溫室棚頂自動清潔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高溫室大棚的透光率，使作物增產(chǎn)增收，文章在溫室大棚智能清潔機(jī)的整體機(jī)械設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)一款溫室棚頂智能清潔系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)行走的過程當(dāng)中，通過毛刷將灰塵清掃干凈，實(shí)現(xiàn)溫室大棚頂部的半自動或全自動清潔。溫室棚頂自動清潔系統(tǒng)包含主控單元、執(zhí)行電機(jī)部分、傳感器部分、遙控部分和電源部分。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；智能清潔機(jī)；單片機(jī)系統(tǒng)；遙控

中圖分類號：S625 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-0432（2012）-10-0153-1

0 引言

近年來隨著科技的發(fā)展日光溫室在我國得到了大面積的推廣，光照是作物生命活動的能量源泉，又是某些作物完成生命周期的重要信息。無論是弱光、短日照光或強(qiáng)光、長日照光都可能成為某些作物生長、發(fā)育的限制因子。因此，對溫室透光要求顯得尤為重要，目前，除去人工補(bǔ)光方法外，溫室增光措施一般為定期清掃棚面，保持清潔的透明屋面。

本文在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上主要研究了溫室大棚智能清潔系統(tǒng)的自動設(shè)計(jì)，清潔系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)主要分為三部分：行走模塊，清潔模塊和控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)按照功能又分為主控單元，執(zhí)行電機(jī)部分、傳感器部分、遙控部分和電源部分。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

影響自動清潔工作因素有兩方面：清潔系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。自動清潔系統(tǒng)提供了清潔的智能行為，主要為清掃模塊，清掃模塊由高速旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)帶動清掃刷頭將灰塵從表面掃起。其工作原理是由高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)帶動風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和污物通過氣流作用清潔。對于完全自主的自動清潔系統(tǒng)，其工作過程應(yīng)該包括環(huán)境的適應(yīng)，自動清潔和自行充電。這些行為均以傳感器為基礎(chǔ)，采集外界信息，形成對外界的統(tǒng)一描述，借助人工智能的方法進(jìn)行決策，從而形成智能行為。自動清潔系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 自動清潔系統(tǒng)總體控制框圖

1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)依附于一種溫室棚頂薄膜表面灰塵的機(jī)械清潔設(shè)備，該設(shè)備由機(jī)械清潔系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)構(gòu)成，機(jī)械清潔系統(tǒng)包括一個安裝在工作平臺的清潔設(shè)備，清潔設(shè)備和帶有壓力調(diào)節(jié)裝置的工作平臺停靠在X軸移動橋架上，X軸移動橋架沿著Y軸移動槽從溫室棚頂一端移動到溫室棚頂另一端，清潔設(shè)備在此過程中清潔出其自身寬度的干凈棚膜，然后在X軸移動橋架的端頭升起，工作平臺沿X軸移動橋架移動到下一預(yù)定點(diǎn)停止，清潔設(shè)備落下并以平行前一清潔軌跡的路徑重復(fù)清潔工作過程，工作平臺由位置傳感器判定沿X軸移動橋架的停止點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)壓力來控制清潔設(shè)備沿著任意形狀的棚膜表面上移動，避免損壞棚膜，達(dá)到清除棚頂薄膜上所堆積的灰塵的目的。

1.3 模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì) 要讓機(jī)器有穩(wěn)定的行走能力，需要選擇穩(wěn)定的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)利用三極管放大作用對單片機(jī)I/O口電流進(jìn)行放大，驅(qū)動繼電器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，且不會對輸入電流由任何影響，完全可以給電動機(jī)提供大電流，保證電路工作穩(wěn)定，采用的大功率MOSFET模塊來完成直流電機(jī)的控制。

如要毛刷準(zhǔn)確到位的到達(dá)指定位置完成清潔工作，需要選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。本設(shè)計(jì)利用系統(tǒng)特定的工作周期來設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的具體參數(shù)。為了更好地清潔棚頂?shù)幕覊m和雜物，本設(shè)計(jì)中毛刷控制電機(jī)采用四檔式控制思路，即采用四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。將毛刷分為正常旋轉(zhuǎn)、高速旋轉(zhuǎn)、正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)。

1.3.2 紅外遙控模塊 紅外通信是利用950mm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。

以單片機(jī)AT89C51為電動機(jī)的控制核心，單片機(jī)本身并不具備紅外通信接口， 但可以利用單片機(jī)的串行接口與片外的紅外發(fā)射和接收電路，組成一個應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的紅外串行通信接口。利用紅外遙控器配以紅外接收頭及直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的運(yùn)動控制。系統(tǒng)由紅外線遙控器、紅外線接收模塊部分組成。

1.3.3 遙控發(fā)射器 當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，即有遙控碼發(fā)出，所按的鍵不同遙控編碼也不同。遙控發(fā)射通過鍵盤，每按下一個鍵，即產(chǎn)生具有不同的編碼數(shù)字脈沖，這種代碼指令信號調(diào)制在40KHz的載波上，激勵紅外光二極管產(chǎn)生不同的脈沖，通過空間的傳送到受控機(jī)的遙控接收器。

1.3.4 遙控接收器 接收部分主要元件是紅外接收電路，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用專用紅外接收模塊CX20106。單片機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。這樣，一個單片機(jī)控制的紅外通信系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了通信。

2 結(jié)論

本文主要針對溫室大棚棚頂自動清潔的設(shè)計(jì)要求、工作機(jī)理和控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和探討，在總體方案設(shè)計(jì)中，主要從行走機(jī)構(gòu)、清潔模塊和控制系統(tǒng)三個部分確定了清潔機(jī)的基本功能、結(jié)構(gòu)和原理。選用AT89C51單片機(jī)作為主芯片，硬件包括主控單元、執(zhí)行電機(jī)、傳感器、遙控及電源，對機(jī)械部分進(jìn)行自動控制，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器在溫室大棚頂部的清潔功能。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李建軍（1974-），男，碩士，長春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域科研、推廣工作。