智能煙苗剪葉機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳為，羅 亞輝，胡文武，蔣蘋 ，彭凱，譚德權(quán)

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128)

煙草的漂浮育苗現(xiàn)已成為煙區(qū)主要的育苗方法。漂浮育苗后期需多次剪葉，絕大部分使用橋式煙苗剪葉機(jī)。電動(dòng)橋式剪葉機(jī)、地毯式漂浮育苗剪葉機(jī)等除需要人工輔助往復(fù)機(jī)構(gòu)在橫梁上左右移動(dòng)和整機(jī)沿著苗池過道的縱向行走外，還需專人負(fù)責(zé)供電電纜隨行，作業(yè)效率與質(zhì)量因人而異，自動(dòng)化水平較低，很難全面達(dá)到湖南省農(nóng)機(jī)鑒定站提出的煙苗剪葉機(jī)鑒定標(biāo)準(zhǔn)(漏剪率≤5%，傷苗率≤5%，漏拾率≤5%，工作效率≥300 m2/h，連續(xù)工作時(shí)長≥4 h)。筆者運(yùn)用無線遙控技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等，對作業(yè)寬幅2.5 m 的YZY–ZD 橋式煙苗剪葉機(jī)設(shè)計(jì)了1 種控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)煙苗剪葉機(jī)的往復(fù)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)與整機(jī)縱向行走自動(dòng)交互變換，從而達(dá)到剪葉機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的目的[4–6]，并運(yùn)用往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制算法對往復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度控制，使往復(fù)機(jī)構(gòu)停止和換向時(shí)減少沖擊，利用橫向往復(fù)電機(jī)能夠充當(dāng)發(fā)電機(jī)(往復(fù)電機(jī)為24 V、60 W 直流永磁往復(fù)電機(jī)，在慣性沖擊下會產(chǎn)生反向電動(dòng)勢，通過整流電路將電能回收給蓄電池充電。將往復(fù)電機(jī)的輸入線短接后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢阻礙電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，起到剎車作用)，吸收往復(fù)機(jī)構(gòu)的動(dòng)能發(fā)電，為蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能回收，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 設(shè)計(jì)原則

YJY–ZD 型橋式煙苗剪葉機(jī)如圖1 所示。以2個(gè)邊架支撐2 根橫梁，往復(fù)機(jī)構(gòu)在橫梁上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，剪葉器固定在往復(fù)機(jī)構(gòu)下端，為了使剪葉器以“弓”字形的軌跡覆蓋整個(gè)煙苗池，需要整機(jī)縱向行走與往復(fù)機(jī)構(gòu)橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)交替進(jìn)行。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，確定5個(gè)設(shè)計(jì)原則：①煙苗剪葉機(jī)在單人操作下作業(yè)，無需人工牽引或控制；②保證煙苗剪葉機(jī)的作業(yè)效率不變或有所提高；③基于單片機(jī)作為中央處理器來處理和控制信號，同一套系統(tǒng)能快速適應(yīng)多種幅寬的苗池，保證通用性和操作簡便；④采用系列抗干擾措施，使整機(jī)工作穩(wěn)定可靠；⑤采用邏輯控制算法，避免誤操作和保證安全。

圖1 YJY–ZD 型橋式煙苗剪葉機(jī) Fig.1 YJY–ZD bridge type leaf-cutting machine

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)需要執(zhí)行的動(dòng)作包括：剪葉器電機(jī)開與關(guān)、橫向往復(fù)電機(jī)雙向動(dòng)作、電控端頭解鎖機(jī)構(gòu)啟停(電磁鐵通斷)、縱向行走電機(jī)雙向動(dòng)作、消毒泵開與關(guān)、電動(dòng)推桿伸縮(直流電機(jī)正反轉(zhuǎn))。執(zhí)行元件為直流電機(jī)和電磁鐵。電磁鐵直接用繼電器控制，直流電機(jī)分2 種：對于需要雙向動(dòng)作的，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制；對于只需要啟停的采用繼電器控制。系統(tǒng)控制框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng) Fig.2 Block program for the control system

根據(jù)煙苗剪葉機(jī)的控制系統(tǒng)框圖，控制系統(tǒng)包括：上位機(jī)控制單元、無線傳輸單元、中央處理單元、電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器檢測單元。傳感器檢測單元[3–5]主要是往復(fù)機(jī)構(gòu)橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)位置檢測和縱向行走步長的檢測。橫向往復(fù)電機(jī)的位置傳感器是在其中1 根橫梁內(nèi)側(cè)相應(yīng)位置安裝6個(gè)接近開關(guān)，用于感應(yīng)往復(fù)機(jī)構(gòu)在橫梁上的位置，其中靠近兩端的接近開關(guān)是在往復(fù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到接觸邊架時(shí)才觸發(fā)，其余4個(gè)以橫梁中間對稱安裝?？v向行走的位置傳感器是在縱向行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中安裝1個(gè)接近開關(guān)，用于采集縱向行走實(shí)際的步長信號次數(shù)。為了達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，控制系統(tǒng)準(zhǔn)確判斷執(zhí)行控制程序，控制往復(fù)機(jī)構(gòu)在橫梁上橫向往復(fù)與整機(jī)縱向行走的準(zhǔn)確及時(shí)切換，以使剪葉器順利完成“弓”字形運(yùn)動(dòng)軌跡，對剪葉機(jī)剪葉效率和質(zhì)量至關(guān)重要。系統(tǒng)控制邏輯循環(huán)如圖3 所示。

