手持式電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

杜毅鵬，石世紀(jì)，劉宏博，趙 進(jìn)，任震宇，何培祥，羅 翔,韓小斌

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣總站，貴陽(yáng) 550003；3.貴州省煙草公司遵義市公司，貴陽(yáng) 563000)

0 引言

煙草種植主要以煙葉產(chǎn)量為最終目的，在其種植過(guò)程中必須采用打頂抑芽的方式，抑制它的頂端優(yōu)勢(shì)，盡可能地促進(jìn)煙草植株葉片的生長(zhǎng)。打頂抑芽是提高煙葉產(chǎn)量的重要的農(nóng)藝步驟，目前在煙草種植中普遍應(yīng)用[1]。

當(dāng)前，人工打頂還是主要的方法，既直接用普通的剪刀將煙草的頂端剪掉，然后噴灑抑芽劑，工序復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，隨意性大，機(jī)械化程度低。我國(guó)對(duì)于煙草打頂機(jī)械的研發(fā)仍處于萌芽階段，主要由高校開(kāi)展。如2011年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的智能煙草打頂抑芽控制系統(tǒng)，放置于2ZYLJ-1型多功能作業(yè)機(jī)上作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙草高度的精確仿形，集打頂裝置、消毒裝置、抑芽劑噴施裝置于一體，促進(jìn)了煙草農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提升[2]。相較于國(guó)內(nèi)，美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家早已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化聯(lián)合作業(yè)，能夠同時(shí)完成煙草打頂、抑芽及收集等多個(gè)農(nóng)藝[3]。美國(guó)對(duì)煙草打頂抑芽相關(guān)機(jī)械的研究可以追溯到20世紀(jì)90年代[4-5]。農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在多年的技術(shù)積累和改進(jìn)過(guò)程中正在朝現(xiàn)代化、智能化、一體化方向發(fā)展，這也是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[6]。由國(guó)內(nèi)外研究情況來(lái)看，目前主要是大中型機(jī)械，適用于平坦遼闊的地形，對(duì)于我國(guó)西南山地丘陵地區(qū)的實(shí)用性較差。我國(guó)重慶、貴州、云南等西南地區(qū)主要以山地丘陵地形為主，煙草種植面積更是超過(guò)全國(guó)種植面積的50%以上[7]。因此，研發(fā)一種體積小、質(zhì)量輕，施藥精確且能夠在山地丘陵地區(qū)推廣使用的打頂抑芽裝置顯得尤為必要[8]。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

手持式電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)包括打頂抑芽剪、抑芽劑和消毒液噴施系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，如圖1所示。

1.動(dòng)刀片 2.定刀片 3.定噴頭 4.扇形齒輪 5.電機(jī)齒輪 6.抑芽劑輸送管 7.抑芽劑電磁閥 8.支撐平板 9.背帶 10.藥箱 11.抑芽劑泵 12.消毒液泵 13.消毒液電磁閥 14.電池及控制盒 15.消毒液輸送管 16.抑芽劑輸送管 17.手柄 18.作業(yè)開(kāi)關(guān) 19.電機(jī) 20.電機(jī)軸螺母 21.磁鐵 22.動(dòng)噴頭

