基于AVR的多功能種子篩選機(jī)的設(shè)計(jì)

劉瑞歌+孟麗麗+宋鋒+張恭民+隋洪亮

摘要： 設(shè)計(jì)了1款基于AVR的多功能種子篩選機(jī)，并詳細(xì)介紹了該種子篩選機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。電氣控制部分由AVR單片機(jī)作為控制中樞，運(yùn)用光電開關(guān)、壓力傳感器等傳感器件，與電機(jī)、舵機(jī)和液晶顯示屏完美配合，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、實(shí)時(shí)顯示等不同功能。此外，詳細(xì)說明了種子篩選機(jī)的篩選原理和理論基礎(chǔ)。該設(shè)計(jì)能有效提高種子的篩選速度和篩選效果，能對(duì)篩選出來的種子進(jìn)行拌藥和稱質(zhì)量，節(jié)省人力物力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： AVR；種子篩選；拌藥；稱質(zhì)量

中圖分類號(hào)： S226.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0407-03

傳統(tǒng)篩選種子的方法是依靠工人眼看手挑，這種手工作業(yè)的方式效率低，且效果不佳，為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，市場上出現(xiàn)了種子篩選機(jī)。目前種子篩選機(jī)的篩網(wǎng)大多使用平面圓孔篩或方孔篩，在篩選過程中，當(dāng)進(jìn)料速度過快時(shí)，篩網(wǎng)上積攢的種子過多，甚至?xí)枞W(wǎng)孔，直接影響種子的篩選速度和篩選效果。種子篩選出來后，在種子種植前有時(shí)需要對(duì)種子拌藥，以防止病蟲害的發(fā)生。然而，目前種子篩選機(jī)只能單純地進(jìn)行種子篩選，不能對(duì)篩選出來的種子進(jìn)行拌藥。因此，往往采用人工方式對(duì)種子拌藥，由于農(nóng)藥易揮發(fā)，揮發(fā)出來的農(nóng)藥易對(duì)人體造成傷害，人工拌藥時(shí)加藥劑量難以控制，且存在攪拌不均勻的情況，拌藥程度全靠人工掌握。此外，種子篩選出來后往往還需要量化封裝，目前種子篩選機(jī)也不能對(duì)篩選出來的種子進(jìn)行稱質(zhì)量，需要采取人工方式對(duì)篩選出來的種子進(jìn)行稱質(zhì)量，不便于將種子量化封裝[1-2]。為了克服以上不足，提供一種多功能種子篩選機(jī)，不但能夠有效提高種子的篩選速度和篩選效果，而且能夠?qū)Y選出來的種子進(jìn)行拌藥，準(zhǔn)確控制加藥劑量，使種子拌藥均勻，避免人工拌藥時(shí)農(nóng)藥對(duì)人體的傷害，還能夠?qū)Y選出來的種子進(jìn)行稱質(zhì)量，便于對(duì)篩選出來的種子量化封裝，節(jié)省人力、物力，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 種子篩選機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能種子篩選機(jī)，包括移動(dòng)車架，移動(dòng)車架的內(nèi)部固定有進(jìn)料裝置和篩選裝置，篩選裝置位于進(jìn)料裝置的下方，進(jìn)料裝置包括料槽，料槽包括進(jìn)料口和出料口，篩選裝置包括上框體、中框體和下框體，上框體通過中框體與下框體連接；上框體的底部為平面篩網(wǎng)，上框體的側(cè)壁固定有用于導(dǎo)出雜質(zhì)的第二導(dǎo)管，料槽的出料口位于平面篩網(wǎng)的正上方；中框體的底部為棱面篩網(wǎng)，中框體的側(cè)壁固定有用于導(dǎo)出種子的第一導(dǎo)管；下框體的底部為托板，下框體的側(cè)壁固定有用于導(dǎo)出種子和雜質(zhì)的第三導(dǎo)管；系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架由高強(qiáng)度方形管焊接而成，底部裝有具有自鎖功能的萬向輪，方便移動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)由進(jìn)料模塊、篩選分離模塊、拌藥模塊和稱質(zhì)量模塊等組成，各部分交互配合，簡便實(shí)用（圖1）。