圖3 聯(lián)合控制循環(huán) Fig .3 Logic diagrams of the combination control

1) 以STC12C5A60S2 單片機(jī)作為中央處理單元，通過NRF905 無線接收模塊接收遙控指令信號，或者按照電控盒上的按鍵選擇作業(yè)模式。

2) 通過多路霍爾接近開關(guān)，獲得往復(fù)機(jī)構(gòu)在橫梁的位置和時(shí)間參數(shù)，從而計(jì)算出往復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度，單片機(jī)運(yùn)用控制算法產(chǎn)生控制信號，綜合運(yùn)算控制往復(fù)機(jī)構(gòu)的加速度，達(dá)到控制往復(fù)機(jī)構(gòu)高效平穩(wěn)作業(yè)的要求，判斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)到縱向行走的切換時(shí)間，并以此標(biāo)定為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的“時(shí)間終點(diǎn)”和縱向行走的“時(shí)間起點(diǎn)”，控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)到縱向行走的準(zhǔn)確切換。

3) 通過單路霍爾接近開關(guān)傳感器，獲得縱向行走步數(shù)參數(shù)和時(shí)間，單片機(jī)根據(jù)傳感器傳回的信號，計(jì)算出縱向行走的運(yùn)行速度，并發(fā)送控制信號，控制縱向行走的平穩(wěn)變速啟停。判斷縱向行走到往復(fù)運(yùn)動(dòng)的切換時(shí)間，并以此作為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的“時(shí)間起點(diǎn)”和縱向行走的“時(shí)間終點(diǎn)”，控制縱向行走到往復(fù)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確切換。

4) 霍爾接近開關(guān)的開關(guān)量信號通過T1P521－M4 進(jìn)行光耦隔離，再傳給中央處理單片機(jī)，中央處理單片機(jī)發(fā)出的控制信號同樣通過T1P521－M4 進(jìn)行光耦隔離，再輸出控制各繼電器或者直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，由繼電器或者直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等，同時(shí)將改變后的狀態(tài)通過傳感器反饋至中央處理單元進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對縱向行走和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。

5) 控制過程中，電控端頭解鎖機(jī)構(gòu)中的棘輪自鎖裝置能使往復(fù)機(jī)構(gòu)在每次完成橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)后都能緊靠邊架，在整機(jī)縱向行進(jìn)中，保障剪葉器能覆蓋苗池邊沿的煙苗，只有在其電磁鐵通電解鎖后，才能解除棘輪的鎖止，使橫向往復(fù)機(jī)構(gòu)完成下一往復(fù)過程。

2.2 下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)

為了維修方便并降低維修成本，對控制電路進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，將控制電路分為3 部分：中央控制單元、繼電器電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

中央處理單元電路如圖4。主控芯片采用STC12C5A60S2 單片機(jī)， 該單片機(jī)具有8個(gè)ADC 轉(zhuǎn)換通道，2 路可編程PWM 和4個(gè)16 位定時(shí)器，能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器的信號采集處理。該單元通過2.4 GHz 的無線通訊模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，主要包括直流穩(wěn)壓電源、晶振電路和其他外圍擴(kuò)展電路。圖4 中區(qū)域1 為電源電路，剪葉機(jī)由24 V 蓄電池供電，接近開關(guān)、繼電器線圈和電磁鐵電壓為12 V，單片機(jī)電壓5 V。電源電路將24 V 電壓經(jīng)過DC–DC 轉(zhuǎn)換為12 V，再經(jīng)過7805 芯片轉(zhuǎn)換為5 V，得到3 種電壓，因此，外部24 V 供電的電氣啟停時(shí)的電壓沖擊不影響電路后面12 V和5 V電壓源供電傳感器的數(shù)據(jù)采集，5 V 為中央處理單片機(jī)供電。由于7805 芯片降壓后的帶載能力有限，增加1 路24 V 直接經(jīng)過7805 降壓成5 V 的電路，用于其他芯片的供電，使整體供電可靠性有保障。區(qū)域2 為發(fā)電整流充電電路，將往復(fù)機(jī)構(gòu)所發(fā)出的不穩(wěn)定的電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的30 V 電壓，為蓄電池充電。區(qū)域3為光耦隔離電路，采用的是5 kHz 以上的光耦，能有效保障通信通暢，轉(zhuǎn)換不失真。區(qū)域4 為中央處理器單片機(jī)和附屬電路，單片機(jī)的I/O 口與無線通信模塊之間采用光耦隔離，且采用不同的5 V 供電徹底隔離，可有效避免無線通信與單片機(jī)之間的相互干擾。

