任 玲，曹衛(wèi)彬，馬 銳，王 寧

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

旱地作物的育苗移栽在我國有悠久的歷史，特別是新疆由于特殊的氣候原因，采用育苗移栽技術可以有效地避開氣候因子對作物產(chǎn)量的影響，提高幼苗的成活率[1]。目前，育苗移栽主要使用半自動移栽方式[2]，需要人工進行取苗和送苗，勞動強度大，效率低。

苗盤輸送系統(tǒng)是全自動移栽機的關鍵部件，其功能是將缽盤苗精準地移送到取苗位置，待取苗機構(gòu)將缽苗取出后，根據(jù)苗盤的穴距自動移動苗盤至下一穴孔，進行下一次取苗動作。苗盤輸送的頻率由取苗頻率決定，通過控制苗盤的輸送頻率使之與取苗動作有效配合，完成自動取苗過程。

為此，設計了一種苗盤輸送控制系統(tǒng)，通過控制苗盤輸送裝置的橫向和縱向間歇運動，實現(xiàn)自動送苗；通過對送盤頻率和間歇位移的控制，有效配合取苗動作，可以實現(xiàn)自動取苗。為了實時對取苗的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，通過LabVIEW設計人機交互界面，根據(jù)取苗頻率的變化實時調(diào)整送盤頻率，提高取苗的工作效率和質(zhì)量。

1 總體方案設計

我國研究人員對取苗送苗控制系統(tǒng)的研究主要集中在PLC控制和單片機控制兩種主要方式上[3-6]：以PLC控制步進電機來驅(qū)動苗盤定位機構(gòu)完成苗盤輸送，以配合缽苗夾持機構(gòu)完成移栽動作[7-9]；以單片機作為控制器的幼苗移栽控制系統(tǒng)，通過在地輪上安裝編碼器計量脈沖數(shù)，根據(jù)移栽的實時情況，設定移栽株距，當完成一次移動時，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)移栽過程中的取苗、停苗和放苗[6]。南京農(nóng)業(yè)大學的胡敏娟設計了基于LabVIEW的移栽機輸送控制系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)采用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的方式，利用傳感器采集苗盤工作狀態(tài)信號，通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到PC機，可以實現(xiàn)送盤裝置和取苗裝置的聯(lián)合控制，為苗盤輸送控制的研究提供另一種方案。

在基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)中，硬件以計算機為核心，利用數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信息發(fā)送給PC機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。通過PC機的串口與其它外部設備相連，PC機中的軟件運用LabVIEW圖形化編程的方式，設計框圖直觀，由于其軟件是核心，可以避免與其他設備相連時技術兼容性的問題。

本設計以PC機作為上位機，由LabVIEW構(gòu)建控制系統(tǒng)操作界面，上位機根據(jù)實時數(shù)據(jù)發(fā)出指令控制苗盤輸送的頻率；單片機作為下位機，接受上位機發(fā)送的指令信號，根據(jù)指令信號向步進電機發(fā)送脈沖，控制苗盤的橫向和縱向移動；同時，接受傳感器的檢測信號，將苗盤的位置信號送給上位機，通過交互界面實時監(jiān)測苗盤的運動位置和取苗工作狀態(tài)，實現(xiàn)苗盤運動和機械手取苗的配合。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設計

系統(tǒng)上電前，在單軸步進電機控制器中設置系統(tǒng)每次發(fā)出的電脈沖數(shù)、輸入端口的工作狀態(tài)及步進電機的初始化程序。系統(tǒng)上電后，控制系統(tǒng)初始化，開始檢測苗盤橫向輸送機構(gòu)與苗盤支架導軌兩端電感式接近開關的距離關系。當苗盤橫向輸送機構(gòu)到達苗盤支架導軌兩端電感式接近開關的感應距離時，接近開關觸發(fā)，給控制器一個信號，單軸步進電機控制器接收到信號后，給步進電機驅(qū)動器發(fā)送相應的電脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機順時針轉(zhuǎn)過一定角度;電機轉(zhuǎn)動帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，驅(qū)動軸帶動主動輪、從動輪、鏈條運動，從而帶動卡在鏈條凸槽上的苗盤向下運動，及時準確地給取苗機構(gòu)送苗。當移栽機停止工作時，關閉電源開關，苗盤縱向輸送機構(gòu)停止工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2.1 硬件結(jié)構(gòu)圖