打頂抑芽剪為手持式的，包括剪切系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)架。剪切系統(tǒng)為1對(duì)通過(guò)螺栓相嚙合的刀片，刀片嚙合平面與機(jī)架成45°夾角，以便形成具有一定傾斜角度的截面，定刀片通過(guò)螺栓和機(jī)架相連[9]，動(dòng)刀片通過(guò)螺栓和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相連。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、電機(jī)齒輪和扇形齒輪，主要把電機(jī)的扭矩通過(guò)電機(jī)齒輪和扇形齒輪傳遞到動(dòng)刀片，實(shí)現(xiàn)兩刀片的張開(kāi)和閉合，從而完成剪切工作。電機(jī)通過(guò)電機(jī)軸螺母和機(jī)架相連，機(jī)架包括手柄和支撐平板，為各系統(tǒng)提供支撐并為作業(yè)者提供操作部分。抑芽劑和消毒液噴施系統(tǒng)包括藥箱、抑芽劑泵、消毒液泵、抑芽劑電磁閥、消毒液電磁閥、噴頭、消毒液輸送管及抑芽劑輸送管。其中，消毒液泵和抑芽劑泵安裝于藥箱底部，實(shí)現(xiàn)藥液向噴頭的輸送。抑芽劑泵和抑芽劑輸送管間連接抑芽劑電磁閥，安裝在機(jī)架上，控制電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制噴藥量。消毒液泵和消毒液輸送管間連接消毒液電磁閥，控制電磁閥的導(dǎo)通和斷開(kāi)，從而控制消毒液的噴施。噴頭通過(guò)螺栓固定在刀片上，噴頭底面和機(jī)架平行，噴頭下端均勻分布有抑芽劑噴孔，動(dòng)噴頭上有消毒液滲透槽，槽內(nèi)裝有海綿；當(dāng)剪切工作完成時(shí)，兩噴頭閉合，抑芽劑電磁閥打開(kāi)，向煙草植株中心噴施抑芽劑，同時(shí)消毒液電磁閥打開(kāi)，給刀片進(jìn)行消毒。

煙草人工打頂一般分為兩個(gè)動(dòng)作，先進(jìn)行打頂再噴施抑芽劑，采用這種方法，工序比較復(fù)雜，所需時(shí)間較長(zhǎng)，影響了工作的效率，加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，且無(wú)法控制噴藥量。采用傳統(tǒng)的剪刀打頂后，煙草植株的斷面干枯后，會(huì)形成一個(gè)中間凹陷，下雨后雨水極易匯集在該凹陷內(nèi)，并且可能通過(guò)該凹陷滲入煙桿內(nèi)，造成煙桿的腐爛；同時(shí)，在需要打頂?shù)臒煵葜仓曛型ǔ６紩?huì)存在少部分被細(xì)菌感染的煙桿，在對(duì)這部分煙草植株打頂后，剪刀上或多或少會(huì)殘留有細(xì)菌或者病毒，繼續(xù)給煙草打頂時(shí)容易把細(xì)菌或者病毒帶給其他煙草植株，造成植株被感染，生病壞死。該手持式電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)在一次工作周期中，同時(shí)完成打頂、抑芽和噴施消毒液3個(gè)動(dòng)作，同時(shí)形成具有一定傾斜角度的截面，在斷面干枯后仍然保持為斜面，減少雨水的匯集。主要工作流程為：作業(yè)者按下工作開(kāi)關(guān)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，刀片閉合進(jìn)行剪切；到達(dá)極限位置，刀片停止，抑芽劑電磁閥打開(kāi)，定量噴施抑芽劑；同時(shí)消毒液電磁閥打開(kāi)，噴施消毒液，等待一定時(shí)間，藥液噴施完成，電磁閥關(guān)閉；揚(yáng)聲器鳴叫以提醒操作者松開(kāi)工作開(kāi)關(guān)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，刀片張開(kāi)，到達(dá)初始位置，刀片停止，電機(jī)停止等待下次工作。工作流程圖如圖2所示。

圖2 工作流程圖

手持式電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括硬件電路和軟件程序。考慮各部件控制對(duì)計(jì)算速度和反應(yīng)速度沒(méi)有特別要求，最終選擇PIC18F23K22單片機(jī)為主控芯片，其有28個(gè)引腳，8MHZ內(nèi)部晶振，8K程序存儲(chǔ)器，完全符合設(shè)計(jì)要求。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，輸入信號(hào)主要有作業(yè)開(kāi)關(guān)信號(hào)、電源電壓信號(hào)、抑芽劑噴施量調(diào)節(jié)信號(hào)及刀片位置信號(hào)等，以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、抑芽劑泵和消毒液泵的工作，以及抑芽劑電磁閥和消毒液電磁閥的導(dǎo)通和斷開(kāi)。為了確保工作的可靠性，設(shè)計(jì)了故障報(bào)警模塊及剪切次數(shù)記錄功能，同時(shí)嵌入NFC無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)實(shí)時(shí)通信，及時(shí)了解該裝置的工作狀態(tài)。其具體電路原理圖如圖3所示。

