郭振宇 徐淑瓊

摘 要

隨著蔬菜大棚的不斷發(fā)展，移栽種苗勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題也日益凸顯。經(jīng)過(guò)研究調(diào)查，大部分栽苗還是以手動(dòng)為主，鑒于人工栽苗費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)完成小型化全自動(dòng)、高效率栽苗機(jī)。該項(xiàng)目就解決大棚移栽種苗時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低的現(xiàn)狀，提出了解決的新方案。高效自動(dòng)化栽苗機(jī)由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)苗機(jī)構(gòu)、栽苗機(jī)構(gòu)組成，運(yùn)用arduino軟件控制系統(tǒng)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)苗器精確高效地將種苗導(dǎo)入栽苗器中，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)帶動(dòng)栽苗器完成進(jìn)土、挖坑、栽苗、填土等動(dòng)作，蝸輪蝸桿大扭矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確距離移動(dòng)，以達(dá)到高效率、自動(dòng)化精確栽苗的效果。

關(guān)鍵詞

農(nóng)業(yè)機(jī)械;栽苗機(jī);精確苗間距;自動(dòng)化

中圖分類號(hào)： F326.11;F323.3 ? ?? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.079

0 引言

如何高效率自動(dòng)化地移栽蔬菜種苗一直是有待解決的一大難題。經(jīng)過(guò)研究調(diào)查，大部分栽苗還是以手動(dòng)為主，小部分輔以相應(yīng)機(jī)構(gòu)來(lái)提高工作效率。人工和半自動(dòng)化栽苗費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，設(shè)計(jì)完成小型化全自動(dòng)、高效率栽苗器很有必要而且具有較高的使用價(jià)值。高效自動(dòng)化栽苗機(jī)由移動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)苗機(jī)構(gòu)、栽苗機(jī)構(gòu)組成，運(yùn)用arduino軟件控制系統(tǒng)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)苗器精確高效地將種苗導(dǎo)入栽苗器中，同時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)帶動(dòng)栽苗器完成進(jìn)土、挖坑、栽苗、填土等動(dòng)作，蝸輪蝸桿大扭矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確距離移動(dòng)，以達(dá)到高效率、自動(dòng)化精確栽苗的效果。

1 三維設(shè)計(jì)圖

高效自動(dòng)化栽苗機(jī)的三維圖如圖1所示和其對(duì)應(yīng)的工程圖如圖2所示，根據(jù)三維設(shè)計(jì)圖做參考仿真，設(shè)計(jì)出了實(shí)體。

圖中各部分說(shuō)明：

1、栽苗器：錐形栽苗器可以使栽苗入土更加快捷，效率更高。

2、栽苗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：通過(guò)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)使栽苗器實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。

3、導(dǎo)苗器：將儲(chǔ)苗器中的種苗通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)平穩(wěn)導(dǎo)入至栽苗器。

4、蝸輪蝸桿電機(jī)：蝸輪蝸桿電機(jī)扭矩大可以完成在土地中高強(qiáng)度的行走以及精確苗間距工作。

5、履帶式輪胎：履帶式輪胎可以使機(jī)構(gòu)更加平衡穩(wěn)定，同時(shí)也和蝸輪蝸桿電機(jī)相配合完成土地上精確苗間距的工作。

2 移栽機(jī)構(gòu)組成與原理

2.1 高效自動(dòng)化栽苗機(jī)分解為四大部分

（1）Arduino控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用Arduino MEGA開發(fā)板作為設(shè)備的大腦，通過(guò)編譯程序來(lái)控制各機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確有序的工作，減小工作誤差，使栽苗效率更高。

（2）移動(dòng)機(jī)構(gòu)：使用31ZY直流減速蝸輪蝸桿大扭矩電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大棚作業(yè)任務(wù)，機(jī)構(gòu)通過(guò)Arduino MEGA開發(fā)板及H橋L298邏輯電機(jī)雙路直流驅(qū)動(dòng)板控制電機(jī)以達(dá)到精確苗間距的效果;內(nèi)部對(duì)稱式尼龍輪轂海綿內(nèi)膽輪胎可以使設(shè)備工作更加平穩(wěn)高效。

