小、質(zhì)量輕，適用于山地丘陵地區(qū)的打頂抑芽裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；谏鲜銮闆r，本項(xiàng)目組研制了一種電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)，可快速、有效地完成打頂、施藥一體化工作。

1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)主要由打頂系統(tǒng)和抑芽噴施系統(tǒng)組成，如圖1所示。打頂系統(tǒng)主要集中在手持部分，包括剪切部件、驅(qū)動(dòng)部件和機(jī)身。剪切部件將刀片固定在直線滑塊機(jī)構(gòu)上進(jìn)行直線剪切運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)部件采用電機(jī)，利用齒輪齒條進(jìn)行直線驅(qū)動(dòng)；機(jī)身有把手和控制開(kāi)關(guān)，剪切部件位于機(jī)身前段，便于單手操作。抑芽噴施系統(tǒng)包括藥箱、藥泵、電磁閥、藥管和噴頭，藥泵安裝于藥箱下端，藥液通過(guò)藥管輸送到噴頭進(jìn)行噴施。藥泵與噴頭之間連接電磁閥，控制管路的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而控制噴藥時(shí)間及噴藥量，噴頭固定于剪切刀片下端，剪刀閉合時(shí)噴頭噴藥。

1. 剪切刀頭 2.滑塊 3.齒輪齒條 4.直線導(dǎo)軌 5.藥箱 6.噴頭 7.電機(jī) 8.控制開(kāi)關(guān) 9.把手 10.藥管 11.背帶 12.電磁閥 13.控制盒 14.藥泵 15.電池

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)主要工作流程

人工打頂抑芽主要有兩個(gè)步驟，即剪掉煙草頂端再噴施抑芽劑。該電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)要完成這兩個(gè)步驟，需要細(xì)化為多步控制動(dòng)作，主要工作流程為：首先操作人員觸動(dòng)工作開(kāi)關(guān)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，剪刀閉合；剪刀到達(dá)閉合位置后，電磁閥打開(kāi)，藥液由噴頭噴出，等待藥液噴施完畢后電磁閥關(guān)閉，停止噴藥；這時(shí)蜂鳴器鳴音提醒操作人員松開(kāi)工作開(kāi)關(guān)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，剪刀張開(kāi)，剪刀到達(dá)初始位置，電機(jī)停止。如此完成一次工作周期，如圖2所示。

圖2 主要工作流程圖

2.2 輸入信號(hào)及輸出控制項(xiàng)的確定

依據(jù)整機(jī)主要工作流程，確定輸入信號(hào)及輸出控制項(xiàng)。輸入信號(hào)考慮剪刀有張開(kāi)和閉合兩個(gè)位置，因此需要剪刀位置信號(hào)；施藥量要求在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，因此需要噴藥量調(diào)節(jié)信號(hào)；為確保機(jī)器工作穩(wěn)定性，需要電池電壓信號(hào)；準(zhǔn)備剪切動(dòng)作要觸發(fā)工作開(kāi)關(guān)，需要工作開(kāi)關(guān)信號(hào)。輸出控制項(xiàng)首先考慮剪刀進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)，需要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；施藥時(shí)控制電磁閥開(kāi)關(guān)，從而控制噴藥量；為提高機(jī)器方便性，添加蜂鳴器和指示燈，給用戶提示機(jī)器的工作狀態(tài)。

2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行輸入信號(hào)的處理及控制信號(hào)的輸出。輸入信號(hào)包括工作開(kāi)關(guān)信號(hào)、電池電壓信號(hào)、噴藥量調(diào)節(jié)信號(hào)、剪刀位置信號(hào)和電機(jī)過(guò)流信號(hào)等；輸出控制包括電機(jī)、藥泵、電磁閥、NFC無(wú)線通信模塊、蜂鳴器及指示燈等。其中，電機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，藥泵、電磁閥及蜂鳴器采用場(chǎng)效應(yīng)管控制電路進(jìn)行控制，指示燈由其相應(yīng)的控制電路進(jìn)行控制，NFC無(wú)線通信模塊主要由相應(yīng)的通訊完成。其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的選擇主要考慮引腳個(gè)數(shù)和可靠性，選用Microchip公司的PIC18F13K22作為主控芯片，其有20個(gè)引腳、16MHz內(nèi)部晶振、8K程序存儲(chǔ)器[10]。

3.1 輸入信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

3.1.1 剪刀位置信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

剪刀位置檢測(cè)采用霍爾傳感器A314E[11]，將磁鐵固定在滑塊底端，兩個(gè)傳感器分別固定于剪刀閉合張開(kāi)兩個(gè)極限位置，與滑塊上磁鐵位置相對(duì)應(yīng)。這樣，當(dāng)剪刀閉合或張開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的霍爾傳感器會(huì)產(chǎn)生電平變化信號(hào)，單片機(jī)依據(jù)這個(gè)信號(hào)可以判斷剪刀位置。剪刀位置檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。圖4中，兩霍爾傳感器信號(hào)線分別接到單片機(jī)RB4、RB5引腳上，單片機(jī)INT1引腳外接一個(gè)5V電源線，同時(shí)該引腳通過(guò)兩二極管D1、D2與RB4、RB5引腳連接。當(dāng)兩霍爾傳感器任意一個(gè)有電平變化時(shí)，中斷引腳INT1隨之發(fā)生電平變化，這樣單片機(jī)能快速處理剪刀位置信號(hào)，也方便后續(xù)編程。

