牧草種子丸化包衣預(yù)混合實時控制系統(tǒng)的設(shè)計

牛文彩，陳 智，侯占峰，郭 芳，仇 義，弭龍凱，邵志威

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

種子丸化包衣可以提高種子質(zhì)量，促進(jìn)種子萌發(fā)和植株生長，改善種子的播種性能，有利于實現(xiàn)機(jī)械化精量播種。針對我國北方干旱半干旱地區(qū)退化草原生態(tài)建設(shè)問題，對牧草種子進(jìn)行丸化包衣處理，將有助于加速退化草原的植被恢復(fù)與重建。因此，研發(fā)牧草種子丸化包衣設(shè)備，提高其自動化程度，對于改善草原生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義[1-2]。

近年來，我國科技人員加快了種子丸化包衣設(shè)備的研發(fā)進(jìn)度，胡良龍等人在比較、借鑒國外先進(jìn)的種子包衣技術(shù)及控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新研究開發(fā)了5BY型種子包衣設(shè)備[3-4]。彭寶良等人系統(tǒng)地優(yōu)化了不同形狀種子的丸化加工工藝，研發(fā)了5WH-160型種子丸化包衣設(shè)備[5-6]。孫正等人設(shè)計的番茄種子包衣烘干系統(tǒng)，提升了設(shè)備的自動化水平，初步解決了番茄種子包衣丸化的難題[7]。雖然通過不斷地改進(jìn)，我國種子丸化包衣技術(shù)水平取得到了顯著提升，但仍存在一些問題[8-9]。例如，小粒不規(guī)則種子丸化包衣設(shè)備很少，且自動化程度較低，不同品種種子丸化工藝參數(shù)不確定，丸化包衣多籽率高，單籽率與包衣合格率低等，這些都會導(dǎo)致丸化包衣作業(yè)質(zhì)量難以提高[10]。

針對上述問題，設(shè)計了牧草種子丸粒化包衣預(yù)混合實時控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為控制核心，并結(jié)合變頻器、步進(jìn)電機(jī)和各種傳感器技術(shù)，實現(xiàn)了整個裝置的實時精確控制。經(jīng)過預(yù)混合后的牧草種子表面可均勻地包裹上種衣劑，在包衣鍋內(nèi)丸粒化包衣時不易與鍋壁粘結(jié)，可有效降低多籽率，提高單籽率及丸?；细衤?。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

牧草種子丸化包衣預(yù)混合系統(tǒng)主要包括種子定量供給裝置、藥液定量供給裝置、粉料定量供給裝置、種子與藥液和粉料實時混配裝置及其控制系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 工作原理

試驗時，種子由風(fēng)送裝置從儲料桶送至料斗內(nèi)，通過調(diào)節(jié)錐形閥門啟閉控制下料量；上料位傳感器和下料位傳感器實時監(jiān)測料斗內(nèi)物料情況，稱重傳感器采集稱重盤內(nèi)種子質(zhì)量信息。當(dāng)種子下落到稱重盤的同時撥盤電機(jī)帶動撥盤轉(zhuǎn)動使種子下落到種、液混合室內(nèi)；分流板的作用是分散種子，使其均勻地下落到藥液混合室內(nèi)。高壓泵將藥液送到噴頭進(jìn)行霧化，在種子下落過程中與霧化的藥液進(jìn)行接觸，使藥液在種子表面成膜，待成膜的種子下落到種、粉混合室內(nèi)，粉料經(jīng)星型喂料器送至噴頭開始進(jìn)行噴粉，成膜的種子與藥粉充分混合，隨后下落到與之相連的包衣鍋內(nèi)?；炝鲜液头垡汗艿乐g各連有控制閥門和高壓噴頭，使粉液以霧化的形式存在于混料室中，更利于種子和藥液及藥粉充分混合，提前讓種子在混料室內(nèi)預(yù)混合，可以防止其在包衣鍋內(nèi)粘結(jié)而增加丸化多籽率。

1.上料位傳感器 2.料斗 3.錐形閥 4.下料位傳感器 5.撥盤電機(jī) 6.控制閥 7.稱重盤 8.稱重傳感器 9.分流板 10.種液混合室 11.供液噴頭 12.種粉混合室 13.供粉噴圖1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure diagram

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

牧草種子丸化包衣預(yù)混合實時控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件和軟件兩部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體原理圖Fig.2 System general schematic diagram

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該硬件部分主要由單片機(jī)、傳感器組和驅(qū)動模塊等組成。