（3）運(yùn)苗機(jī)構(gòu)：通過(guò)Arduino MEGA開發(fā)板和L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊來(lái)控制25GA370直流齒輪減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)PVC履帶式傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將種苗平穩(wěn)、高效地導(dǎo)入至栽苗機(jī)構(gòu)。

（4）栽苗機(jī)構(gòu)：作為設(shè)備的核心機(jī)構(gòu)，通過(guò)通過(guò)Arduino MEGA開發(fā)板和H橋L298邏輯電機(jī)雙路直流驅(qū)動(dòng)板控制電機(jī)帶動(dòng)不銹鋼栽苗器完成進(jìn)土、挖坑、栽苗填土等動(dòng)作，以達(dá)到高效率栽苗的效果。

2.2 主要性能指標(biāo)

（1）主體框架：材質(zhì)為20mm*20mm槽鋁，尺寸參數(shù)為500mm*500mm*650mm。

（2）驅(qū)動(dòng)部分：采用四個(gè)80rpm/minGW4058-31ZY減速電機(jī)，驅(qū)動(dòng)設(shè)備前進(jìn);兩個(gè)78rpm/minGA25Y370-47減速電機(jī)，驅(qū)動(dòng)運(yùn)苗機(jī)構(gòu);兩個(gè)12V150mm推桿電機(jī)，驅(qū)動(dòng)栽苗機(jī)構(gòu)工作。

（3）控制部分：由一個(gè)Arduino MEGA 2560 開發(fā)板及其相應(yīng)電路進(jìn)行控制整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)。

2.3 栽苗機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

2.3.1 Arduino MEGA 2560開發(fā)板

Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板如圖3所示，具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中15路可作為PWM輸出），15路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

2.3.2 160W直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊有以下幾部分組成

（1）雙H橋兩路PWM輸入，作用是同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn);

（2）欠壓過(guò)流保護(hù)，作用是防止電機(jī)在功率過(guò)大時(shí)電流過(guò)大而造成的電機(jī)燒毀;

（3）靜電泄放回路，作用是保持電磁兼容EMC穩(wěn)定可靠;

（4）TVS瞬態(tài)抑制二極管，作用是有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

3 arduino軟件控制系統(tǒng)

為保證設(shè)備的高效自動(dòng)化性，該設(shè)備的功能主要程序框圖如圖4所示。首先，接通電源后，整個(gè)系統(tǒng)完成初始化;然后，行止機(jī)構(gòu)啟動(dòng)并達(dá)到相應(yīng)苗間距后，停止工作;通過(guò)傳感器判定系統(tǒng)是否有種苗進(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)有種苗存在時(shí)啟動(dòng)運(yùn)苗機(jī)構(gòu);運(yùn)苗機(jī)構(gòu)啟動(dòng)3000ms后，經(jīng)過(guò)仿真軟件及實(shí)際測(cè)試計(jì)算可知種苗已進(jìn)入栽苗機(jī)構(gòu);運(yùn)苗機(jī)構(gòu)停止，栽苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作;經(jīng)過(guò)3000ms后，栽苗工作完成。最終，通過(guò)相應(yīng)反饋控制從而使系統(tǒng)重回初始化進(jìn)而完成下一步任務(wù)。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）該設(shè)備通過(guò)程序計(jì)算苗間距，使苗間距更精確;從挖坑到栽苗一步完成，步驟簡(jiǎn)便效率高。

（2）在傳統(tǒng)栽苗只能栽植栽培一條壟的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，借助該設(shè)備可以同時(shí)完成兩邊壟的栽種過(guò)程;且無(wú)須人力勞動(dòng)，自動(dòng)化高效率完成多種種苗栽種過(guò)程。

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