2 硬件電路模塊化設(shè)計(jì)

2.1 電源及復(fù)位電路

該電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)的單片機(jī)工作所需電壓為+5V直流電源，整機(jī)采用的是12V鋰電池，需要將12V鋰電池電壓轉(zhuǎn)化為+5V。本文選用LM7805穩(wěn)壓模塊，12V經(jīng)過(guò)LM7805后可輸出穩(wěn)定的+5V電壓，電路圖如圖4所示。復(fù)位引腳連接著相應(yīng)復(fù)位電路，復(fù)位電路采用典型電路。

2.2 刀片位置檢測(cè)電路

刀片位置檢測(cè)采用霍爾傳感器SS41F，兩個(gè)磁鐵固定在扇形齒輪上，即刀片張開(kāi)和閉合對(duì)應(yīng)的兩個(gè)極限位置；傳感器固定在定噴頭上，這樣當(dāng)?shù)镀瑥堥_(kāi)或閉合時(shí)，扇形齒輪上的磁鐵到達(dá)相應(yīng)的極限位置，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電平變化信號(hào)，并借助運(yùn)算放大器將該信號(hào)傳輸至PIC單片機(jī),單片機(jī)即可通過(guò)電平變化確定刀片的位置。

圖3 電路原理圖

圖4 電源電路

2.3 抑芽劑噴施量調(diào)節(jié)電路

抑芽劑噴施量調(diào)節(jié)利用電位器R9的分壓檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電位器接入+5V電源，參考電壓選擇VDD，單片機(jī)引腳AN11通過(guò)AD(Analog-to-Digital)轉(zhuǎn)換檢測(cè)電位器R9分壓變化，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算，計(jì)算出相應(yīng)的噴藥時(shí)間從而得到相應(yīng)的設(shè)置噴施量，并采用RC濾波濾掉調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺，使得抑芽劑施藥量調(diào)節(jié)更精確。

2.4 電源電壓檢測(cè)電路

該電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)需要對(duì)電源電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦電壓過(guò)低，立即停止工作并提示用戶。采用電阻分壓的的方式對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，分壓電阻R11、R12 將電源電壓分壓，保證電壓在PIC單片機(jī)可識(shí)別范圍，采集的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后發(fā)送到單片機(jī)的A/D接口，從而實(shí)現(xiàn)電壓的檢測(cè)。

2.5 作業(yè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路

作業(yè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，5V電壓通過(guò)R13、R14加在電容C7上，單片機(jī)輸入電平為高電平；當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合后，R13、R14接地，電容C7放電，輸入單片機(jī)的電平為低電平，通過(guò)高低電平的變化來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合；同時(shí)，R14和C7構(gòu)成RC濾波電路，起到硬件防抖的作用[10]。

2.6 外部晶振電路

考慮該打頂抑芽系統(tǒng)有NFC無(wú)線通信模塊，采用串口通信方式，需要保證時(shí)鐘頻率精度，所以采用外部晶振方式為提供系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，兩個(gè)電容起到協(xié)助晶振起振的作用。

2.7 無(wú)線通信模塊連接電路

NFC無(wú)線通信模塊，具有簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，其只有4個(gè)外接引腳，分別是GND接地引腳、VCC電源引腳、通信引腳SCL和SDA。其通過(guò)I2C與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，并使用特殊功能引腳SCL1、SDA1。

2.8 電機(jī)控制電路

借助繼電器KA1和KA2實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，繼電器的斷開(kāi)和導(dǎo)通由單片機(jī)RC0和RC1發(fā)出的信號(hào)控制三極管Q0、Q1的導(dǎo)通和截止來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)繼電器KA1和KA2都閉合或都斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)停止不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)KA1閉合、KA2斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)刀片閉合；當(dāng)KA1斷開(kāi)、KA2閉合時(shí)，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)刀片張開(kāi)。二極管D2、D3在三極管Q0、Q1關(guān)斷時(shí)起到續(xù)流的作用。

