基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

劉紅艷，張明偉

(濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河南 濟源 454650)

0 引言

機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，玉米脫粒裝置可快速將玉米籽粒和芯棒進行分離，不僅可以有效提高機械化作業(yè)效率，而且也大大改善了玉米收獲及初加工過程的工作環(huán)境，有效降低了勞動強度，還可以大大降低人工成本和時間成本。本文以玉米脫離裝置為研究對象，采用ARM和模糊控制技術(shù)，設(shè)計了基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)，對降低整個作業(yè)的勞動強度、提高工作效率具有重要意義。

1 玉米脫粒機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般玉米脫粒機需求主要有：①完成粒、梗分離，脫粒深淺可以控制；②入料口處配有鏈條進給裝置，入料快捷方便；③玉米剝凈率程度高、低破碎率低；④刀具使用壽命長。其主要功能分析如圖1所示。

圖1 玉米脫粒機功能分析圖

為了設(shè)計滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，玉米脫粒機主要由入料口、轉(zhuǎn)動軸座、主軸、傳動帶、釘齒脫粒滾筒軸、電機、柵格式篩選板、出粒板、鋼筋、半圓鐵條和出料口組成，如圖2所示。

1.入料口 2.轉(zhuǎn)動軸座 3.主軸 4.大帶輪 5.傳動帶 6.電機 7.小帶輪 8.機架 9.柵格式篩選板 10.鋼筋 11.半圓鐵條 12.釘齒 13.釘齒條 14.圓盤 15.螺栓 16.出料口圖2 玉米脫粒機整體結(jié)構(gòu)圖

為了實現(xiàn)玉米脫粒機結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，本文采用電力作為動力來源，電動機安裝在機器右下角，固定在脫粒機的機梁上，以最大限度地節(jié)省空間。玉米脫粒機主要部分的介紹如下：

1)入料口。入料口是玉米棒進入脫粒機的唯一入口，與機器上蓋連在一起，由1cm的鋼板制作，入料部位與玉米眼釘齒脫粒滾筒軸相切。入料口的作用是通過該部件將未帶皮的玉米棒填入機體，并保證玉米棒不會被飛濺出來，能夠順利進入到脫粒裝置內(nèi)，完成脫粒過程。入料口結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

2)脫粒裝置。脫粒裝置包括釘齒脫粒滾筒軸和柵格式篩選板兩部分。其主要流程為：未帶皮的玉米棒進去脫粒裝置中，在釘齒脫粒滾筒軸的作用下完成脫粒，接下來玉米粒從柵格式篩選板進行簡單的篩選，然后落入到下滑板，從出料口排出。

3)篩選裝置。篩選裝置由一塊柵格式篩選板構(gòu)成，其主要功能有兩個：①柵格式篩選板之間存在一定的縫隙，可以將玉米粒和芯棒分開，并從不同的出口排出；②在釘齒脫粒滾筒軸帶著玉米棒轉(zhuǎn)動時，卡住玉米棒，以便滾筒軸快速、穩(wěn)定地完成脫粒作業(yè)。柵格式篩選板結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖3 入料口結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 柵格式篩選板結(jié)構(gòu)示意圖

4)機架。玉米脫粒機機架主要包括機梁、出料口和下滑板等部件，是整個機器的支撐，負責(zé)承擔(dān)機身和加工農(nóng)產(chǎn)品的所有質(zhì)量。由于機架所承重力大，因此機架必須穩(wěn)定，確保機器在正常作業(yè)過程中不會出現(xiàn)晃動或倒塌等。

2 脫粒裝置模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 脫粒裝置控制系統(tǒng)設(shè)計要求

1)釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速。釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速主要由電動機功率決定，本文設(shè)計的正常轉(zhuǎn)速為750r/min。

2)釘齒轉(zhuǎn)速。釘齒脫粒滾筒軸正常轉(zhuǎn)動時，釘齒條的釘齒也會跟著轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)速受釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速和釘齒半徑的影響，即

(1)

其中，V為釘齒轉(zhuǎn)速；Nz為釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速；D為釘齒兩端軸心距。將各參數(shù)值帶入式(1)，計算得出釘齒轉(zhuǎn)速為9.42m/s。

3)電動機功率。假設(shè)玉米脫機機器正常工作時的功率為Pw，該功率由阻力和各參數(shù)進行計算，即

(2)

根據(jù)釘齒脫粒滾筒軸的設(shè)計參數(shù)可知，每個釘齒受力為40N，在正常脫粒作業(yè)中一般會有兩條釘齒條對玉米進行打擊操作，故其所受力為

F=N·M·Z

(3)

其中，N為每個釘齒受力所受的力(N)；M為參與的釘齒數(shù)量，一共有7個；Z為釘齒條數(shù)，一共有2條。根據(jù)各參數(shù)值，可以算出F=560N。

計算得出Pw=5.28kW，因此需要選擇5.5kW的電動機。

2.2 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成框架

模糊控制系統(tǒng)是一種將模糊數(shù)學(xué)和理論控制技術(shù)相結(jié)合的自動控制系統(tǒng)，具備一般的數(shù)字控制結(jié)構(gòu)體系。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

