穴盤苗移栽機漏苗檢測及補苗控制系統(tǒng)的設(shè)計

梅李爽，任 玲，常晨哲，鄭義洪，蔡華強，梁開放

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

0 引言

移栽作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，研究移栽機漏苗及補苗系統(tǒng)可以制造出相應(yīng)的移栽機，完善全自動移栽機性能[1]，大范圍使用移栽機可以解放生產(chǎn)力，提高工作效率和經(jīng)濟效益[2]，對經(jīng)濟發(fā)展及機械化水平的提高有重大的意義。

歐美的一些發(fā)達國家依靠其本身的技術(shù)與資金方面的優(yōu)勢，已成功研制出多種類型的穴盤苗自動移栽機系統(tǒng)，并廣泛用于生產(chǎn)實踐，研制移栽機自動化程度較高，但其通用性比較差，整體結(jié)構(gòu)，控制部分復(fù)雜，價格昂貴[3-4]，對操作人員素質(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，但補苗系統(tǒng)仍有缺陷，目前已研制出基于機器視覺的穴盤苗定位檢測系統(tǒng)，以及基于Delta并聯(lián)機構(gòu)用于快速移栽系統(tǒng)[5]。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 整體設(shè)計方案

本設(shè)計提出利用光電傳感器檢測移栽機接苗帶上是否漏苗，由51單片機作為控制器控制步進電機進行補苗并由光電傳感器檢測是否補苗成功的控制系統(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)出信號給單片機，同時單片機上的蜂鳴器報警，單片機將漏苗信號傳給LED燈顯示并控制數(shù)碼管顯示漏苗數(shù)量加1，然后單片機驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動補苗帶進行補苗并檢測是否補苗成功，補苗檢測成功傳感器將信號傳給單片機控制數(shù)碼管顯示缺苗數(shù)量減1，單片機控制數(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

2.1 檢測環(huán)節(jié)設(shè)計說明

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電機補苗之后，在補苗處進行是否補苗成功的檢測，補苗成功或失敗會將相應(yīng)的信號傳給單片機控制中心的數(shù)碼管，點亮數(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)實現(xiàn)精準檢測避免無關(guān)干擾，本設(shè)計安裝光電傳感器檢測幼苗莖部，選擇型號為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現(xiàn)對接苗帶上漏苗數(shù)量的精準檢測。

本文以辣椒幼苗做為檢測對象進行相關(guān)模擬實驗[7]，根據(jù)對辣椒幼苗生長狀態(tài)的實驗觀察以及查找相關(guān)資料得到辣椒幼苗最宜移栽時間為幼苗露地50～70天。此時幼苗較壯，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。

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

2.2.1 系統(tǒng)組成及硬件選型

根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)，由兩個傳感器進行漏苗檢測和補苗檢測，當一個傳感器在接苗帶檢測到漏苗后單片機控制步進電機動作并控制單片機自帶的數(shù)碼管加1同時控制蜂鳴器發(fā)聲；當另一個傳感器在補苗帶檢測到苗落下后單片機控制步進電機停止動作并控制單片機自帶的數(shù)碼管減1，當數(shù)碼管顯示數(shù)值為零即所有漏苗處全部補上苗時控制蜂鳴器不再發(fā)聲。硬件部分主要由單片機，傳感器，數(shù)碼管，蜂鳴器和步進電機組成。單片機型號采用STC90C516RD+系列單片機。

2.2.2 精準補苗控制

為保證補苗過程的精準性，需要依靠公式及數(shù)據(jù)和一系列仿真的支撐。由實驗需要結(jié)合實際得出如下公式：

（1）輸苗帶部分

步進電機的齒輪數(shù)為Z，步進電機通電一個循環(huán)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距，相當于空間上轉(zhuǎn)過360/Z，即每運行一拍，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)，當采用單拍或雙拍時，C=1，而采用單、雙拍時，C=2，m 為相數(shù)。