2.9 抑芽劑泵和消毒液泵供電控制電路

供電電壓的穩(wěn)定性對(duì)裝置藥泵噴藥量的準(zhǔn)確性起著決定性的作用，因此藥泵供電控制電路的設(shè)計(jì)起著難以忽略的作用。利用高頻PWM信號(hào)控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)閉，進(jìn)而控制藥泵的電壓，改變PWM的占空比從而調(diào)節(jié)藥泵兩端的平均電壓，從而確保電路電壓的穩(wěn)定。

2.10 抑芽劑、消毒液電磁閥和揚(yáng)聲器控制電路

電磁閥和揚(yáng)聲器采用場(chǎng)效應(yīng)管電路進(jìn)行控制，由單片機(jī)的RA1、RA2、RA3引腳分別控制Q4、Q5、Q6的截止和導(dǎo)通；電磁閥線圈和揚(yáng)聲器作為感性負(fù)載，需要并聯(lián)D6、D7、D8進(jìn)行續(xù)流，R23、R25、R27為限流電阻，同時(shí)并聯(lián)R24、R26、R28消除分布電容效應(yīng)。

2.11 指示燈控制電路

指示燈由單片機(jī)RA5引腳直接進(jìn)行控制，串聯(lián)電阻R29用于限流。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于工作流程圖和硬件電路，并采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)的軟件程序的編寫(xiě)。采用了模塊化設(shè)計(jì)理念，軟件程序除了主程序還包括各功能子程序，即初始化子程序、藥液充滿藥管子程序、電源電壓檢測(cè)子程序、施藥量檢測(cè)子程序、藥泵穩(wěn)壓子程序、電機(jī)控制子程序、刀片位置檢測(cè)中斷子程序、噴藥子程序以及I2C通信子程序等。該程序能夠在1個(gè)工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)煙草打頂、抑芽和噴灑消毒液的工作。其主程序流程圖如圖5所示。

4 性能試驗(yàn)

為了測(cè)試該電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)的實(shí)際性能，在西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)田分別進(jìn)行了抑芽劑噴藥量精度試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。

4.1 抑芽劑噴藥量精度試驗(yàn)

試驗(yàn)所用到的設(shè)備主要有手持式電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)、水桶及250mL量程的量杯。

進(jìn)行抑芽劑噴藥量精度試驗(yàn)時(shí)，對(duì)抑芽系統(tǒng)設(shè)置了11組設(shè)定值，從10m～20mL每隔1mL進(jìn)行1組試驗(yàn)，每組進(jìn)行10次試驗(yàn)，測(cè)得總的抑芽劑噴藥量，計(jì)算出每次的平均噴藥量，最后采用偏差分析。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖5 主程序流程圖

噴施次數(shù)液量/mL每次平均液量/mL設(shè)定量/mL噴施偏差/%平均偏差/%10989.8102.0010910.9110.9111611.6123.3313413.4133.0814514.5143.57 14814.8151.25 15815.8161.25 16316.3174.12 17817.8181.1118718.7191.58 20220.2201.00 2.11

由表1可知：該電動(dòng)打頂抑芽系統(tǒng)抑芽劑噴藥量平均偏差在2.11%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該煙草打頂抑芽系統(tǒng)的實(shí)際工作性能，于2018年在西南大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：該打頂抑芽系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的各項(xiàng)工作，實(shí)現(xiàn)了在1個(gè)工作周期中完成打頂、抑芽和消毒液的噴施；抑芽劑噴施效果良好，藥液能夠呈一定角度噴向煙草株桿，包裹性能良好，實(shí)現(xiàn)了在每次剪切后對(duì)刀片的消毒，同時(shí)其剪切截面呈一定傾斜角度；在田間完成了工作效率的測(cè)定，從刀片閉合到噴施完成刀片張開(kāi)，每株煙草平均用時(shí)3.1s。

5 結(jié)論

按照模塊化的思路，設(shè)計(jì)了一種手持式電動(dòng)煙草打頂抑芽系統(tǒng)，包括整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在1個(gè)工作周期中完成打頂、抑芽和噴施消毒液的工作，提高了工作效率。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地控制抑芽劑的噴施量，噴施誤差在5%以內(nèi)，大大提高了抑芽劑的利用率，降低了成本，減少了煙株細(xì)菌病毒的感染，提高了經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步推動(dòng)了煙草農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程。