打開電源，稱質(zhì)量托盤右移及拌藥桶底部的出料閥門閉合，完成機(jī)械裝置的初始化；然后進(jìn)料部分的出料口閉合，等待放料，待放料完成后，電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)控制出料口的開閉幅度，以控制種子的流速；種子進(jìn)入篩選分離模塊后，振動(dòng)電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)工作，進(jìn)行篩選分離，不同質(zhì)量等級(jí)的種子分別從3個(gè)對(duì)應(yīng)出口流出。篩選出質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的種子進(jìn)入拌藥桶，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到拌藥桶內(nèi)種子達(dá)到一定高度時(shí)，進(jìn)料部分的出料口閉合，篩選分離模塊和鼓風(fēng)機(jī)均停止工作，攪拌電機(jī)開始正反交替旋轉(zhuǎn)，同時(shí)噴藥裝置對(duì)種子進(jìn)行噴藥。拌藥工作完成后，拌藥桶底部開口閥打開，稱質(zhì)量托盤上的壓力傳感模塊開始工作，待收集到的種子質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，托盤向左移動(dòng)將袋子移出，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示取袋，此次工作流程完成。

2 關(guān)鍵技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 篩選分離模塊設(shè)計(jì)

目前種子篩選分離的設(shè)計(jì)方案主要有2種，一是離心分離式，利用離心運(yùn)動(dòng)的離心原理，物體的質(zhì)量不同，其具有的離心力也不同。預(yù)留的種子質(zhì)量參差不齊，內(nèi)含有干癟、腐爛變質(zhì)、發(fā)芽的，其離心力與質(zhì)量好的種子有一定的差別，利用不同種子具有不同離心力的原理，可將其分離?？紤]到離心控制對(duì)技術(shù)的要求比較高，不易控制，且離心控制必須用到離心分離機(jī)，其價(jià)格比較昂貴，故該方案不適合。二是風(fēng)選分離式，利用輕雜及病變種子在質(zhì)量上明顯輕，且尺寸與好種子有明顯差別的特點(diǎn)，將不同等級(jí)的種子進(jìn)行分離。其原理是在振動(dòng)篩的振動(dòng)作用下，不同等級(jí)種子的振動(dòng)幅度不同，經(jīng)過風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)作用，不同等級(jí)的種子逐漸分離。經(jīng)過篩選分離后，種子凈度已明顯提高，且粒度比較均勻。該方案控制簡單，成本較低，分離效果明顯，在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面應(yīng)用廣泛，故本設(shè)計(jì)選擇此方案。篩選分離模塊通過雙層篩網(wǎng)分隔為3層，上層篩面為平面篩，下層篩面為棱面篩，棱面篩的效率要比平面篩效率提高2～3倍。整個(gè)模塊的振動(dòng)依靠電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿的搖動(dòng)，使其做有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)篩選分離模塊的振動(dòng)。在進(jìn)料口下部裝有風(fēng)選裝置，由鼓風(fēng)機(jī)等部分構(gòu)成，PWM調(diào)速可以調(diào)節(jié)風(fēng)速，可以吹走質(zhì)量較輕和干癟的種子。篩選分離部分的振動(dòng)與風(fēng)選裝置配合工作，能夠?qū)⒉煌燃?jí)的種子分離開，粒徑大的種子通過振動(dòng)作用經(jīng)過上層平面篩網(wǎng)過濾掉，從1號(hào)出口流出，粒徑小的從2號(hào)出口流出，質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的種子從3號(hào)出口流出，從而完成種子的篩選分離?？梢愿鶕?jù)篩選種子的直徑大小來更換不同規(guī)格的篩網(wǎng)，以滿足不同種子的篩選需求。篩網(wǎng)網(wǎng)孔的阻塞直接影響清選效果，針對(duì)此問題，在棱面篩網(wǎng)上部加裝有與篩網(wǎng)寬度相同的毛刷，電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與絲杠連接，毛刷一端焊接有螺母，長條毛刷與絲杠保持垂直狀態(tài)。12 V直流電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，間接地使毛刷做有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保證清選效果。