采用單片機作為系統(tǒng)的控制器，所選用的單片機型號為宏晶STC90C516RD+，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，時鐘頻率在12MHz，復位腳可直接接地。單片機接收傳感器的檢測信號及當前的位置信號，經(jīng)過運算處理將其轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)發(fā)送給電機驅(qū)動器，同時將位置信號和檢測信號發(fā)送給上位機，通過PC機進行顯示。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram

2.2 系統(tǒng)主要模塊

本系統(tǒng)采用模塊化設計思想，將送苗機構(gòu)控制系統(tǒng)的硬件分為5個模塊:處理器模塊、電源模塊、控制量輸出模塊、信號采集模塊，以及人機交互模塊。

1)處理器模塊以STC90C516RD+為核心控制器，接收傳感器采集的信號，輸出控制信號，同時與PC機界面進行人機交互。處理器模塊由單片機芯片電路、晶振電路、電源電路及復位電路組成。其中，晶振采用12MHz。

2)電源模塊為單片機提供+5 V電源，為各模塊提供合適電平，保證系統(tǒng)正常工作。在取苗控制系統(tǒng)中，由于采用的核心控制器為STC90C516RD，所有元件模塊均使用+5V直流電源供電?？紤]到在大田作業(yè)的實際環(huán)境，電源是拖拉機自身的+24V電瓶供電，所以在電源模塊的設計開發(fā)過程中，將+24V電源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可靠的+12V及+5V電源。

3)控制量輸出模塊由處理器發(fā)出電平信號通過輸出模塊轉(zhuǎn)換為步進電機驅(qū)動器的執(zhí)行信號，由此控制苗盤橫向和縱向電機的間歇運動。在送苗系統(tǒng)中，通過控制步進電機來帶動苗盤橫向和縱向運動，運動到固定的取苗位置，完成取苗動作。步進電機的轉(zhuǎn)動角度是依靠接收到的脈沖的個數(shù)來實現(xiàn)的，步進電機的轉(zhuǎn)動速度由發(fā)送的脈沖頻率決定。

電機工作脈沖數(shù)的計算，即

式中A—電機工作脈沖數(shù)；

L—每次移動距離(mm)，L=32；

PB—滾珠螺桿的螺距(mm),PB=10；

θS—步距角(°),θS=0.45。

代入上述公式，計算出工作脈沖數(shù)為2 560Hz。

處理器發(fā)出信號到步進電機控制芯片UDN2916，再驅(qū)動步進電機動作。步進電機換相控制時所對應的電流控制真值表如表1所示。

表1 UDN2916電流控制真值表Table 1 Current control truth Table

4)信號采集模塊由傳感器檢測取苗機構(gòu)是否完成取苗，并將信號發(fā)送至處理器模塊。選用紅外避障傳感器NPN型E18-D50NK漫反射式，安裝在取苗機構(gòu)未端，取苗機構(gòu)插入苗盤時發(fā)送給控制器的信號是高電平，在取苗裝置取苗完成離開苗盤的瞬間，發(fā)送給控制器的信號就變成了低電平，即為下降沿觸發(fā)。在處理器信號轉(zhuǎn)變的瞬間，觸發(fā)運行電機轉(zhuǎn)動程序。

5)人機交互模塊將苗盤中的取苗位置信號送給處理器模塊，通過串口發(fā)送到PC機，以Labview編寫顯示界面及程序，顯示當前的取苗位置和電機運行的相關參數(shù)，并可通過PC機界面實時調(diào)整電機運行速度，從而以可視化的方式對苗盤運行狀態(tài)進行調(diào)整，以更好的配合取苗機構(gòu)動作。

2.3 端口分配

本設計中采用單片機型號是STC90C516RD+,晶振是12MHz，+5V電源供電。STC90C516RD單片機開發(fā)板有32個I/O口可用，本次設計占用了15個I/O口，單片機I/O口的分配如表2所示。

表2 單片機I/O口分配表Table 2 SCM I/O port distribution Table

3 軟件設計

苗盤輸送控制系統(tǒng)采用文獻C51語言進行程序編寫，并采用Keil uVision3集成開發(fā)環(huán)境進行軟件開發(fā)，在數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷以及準確性等方面合理高效。在系統(tǒng)軟件設計中，實現(xiàn)3個目標：①為處理器提供準確、實時的數(shù)據(jù)；②合理安排各個中斷程序的優(yōu)先級，保證實時性要求高的中斷能夠得到最快的響應和處理；③采用合理的設計方法，提高整個軟件系統(tǒng)的可讀性和可靠性。