3.1.2 噴藥量、開(kāi)關(guān)及電源電壓信號(hào)檢測(cè)電路

噴藥量檢測(cè)電路原理圖如圖5(a)所示。其中，噴藥量調(diào)節(jié)利用電位器R6的分壓檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)引腳AN8通過(guò)AD(Analog-to-Digital)轉(zhuǎn)換檢測(cè)電位器R6分壓變化。

開(kāi)關(guān)信號(hào)檢測(cè)電路原理圖如圖5(b)所示。其中，當(dāng)開(kāi)關(guān)k沒(méi)按下時(shí)，單片機(jī)引腳RB6檢測(cè)到的是電容C5上端的電壓，為高電平；當(dāng)開(kāi)關(guān)k按下后，電阻R9、R10間的線路接地，此時(shí)引腳RB6為低電平，以此判斷工作開(kāi)關(guān)是否被按下。

電源電壓檢測(cè)電路原理圖如圖5(c)所示。其中，電阻R7、R8將電源電壓VCC分壓成單片機(jī)可檢測(cè)的電壓信號(hào)，輸入單片機(jī)AN9引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖4 剪刀位置檢測(cè)電路原理圖

圖5 輸入檢測(cè)電路原理圖

3.2 輸出控制電路設(shè)計(jì)

3.2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電路

所選用電機(jī)額定電壓12V，輸出功率17W；選用飛思卡爾公司的MC33886作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其正常工作電壓范圍是5～40V，最大電流5A[12]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片接線電路原理圖如圖6所示。

3.2.2 電磁閥、蜂鳴器及指示燈的控制電路設(shè)計(jì)

電磁閥和控制器電路原理圖分別如圖7(a)、(b)所示。其中，電磁閥線圈和蜂鳴器都為感性負(fù)載，并入D3、D4二極管進(jìn)行續(xù)流，U1、U2為場(chǎng)效應(yīng)管，控制引腳分別為單片機(jī)的RC0和RC1，R16、R17下拉電阻用于去除場(chǎng)效應(yīng)管柵極與源極間由于電容效應(yīng)產(chǎn)生的壓差，確保場(chǎng)效應(yīng)管工作的可靠性[13]；指示燈由單片機(jī)RC2引腳直接進(jìn)行控制，如圖7(c)所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片接線電路原理圖

圖7 輸出控制電路原理圖

4 試驗(yàn)分析

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用于制作好的電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)樣機(jī)上，對(duì)其進(jìn)行噴藥量準(zhǔn)確性檢測(cè)試驗(yàn)所用到的試驗(yàn)裝置主要有電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)樣機(jī)及多個(gè)小量程的量杯。

試驗(yàn)對(duì)電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)樣機(jī)噴施量選取了11組設(shè)定值，從10～20mL每隔1mL進(jìn)行1組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行10次噴施，最后測(cè)得總藥量，計(jì)算出平均每次噴施量、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、噴藥偏差及平均偏差等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，偏差分析如表2所示。

由表1、表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：該打頂抑芽機(jī)的每次實(shí)際噴藥量均在設(shè)定值上下輕微波動(dòng)，噴藥量的平均偏差為2.26%，試驗(yàn)各個(gè)小組的方差與標(biāo)準(zhǔn)差變換較小(即每組測(cè)試的單次噴藥量的波動(dòng)較小)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 噴藥量測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 噴藥量偏差分析

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)的控制系統(tǒng)，以PIC18F13K22單片機(jī)為控制核心，輔以MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片、霍爾傳感器及多個(gè)外圍電路，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)械的半自動(dòng)化，能夠有效地協(xié)調(diào)各部件間的動(dòng)作。同時(shí)，在機(jī)器的可靠性和安全性方面也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，如電池電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)、故障報(bào)警及剪刀能夠在工作開(kāi)關(guān)松開(kāi)時(shí)及時(shí)張開(kāi)等。該控制系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)械的工作過(guò)程進(jìn)行全方位的控制，同時(shí)為電路的可靠性提供了相應(yīng)保障。

2)該設(shè)計(jì)使得電動(dòng)煙草打頂抑芽機(jī)在噴藥量的精準(zhǔn)性及工作效率方面得到了顯著提高。試驗(yàn)研究表明：該機(jī)械噴藥量的平均偏差為2.26%，單次噴藥量波動(dòng)較小，有效提高了煙草質(zhì)量，進(jìn)一步推動(dòng)了煙草農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程。