核心控制器選用STC12C5A60S2單片機(jī)，其速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)快8～12倍；工作電壓為3.5～5.5V；單片機(jī)內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路；支持ISP和PWM；自帶2路UART和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)。其還具有過熱關(guān)機(jī)鎖存、過壓保護(hù)鎖定及欠壓關(guān)閉等功能。選擇單片機(jī)作為控制核心既可保證快精準(zhǔn)的運算，又可以針對強(qiáng)干擾場合的電機(jī)進(jìn)行控制，且其引腳資源豐富有利于外設(shè)控制和數(shù)據(jù)讀取[11]。

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊包含上、下料位傳感器模塊、稱重傳感器模塊和流量監(jiān)測模塊。

料斗內(nèi)有種子時，上料位傳感器發(fā)出信號，撥盤轉(zhuǎn)動下料，延時數(shù)秒開始供液，繼續(xù)延時數(shù)秒開始供粉；料斗內(nèi)無種子時，下料位傳感器發(fā)出信號，風(fēng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等各部件依次停止工作。上、下料位傳感器采用LJC18A3-B-Z/BX型電容式接近開關(guān)，其工作電壓為DC 6～36V，檢測距離1～10mm可調(diào)。

液流檢測計的作用是實時檢測流體管道中藥液的情況。選用CYG3002型高精度壓力控制開關(guān)，準(zhǔn)確度為0.5級，過載壓力為兩倍滿量程，溫度漂移≤±0.5%FS/℃，穩(wěn)定性最大不超過±0.2%FS/年。其具有體積小、穩(wěn)定性高和靈敏度高等特點。

由于牧草種子很輕，為了保證供種的精確性，選擇量程為0～1kg、精度0.01g的高精度雙孔懸臂應(yīng)變式稱重傳感器，其綜合誤差<0.05%F.S，靈敏度為0.8±0.1mV/V，激勵電壓5～10V，過載能力達(dá)到150%F.S。其具有精度高、易加工、結(jié)構(gòu)簡單緊湊及抗偏載能力強(qiáng)等特點；但由于傳感器輸出信號的電壓幅度非常小，且易受外部噪聲干擾，所以選用A/D轉(zhuǎn)換器HX711對稱重傳感器輸出信號進(jìn)行調(diào)理[12]。調(diào)理電路原理圖如圖3所示。

圖3 調(diào)理電路圖Fig.3 Conditioning circuit diagram

電容C1、C2和HT7350組成的穩(wěn)壓電路，將電源電壓穩(wěn)定到5V，為信號調(diào)理電路提供標(biāo)準(zhǔn)恒定的工作電源，P2.0口和P2.1口分別連接IIC時鐘和數(shù)據(jù)控制端口。

2.1.2 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊主要包含步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、變頻器驅(qū)動模塊和控制閥驅(qū)動模塊。

預(yù)混合過程中，粉料供給由星型喂料器內(nèi)步進(jìn)電機(jī)帶動撥料盤轉(zhuǎn)動，通過風(fēng)機(jī)將粉料送至出風(fēng)口，再經(jīng)粉料管道傳送至混料室內(nèi)。由于步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)動角度固定，粉料總質(zhì)量一定，所以每次下落的粉料質(zhì)量一定，可通過利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿從而帶動包衣鍋在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，完成任意角度設(shè)定的任務(wù)。經(jīng)多次試驗后，最終確定每轉(zhuǎn)動一步下落的粉料量。

步進(jìn)電機(jī)采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器選用升級版TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。試驗選用的步進(jìn)電機(jī)固有步距角為1.8°，驅(qū)動器最高可實現(xiàn)32細(xì)分，在32細(xì)分下步距角為0.056 25°，可精確調(diào)節(jié)撥料盤轉(zhuǎn)動角度。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路電路圖Fig.4 Drive circuit diagram of stepper motor

其中，P1.0口控制使能信號，P1.1口控制方向信號，P1.2口控制脈沖信號，分別通過EN-、DIR-和 PUL-接入。驅(qū)動器采用共陽極接線方法，將EN+、DIR+和 PUL+連接到控制系統(tǒng)的+5V電源，通過中斷延時程序改變輸出脈沖，輸出的脈沖經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的各項繞組，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的運行，步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號執(zhí)行相應(yīng)的動作。