2.2 篩選理論設(shè)計(jì)計(jì)算

（1） 要求篩子的前部風(fēng)速達(dá)到7～8 m/s，中部達(dá)5～6 m/s，后部達(dá)1～2 m/s，風(fēng)扇出風(fēng)口的平均風(fēng)速需達(dá)4～5 m/s。

（2） 篩子面積計(jì)算方面，可由進(jìn)入篩選裝置的種子Qs（kg/s）確定篩的寬度B（mm），在傳統(tǒng)型聯(lián)合收割機(jī)上一般為篩體寬度的0.90～0.95，則篩子長度：

2.3 控制模塊設(shè)計(jì)

依靠AVR單片機(jī)作為控制中樞，運(yùn)用光電開關(guān)、壓力傳感器、碰撞開關(guān)等傳感器件，并與電機(jī)、舵機(jī)和12864液晶顯示屏完美配合，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、實(shí)時(shí)顯示等功能。

2.3.1 微處理器的選擇 ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega16內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問2個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率[3]。

2.3.2 檢測(cè)模塊的選擇 為保證工作的準(zhǔn)確性，必須保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，要求傳感器有效信號(hào)傳輸距離為5～25 cm，傳輸信號(hào)準(zhǔn)確，反應(yīng)快，最終確定選用E3F-DS30C4型光電傳感器。當(dāng)光電傳感器監(jiān)測(cè)到拌藥桶內(nèi)的種子達(dá)到一定量時(shí)，反饋信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)作出相應(yīng)的響應(yīng)（表1）。

HX711是一款專為高精度稱質(zhì)量傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。

該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程（圖2）。

2.3.3 舵機(jī)模塊P MG995型舵機(jī)工作穩(wěn)定，體積小，扭力大，功耗低，控制精確[4]。

舵機(jī)在該裝置中的使用主要是控制角度的變換，以實(shí)現(xiàn)拌藥桶底部開口開合的變換。

2.3.4 繼電器的選擇 在低電壓控制高電壓的結(jié)構(gòu)中采用電磁式繼電器，由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放（圖3、圖4）。

3 結(jié)論

智能種子篩選機(jī)主要針對(duì)個(gè)體型農(nóng)戶設(shè)計(jì)，也可應(yīng)用于小型工廠。傳統(tǒng)型手工作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)集種子篩選分離、拌藥、稱質(zhì)量于一體。跟傳統(tǒng)篩選機(jī)相比，本篩選機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）流速控制功能，保證篩選過程中進(jìn)料的均勻性，從而保證篩選質(zhì)量。（2）雙層篩網(wǎng)過濾，上篩面為平面篩，下篩面為棱面篩的設(shè)計(jì)，更換方便，篩選效果明顯。（3）在攪拌桶內(nèi)有攪拌扇葉，桶的上部裝有智能化噴頭，能夠控制進(jìn)藥量，能夠?qū)Y選出的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的種子進(jìn)行拌藥，效率高，攪拌更均勻。（4）稱質(zhì)量托盤底部裝有壓力傳感器，可以對(duì)裝袋質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到預(yù)設(shè)質(zhì)量時(shí)自動(dòng)報(bào)警。（5）單片機(jī)作為控制中樞，與傳感器件交互配合，實(shí)現(xiàn)智能控制。獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制部分交互配合，智能高效，簡單易操作，可以滿足不同種類種子加工處理需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒必昌，彭三河，湯小凝. 谷物清選機(jī)構(gòu)主要參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究[J]. 湖北農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23（2）：108-112.

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[4]宗華光，楊 洋，唐伯雁譯. 機(jī)器人控制電子學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004：41-50.