模糊控制系統(tǒng)一般包括模糊控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象和交互接口等4個部分。

1)模糊控制器：主要負責(zé)對輸入量的模糊化，并通過計算推理控制輸出量的計算處理等。

2)交互接口：主要負責(zé)輸入輸出信號的A/D、D/A的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路是將傳感器采集到模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；D/A轉(zhuǎn)換電路則是將ARM的GPIO管腳輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成能夠驅(qū)動控制執(zhí)行機構(gòu)的模擬量。

3)廣義對象：主要包括執(zhí)行機構(gòu)和被控對象。

4)傳感器：主要負責(zé)執(zhí)行機構(gòu)和被控對象的輸出信號的采集。

2.2.2 嵌入式模糊控制器的設(shè)計

以釘齒脫粒滾筒軸轉(zhuǎn)速為控制對象，其功耗計算表達式為

(4)

其中，ω為滾筒軸的角速度；J為滾筒軸轉(zhuǎn)動慣量；r為滾筒軸半徑；N為機器正常作業(yè)時發(fā)動機的功率；a、b分別為摩擦力和空氣阻力；f為摩擦系數(shù)；γ為谷草比；λ為玉米粒出口速度和滾筒軸轉(zhuǎn)速之比；q為玉米的喂入量。

因此，設(shè)定滾筒角速度為控制器的輸入信號，玉米喂入量和電機轉(zhuǎn)速為輸出控制量。

本文采用微處理器作為模糊控制器的核心，結(jié)合軟件編程實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的計算和控制。為了方面ARM控制器實現(xiàn)模糊控制算法，本文采用二維控制結(jié)構(gòu)。嵌入式模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 嵌入式模糊控制器結(jié)構(gòu)

3 玉米脫?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

玉米脫粒控制系統(tǒng)硬件它主要包括ARM嵌入式構(gòu)成的模糊控制器、流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、ADC、人機交互界面、電壓檢測、電機驅(qū)動電路和報警電路等，如圖7所示。

1)ARM嵌入式模糊處理器。本研究采用ATMEL公司的AT91SAM9261處理器為核心控制器，該芯片擴展和集成了DSP指令集和Jazelle Java 加速器，是一款性能卓越的工業(yè)級嵌入式處理器。其具備的功能有：①主時鐘頻率高達190MHz，處理速度快；②集成了LED控制器，支持BW模式，支持TFT-LCD和STN-LCD；③集成了JTAG-ICE和UART調(diào)試通道系統(tǒng)等多個調(diào)試接口，方便開發(fā)人員開發(fā)和調(diào)試。

2)電機驅(qū)動電路。電機驅(qū)動電路由D/A轉(zhuǎn)換電路、運放和變頻電路構(gòu)成，如圖8所示。D/A轉(zhuǎn)化電路將AT91SAM9261處理輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量，然后由OP07運算放大器對信號進行放大。最后，OP07放大的后模擬型號去驅(qū)動變頻器，進而實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的控制。

圖7 玉米脫?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖8 電機驅(qū)動電路

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

玉米脫?？刂葡到y(tǒng)的軟件操作流程如下：①開機自檢→②電壓檢測→③設(shè)定系統(tǒng)控制參數(shù)→④檢測滾筒角轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)采用C語言模塊化設(shè)計，主要包括主程序、定時中斷程序、轉(zhuǎn)速檢測程序、流量檢測程序、顯示程序及模糊控制器算法等。系統(tǒng)主程序流程如圖9所示。

4 試驗與結(jié)果分析

為了驗證玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性和可靠性，對該系統(tǒng)進行了實際生產(chǎn)試驗。試驗過程中，采用手工喂入的方式，將玉米出皮后勻速喂入。試驗進行3次，喂入量分別是4.0、4.5、5.0kg/s。玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)工作界面如圖10所示，試驗結(jié)果如表1所示。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

圖10 玉米脫機控制系統(tǒng)顯示界面

試驗序號喂入量/kg·s-1脫離率/%破碎率/%14.097.680.4424.597.150.4635.098.200.53

試驗中，3次試驗的玉米籽粒脫離率在97%以上，成功率非常高，破碎率在0.53%以下，效率較高。另外，隨著喂入量的加大，玉米籽粒脫離率逐漸提高，且破碎率逐漸提高，說明喂入量直接影響機器的脫離率和破碎率。測試結(jié)果表明：該玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期的功能，穩(wěn)定性和效率較高，對實現(xiàn)玉米脫粒作業(yè)具有重要意義。

5 結(jié)論

針對玉米脫粒作業(yè)需求，以玉米脫離裝置為研究對象，設(shè)計了基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)脫粒裝置相比，該裝置將嵌入式系統(tǒng)和模糊控制技術(shù)相結(jié)合，形成了一種ARM模糊處理器，可以根據(jù)喂入量改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了玉米脫粒的變速控制。試驗表明：玉米籽粒脫離率97%以上，成功率高，破碎率0.53%以下，效率較高，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。