藥液供給由電機(jī)帶動計量泵從貯藥桶精確取液，再經(jīng)流體管道送至混料室。工作原理：通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速使泵的輸出流量發(fā)生變化，從而達(dá)到通過改變流體泵源的排量來調(diào)節(jié)回路中的流量、進(jìn)行容積式控制的效果。在此回路中，泵輸出的流體直接進(jìn)入執(zhí)行元件，沒有溢流和節(jié)流損失，具有效率高、發(fā)熱少等特點[13]。

選用型號為VFD015M21A-A型變頻器，采用多重防護(hù)技術(shù)能顯著提高整機(jī)的抗干擾能力。其輸出頻率最高達(dá)到400Hz，載波頻率可達(dá)15kHz，內(nèi)置PID回授控制，并具有自動滑差補(bǔ)償功能，可通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，有效控制取液量。變頻器驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

圖5 變頻器驅(qū)動電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of the drive circuit of frequency converter

利用PCF8591的DA轉(zhuǎn)換功能，將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)輸出的模擬信號并送入變頻器的AVI端子，進(jìn)而控制變頻器的頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

通過控制控制閥的啟閉進(jìn)而控制粉料和藥液噴射時間，實現(xiàn)實時控制。管道中控制閥選用24V直流控制閥，通過控制繼電器開合來確定控制閥的啟閉。驅(qū)動控制閥電路如圖6所示。

圖6 控制閥驅(qū)動電路圖Fig.6 Drive circuit diagram of control valve

選用光電耦合繼電器，在一定程度上隔斷干擾信號，提高抗干擾能力[14]。光電耦合器接收P1.3口輸出信號，發(fā)光二極管發(fā)光，光電耦合器的輸出端光敏三極管飽和，為驅(qū)動用晶體管提供基極電流，控制閥閉合。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

牧草種子丸化包衣預(yù)混合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序模塊、傳感器采集模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、變頻器控制模塊，以及串行通訊模塊幾大部分。采用C語言對軟件程序進(jìn)行編寫，并使用編碼器Keil-μVision5將寫好的程序編譯為機(jī)器碼。

在系統(tǒng)自動工作過程中，主程序首先完成硬件及各傳感器的初始化工作，延時一段時間后，啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行供種；當(dāng)上料位傳感器發(fā)出信號時步進(jìn)電機(jī)帶動撥片轉(zhuǎn)動，當(dāng)稱重傳感器采集的信息顯示達(dá)到預(yù)設(shè)所需質(zhì)量時，進(jìn)行供粉、供液等一系列操作，直到完成整個預(yù)混合過程。預(yù)混合系統(tǒng)工作控制流程圖如圖7所示。

圖7 工作控制流程圖Fig.7 Working control flow chart

3 試驗與分析

3.1 稱重傳感器的標(biāo)定實驗

由于試驗研究的牧草種子質(zhì)量小，要求稱重精度高，且本控制系統(tǒng)執(zhí)行元件多，會有一定的噪聲產(chǎn)生，經(jīng)了解決定采用函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對本系統(tǒng)稱重模塊進(jìn)行精確標(biāo)定[15]。

方法：將U作為稱重傳感器標(biāo)定時的輸出值，X作為標(biāo)定時實際稱重值。假設(shè)擬合方程(1)中，U為稱重傳感器標(biāo)定時輸出值，X為標(biāo)定時實際稱重值，則

xi(ui)=a0+a1ui+a2ui2+a3ui3+…+anuin

(1)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(2)中W為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)限值，X為稱重傳感器相應(yīng)的實際值。其中，擬合方程(1)中i、u1、u2、u3等作為函數(shù)鏈神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值U，把試驗值按照一定順序輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用學(xué)習(xí)迭代法進(jìn)行權(quán)值的優(yōu)化。多次進(jìn)行學(xué)習(xí)優(yōu)化；直到輸出值的估計誤差均方差根值(MSE)達(dá)到規(guī)定足夠小的值，學(xué)習(xí)結(jié)束學(xué)習(xí)過程[16]。其中，估計誤差ei(k)計算方法及權(quán)值調(diào)節(jié)式為

(2)

ei(k)=xi-xiest(k)

(3)

Wj(k+1)=wj(k)+ηiei(k)uij

(4)

其中，xiest(k)為第k步神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)后的輸出估計值；xi為第i個標(biāo)定點的輸入值；eij為估計誤差；wj(k)為第k步時的第j個連接權(quán)值；ηi為學(xué)習(xí)因子。