圖4 中央處理單元電路 Fig.4 Scheme of central processed unit circuit

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(圖5)直接與中央控制單元連接，繼電器電路(圖6)通過485 通信將信號傳輸給中央處理單元?？刂齐娐分械闹绷麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路容易發(fā)生過熱失效，單個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相對獨(dú)立，可以單獨(dú)更換。所有的繼電器控制集中在1 塊獨(dú)立的電路板上，這樣能最大程度消除繼電器吸合帶來的干擾。全部模塊置于控制盒中，在控制盒外只留有不同型號的標(biāo)準(zhǔn)的航空接頭，以便安裝。

圖5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 Fig.5 Scheme of DC motor driven circuit

圖6 繼電器電路 Fig.6 Scheme of relay circuit

2.3 往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制算法

控制系統(tǒng)核心是控制算法[12–13]，煙苗剪葉機(jī)控制系統(tǒng)的核心是往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制算法。往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制算法是控制往復(fù)電機(jī)的加速、動(dòng)能回收、剎車制動(dòng)、端頭自鎖電控解鎖、橫向行走與縱向行走切換，再反復(fù)循環(huán)。以橫向往復(fù)機(jī)構(gòu)從左向右運(yùn)動(dòng)為例，對往復(fù)電機(jī)的控制邏輯參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 單片機(jī)信號的采集與控制 Table 1 Signals collected and controlled by SCM

算法是通過對全速運(yùn)行持續(xù)時(shí)間 nT1′ 、動(dòng)能回收狀態(tài)持續(xù)時(shí)間 nT1′′ 和短路制動(dòng)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間 nT1′及其占空比的調(diào)整，達(dá)到設(shè)定的高速往復(fù)作業(yè)速度，同時(shí)為避免往復(fù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到端頭時(shí)速度太大造成沖擊，將往復(fù)機(jī)構(gòu)的慣性動(dòng)能帶動(dòng)往復(fù)電機(jī)發(fā)電，為蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能回收。如果靠近端頭末端的速度仍然過快，則使用短路制動(dòng)，避免沖擊。

Tn表示往復(fù)機(jī)構(gòu)第n次從左向右運(yùn)行的實(shí)時(shí)的時(shí)長(ms)，T0= T '0=2 400 ms。

T 'n表示往復(fù)機(jī)構(gòu)第n次從右向左運(yùn)行的實(shí)時(shí)的時(shí)長(ms)。

D1n表示往復(fù)機(jī)構(gòu)第n+1次從左向右運(yùn)行的占空比(%)。

F1n表示往復(fù)機(jī)構(gòu)第n次從左向右運(yùn)行，接近開關(guān)4 觸發(fā)到接近開關(guān)5 觸發(fā)的時(shí)間長參數(shù)(ms)，

3 剪葉試驗(yàn)

2013年3月，在湖南省桂陽縣正和煙草站育苗大棚進(jìn)行了剪葉試驗(yàn)。漂浮苗池寬2.5 m，長度分別為30 和60 m，苗盤為10×20 穴泡沫苗盤，煙苗平均高度130 mm，修剪高度100 mm。任意抽取其中10 盤。剪葉結(jié)果表明，傷苗率為0.4%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的1%，說明剪葉機(jī)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)對煙苗沒有傷害；漏剪率為0.55%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的5%，說明剪葉機(jī)的漏剪率很低；漏拾率為0.4%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的5%，說明集葉效果很好，基本沒有殘葉。隨機(jī)選取30 m 長苗池，完成剪葉所用時(shí)間約6.5min，剪葉效率達(dá)692 m2/h。

圖7 算法流程 Fig.7 Algorithm flowchart

[1] 張廣智．全自動(dòng)煙苗剪葉消毒機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D]．長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，2012．

[2] 盧秀萍．中國煙草品種現(xiàn)狀及育種對策[J]．西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，19：400–404．

[3] 李福明．烤煙小棚漂浮育苗關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，2005．

[4] 蔣蘋，胡文武，羅亞輝．機(jī)滾船遙控駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(6)：120–124．

[5] 蔣蘋，胡文武，羅亞輝．多通道學(xué)習(xí)型遙控器研究[J]．湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，18(2)：67–70．

[6] 胡文武，蔣蘋，艾衛(wèi)中，等．基于自學(xué)習(xí)機(jī)制的無線農(nóng)用水塔控制系統(tǒng)研究[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2010(4)：3–6．

[7] 郭天祥．新概念51 單片機(jī)C 語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

[8] 李進(jìn)，蔡延貴．軟啟動(dòng)技術(shù)在電機(jī)控制中的應(yīng)用[J]．化工設(shè)備與防腐蝕，2002，5(5)：331–333，310．

[9] 張衛(wèi)豐，王瑞春，劉德新．直流馬達(dá)軟啟動(dòng)電路研究[J]．通信電源技術(shù)，2011，28(1)：42–43．

[10] 李洪珠．直流電機(jī)的PWM 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．集成電路應(yīng)用，2005(10)：49–51．

[11] 宮芳．無線遙控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方案[J]．中國科技信息，2005(24)：53．

[12] 鄭宗漢，鄭曉明．算法設(shè)計(jì)與分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005：340–353．

[13] 禹建麗，Kroumov V，孫增圻，等．一種快速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃算法[J]．機(jī)器人，2001，23(3)：201–205．