3.1 程序流程圖

系統(tǒng)的主程序是一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，主要功能是對各模塊進行初始化并調(diào)用各子程序模塊。單片機在不斷重復進行判斷后，管理各子程序模塊完成相應的控制任務。

系統(tǒng)上電后，單片機進行系統(tǒng)初始化，首先根據(jù)是否接到到位傳感器信號，判斷是否縱向移動。如果有到位信號說明一行取苗結(jié)束，執(zhí)行縱向移動程序，進行下一行取苗；無到位信號則說明一行取苗正在進行，則執(zhí)行橫向運動程序；在執(zhí)行相應運動之前，單片機會向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)串，作用是在LabVIEW的前面板顯示取苗的實時位置。

選取的苗盤規(guī)格為 8×16 格，外形尺寸為 280mm×540mm，每個苗盤穴口的大小為 32mm×32mm，相鄰穴孔中心距為32mm，苗盤縱列兩端帶有卡槽。設計的移動軌跡為“弓”字型，即以苗盤右下角的穴孔為初始位置；首先控制苗盤進行橫向移動，方向信號為右移，每次移動的步距為32mm，移動的頻率以機械手的取苗頻率為準(即為紅外傳感器的下降沿信號為觸發(fā))，間歇右移7次(以計數(shù)器計數(shù)的方式實現(xiàn))，即取完最下行8株苗；隨后，控制苗盤進行下移32mm(開始進行第2行取苗)，此時取苗手位于苗盤左下方第2行第1個穴孔，再次控制橫向移動，方向信號為左移，間歇左移7次，完成第2行取苗；之后，重復以上動作。苗盤的運動軌跡如圖3所示。程序流程如圖4所示。

圖3 苗盤的運動軌跡Fig.3 Trajectories of seedling dish

3.2 苗盤輸送控制實現(xiàn)

苗盤輸送控制主程序的作用是在取苗裝置中取出苗盤里的苗時，傳感器的傳輸信號由高電平到低電平的下降沿，此時根據(jù)相應條件執(zhí)行選擇語句。其中，a為傳感器傳輸?shù)男盘枺谌∶缪b置取苗時，a=1，取出苗離開苗盤后，a=0；i為苗盤的列數(shù)；j為苗盤的行數(shù)；m=1表示正轉(zhuǎn)，m=0表示反轉(zhuǎn)。每取完一次苗后，苗盤正向移動1個穴格，重復7次后，縱向移動1個穴格，然后反轉(zhuǎn)移動1個穴格，重復7次，之后再縱向移動1個穴格，再正向移動，循環(huán)往復，直到移動到第16行，此時的一個苗盤取苗結(jié)束，開始換下一個苗盤。程序中有4個選擇語句分別是判斷正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、左邊沿縱移、右邊沿縱移。然后執(zhí)行相應的語句，實現(xiàn)苗盤的“弓”字形運動。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

1)電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。在設計中有兩個電機，分別使苗盤橫向和縱向移動，本設計使用的是雙極性步進電機，所以程序中單相四拍通電驅(qū)動時序：

正轉(zhuǎn)： A/ B A B/

反轉(zhuǎn)： B/ A B A/

A/和A同在一個線圈，B/和B同在一個線圈。

2)串口通信程序?qū)崿F(xiàn)。在進行串口通信之前，首先要進行串口初始化，要設置串口通信參數(shù)及方式，其中本次使用的單片機的晶振是12MHz，為了減少誤差，保證串口通信的速率，設置波特率2400，則波特率初值是F3H，誤差為0.16%。

串口發(fā)送程序：主要功能是將單片機中的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，PC機中的LabVIEW程序再將接收的數(shù)據(jù)進行分解處理，由前面板顯示苗盤的實時位置，其中單片機發(fā)送的是2字節(jié)數(shù)據(jù)。

串口接收程序：主要功能是將在LabVIEW參數(shù)設置界面上設置的苗盤速度發(fā)送到單片機，進而控制電機運動的速度。

3.3 LabVIEW主程序?qū)崿F(xiàn)

用LabVIEW和單片機進行串口通信，需要使用LabVIEW串口通信函數(shù)節(jié)點編寫程序。本程序根據(jù)單片機串口參數(shù)設置波特率為2 400，數(shù)據(jù)位為8，無檢驗位，停止位為1。設置好通信參數(shù)，要進行速度參數(shù)的設置，設置好速度數(shù)值，創(chuàng)建數(shù)組，轉(zhuǎn)換成字符串，就可以通過VISA寫入發(fā)送給單片機。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送程序Fig.5 Data sending program