利用已構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過MatLab軟件計算出當(dāng)U作為稱重系統(tǒng)輸出值，X作為系統(tǒng)輸入值時的擬合曲線方程，即

x=0.0064+0.9816u+2×10-5u2-4×10-7u3

標(biāo)定過程采用國標(biāo)F2級標(biāo)準(zhǔn)砝碼5、10、20、50、100g等5種規(guī)格對傳感器進(jìn)行標(biāo)定測試，將0～100g按照5g一組，每組測量5次，每組數(shù)據(jù)取均值，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

系統(tǒng)誤差=100%×(實際質(zhì)量-標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量)/標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量

由表1可知：該稱重系統(tǒng)的誤差不大于2%；相比于傳統(tǒng)標(biāo)定方法(5%左右的誤差)，有效提高了稱重系統(tǒng)的標(biāo)定精度和可靠性，為精確供種系統(tǒng)提供了保障。

3.2 實時性和精確性測定試驗

實現(xiàn)種子、藥液和粉料三者之間的實時供給和精確控制是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。步進(jìn)電機(jī)帶動星型喂料器精確供粉和變頻器帶動計量泵精確供液的同時，考慮到定時器設(shè)定時間與各執(zhí)行部件實際響應(yīng)時間的誤差大小，對整個系統(tǒng)而言也十分重要。以控制閥每吸合一次的延時時間為例，采用光電法，用頻率計對其進(jìn)行測量，試驗進(jìn)行10次。當(dāng)定時器設(shè)定時間為1s時，測定的實際時間如表2所示。

表2 定時時間和實際時間關(guān)系表Table 2 Timed time and actual time relationTable

由表2可知：10次測定試驗中，數(shù)值相對穩(wěn)定，最大誤差不超過1.31%。這說明當(dāng)定時器設(shè)定1s控制閥啟閉1次時，測量10次得到的平均時間為1.192s，比定時器設(shè)定時間1s大2%，誤差中還包括控制閥機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)等，因此延時誤差極小可忽略不計[17]。

3.3 對照試驗

以牧草種子丸化包衣設(shè)備為例，在選用100g牧草種子且包衣時間同為20 min的條件下，以單籽率及多籽率和丸化包衣合格率為性能檢測指標(biāo)，將預(yù)混合系統(tǒng)安裝前和預(yù)混合系統(tǒng)安裝后，進(jìn)行對照試驗，研究丸化包衣預(yù)混合系統(tǒng)的引入對牧草種子丸化包衣機(jī)的有籽率及單籽率的影響。每組性能試驗進(jìn)行5次，試驗結(jié)果取平均值測得單籽率、多籽率及丸化包衣合格率，如表3所示。

單籽率測定方法：每組選取100粒丸化好的牧草種子，人工碾碎，統(tǒng)計單籽的顆粒數(shù)，再除以總種子數(shù)100粒，重復(fù)取樣10次，取其平均值。同樣每組選取100粒丸化好的牧草種子，采用5倍放大鏡觀察每粒試樣，選取種子丸化覆蓋面積大于80%的草種數(shù)(中華人民共和國機(jī)械工業(yè)局推薦標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7730—2011中以種衣劑覆蓋面積大于80%的草種認(rèn)定為包衣合格)，再除以總種子數(shù)100粒，得到丸化包衣合格率。試驗重復(fù)取樣10次，取其平均值。

表3 對照試驗數(shù)據(jù)表Table 3 Contrast test data Table %

k1表示引入預(yù)混合控制系統(tǒng);k2表示未引入預(yù)混合控制系統(tǒng)。

由表3可知：經(jīng)過預(yù)混合裝置后的牧草種子的單籽率和丸化合格率均有所提高。部分種子試驗對比圖如圖8所示。

圖8 前后試驗對比圖Fig.8 Contrast test chart

4 結(jié)論

1)設(shè)計牧草種子丸化包衣預(yù)混合裝置，并以STC12C5160S2單片機(jī)為控制核心，實現(xiàn)了整個預(yù)混合裝置的自動控制功能。

2)對牧草種子是否進(jìn)行預(yù)混合過程進(jìn)行對照試驗，結(jié)果表明：當(dāng)整個丸化包衣時間相同時， 經(jīng)過預(yù)混合的牧草種子丸化包衣單籽率為92%，合格率為95%；未經(jīng)過預(yù)混合的牧草種子丸化包衣單籽率僅為83%，合格率為90%。因此，加入預(yù)混合裝置并實現(xiàn)自動控制，可以提高牧草種子丸化包衣合格率與單籽率。