給步進電機通電來控制輸苗帶和補苗帶運動時，可認為是速度控制，給步進電機送入的是連續(xù)脈沖，各項繞組輪流通電，步進電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。由公式（1）可知，每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個圓周的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—輸苗帶運動速度，m/s；R為步進電機轉(zhuǎn)子部分的半徑，m。

（2）補苗帶部分

建立在理想及實際無法得知準確數(shù)據(jù)的情況下，計算時忽略各類運動阻力，如空氣阻力；選取理想的情況進行計算。

補苗帶是建立在輸苗帶上方H高度的地方，當補苗時，苗在空中需要一段時間的運動才能落進輸苗帶上的苗坑里。

式中 t—苗下落時間，s；H—補苗帶與輸送帶之間的高度差，m；g為重力加速度，m/s2。

為保證補苗精確性，因為在補苗下落的過程會有一個水平方向上的位移，而又因為補苗帶和輸苗帶是同樣的電機，在理想情況下，補苗水平速度是v，即在補苗下落時間t時間內(nèi)，補苗的水平位移為加上漏苗坑的位移X，公式表達如下：

式中 X—漏苗檢測傳感器與補苗帶出苗處之間的水平距離，m。

為保證實驗中補苗的精準性，根據(jù)公式（5）來設(shè)置距離X，由公式（5）亦可看出，在步進電機確定的情況下，X是根據(jù)補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)計的仿真）和MATLAB（拋物線的圖）兩種軟件來進行仿真。通過MATLAB對補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行研究，從而得到較為精準的苗的軌跡圖和苗的下落點及下落時間。通過使用proteus軟件，對整體設(shè)計進行合理的仿真，并可以通過proteus的仿真檢查出一些不必要的錯誤，從而進行改正，避免了不必要的麻煩，提高了項目的準確性，可靠性和實際性。

3.2 控制流程圖

圖3 控制流程圖

3.3 MATLAB仿真

補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平拋運動。0點為苗剛飛出補苗帶的位置，高度為補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，光敏傳感器開始進行漏苗檢測，當有漏苗信號傳遞給單片機時，圖5中的控制臺開始給單片機信號，從而控制步進電機工作并控制數(shù)碼管顯示屏顯示數(shù)值加1，步進電機控制補苗帶進行運動，進行補苗，同時進行補苗檢測，檢測到需要進行補苗時，將有補苗信號控制電機工作，數(shù)碼管顯示屏數(shù)值減1。

圖4 拋物線圖

圖5 proteus仿真

4 單片機試驗驗證結(jié)果

試驗開始時漏苗檢測的傳感器處于被遮擋的狀態(tài)，傳感器的鏡頭對準移栽幼苗的莖部。實驗開始后，隨著接苗帶的運動，傳感器由被遮擋的狀態(tài)變?yōu)椴槐徽趽醯臓顟B(tài)并保持一定的時間，這段時間為苗與苗的間隔，同時也是程序中的延時時間。當這段時間過去后，如果缺苗，那么程序就會接收到缺苗的信號，單片機就會控制數(shù)碼管數(shù)值加1并控制蜂鳴器發(fā)聲，同時控制步進電機動作一下，實現(xiàn)漏苗檢測以及補苗控制。對于補苗檢測試驗，試驗開始時補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苗帶上的位置的前方，同時補苗帶的前方有一個圓筒將補苗帶包起來，只要有苗通過，則苗必然通過圓筒到達指定的補苗點。試驗開始后，隨著補苗帶的運動，傳感器由不被遮擋的狀態(tài)快速變?yōu)楸徽趽醯臓顟B(tài)并保持一定的時間，這段時間為通過苗的高度所用時間，因為苗是躺在補苗帶上的，因此時間較長。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)并保持一定的時間，這段時間為苗與苗的間隔的一半，同時也是程序中的延時時間，當這段時間過去后，如果有這兩個過程，那么程序就會接受到補苗的信號，同時單片機就會控制數(shù)碼管數(shù)值減1并控制步進電機停止動作。

5 結(jié)語

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