將接收到的2字節(jié)字符串通過程序分別分析出來行數(shù)和列數(shù)，如圖5所示。發(fā)送的字符串通過緩沖區(qū)到達VISA讀取，再字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)組，此時的數(shù)組有2個元素，索引數(shù)為0的是列數(shù)，索引數(shù)為1的是行數(shù)，連接XY圖就可以在圖中顯示。此時就將2字節(jié)的字符串分離出來，分離出來的行數(shù)和列數(shù)就可以通過算法得出已取苗數(shù)和剩余苗數(shù)。數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理程序如圖6所示。

3.4 其他功能的實現(xiàn)

為了保證系統(tǒng)登陸過程的安全性，需要設置賬號和密碼，只有在輸入正確的賬號和密碼后，系統(tǒng)才能正常運轉(zhuǎn)，如圖7所示。本設計中為了避免每次都輸入賬號和密碼，設置了人工確定開始監(jiān)控按鈕，此模式可以用于系統(tǒng)調(diào)試過程中，避免了反復輸出賬戶和密碼的繁瑣。

圖6 數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理程序Fig.6 Data reception and data processing program

圖7 系統(tǒng)登陸賬號密碼的設定Fig.7 Setting of logging in to your account password

4 苗盤輸送控制試驗

按照單片機控制器電路連線要求，將傳感器、單片機開發(fā)板及步進電機進行了實物連接，模擬苗盤輸送過程的控制要求，如圖8所示。

單片機通過串口通訊，將檢測到的取苗位置信號(行坐標和列坐標)及本次取苗是否完成信號送給上位機，上位機顯示當前的行坐標和列坐標，并以直觀的圖形方式顯示當前的取苗位置，如圖9所示。圖9中的顯示界面包含控制按鈕、參數(shù)設置和工作狀態(tài)顯示3個主要部分?？刂瓢粹o包含啟動和停止及是否進行人工監(jiān)控3個控制按鈕。參數(shù)設置包含速度設置、通信電腦接口設置、波特率設置、數(shù)據(jù)位設置、奇偶設置、停止位設置6個參數(shù)設置。當前工作狀態(tài)顯示包含行數(shù)顯示，列數(shù)顯示，已取苗數(shù)顯示，剩余苗數(shù)顯示及取苗實時位置顯示5個工作參數(shù)顯示。

圖8 系統(tǒng)構(gòu)成與模擬試驗Fig.8 System structure and simulation test

圖9 系統(tǒng)人機交互界面Fig.9 Human-computer interaction interface

操作時，首先要根據(jù)單片機程序進行串口的初始化設置，主要為以下5個參數(shù)。通信電腦接口設置為com3，波特率設置為2 400，數(shù)據(jù)位設置為8，奇偶設置為0，停止位設置為1。做好初始化設置之后，再設置速度控制值，本次設置速度控制值為2。按下啟動按鈕，控制苗盤開始按照速度2的方式移動，在界面上可以顯示取苗的實時位置。圖9中顯示的區(qū)域為苗盤規(guī)格為 8×16 格，共計128株苗；外形尺寸為 280mm×540mm，每個苗盤穴口的大小為 32mm×32mm，相鄰穴孔中心距為32mm。圖9中亮點的位置為當前的取苗位置(第2行、第4列)，同時在行數(shù)顯示一欄顯示2，在列數(shù)顯示一欄顯示4，在已取苗數(shù)一欄顯示13，在剩余苗數(shù)一欄顯示115。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對苗盤移動的控制，可以控制取苗位置依次“弓”字型移動，實現(xiàn)同步顯示當前取苗位置的行坐標和列坐標，以及當前取苗個數(shù)和剩余苗數(shù)。

5 結(jié)論與展望

1)通過串口通訊實現(xiàn)了穴盤苗橫向和縱向的間歇供給的要求，通過LabVIEW設計了人機交互界面，實現(xiàn)了工作參數(shù)設置，通過單片機和LabVIEW串口通信，實現(xiàn)了苗盤移動速度的實時控制。在供苗過程中，實現(xiàn)了取苗的實時位置顯示，已取苗數(shù)和剩余苗數(shù)實時顯示功能。

2)本設計中LabVIEW和單片機的串口通信采用有線的方式，但隨著通訊技術的發(fā)展，遠程人機交互界面控制更受歡迎，后期的研究可以采用無線進行數(shù)據(jù)傳輸；增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，提升人機交互界面功能。