基于LabVIEW的種子分選控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

費(fèi)正盼，賈良權(quán)，劉 杰，高 璐，唐琦哲，祁亨年

(湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院 浙江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)資源智慧管理與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 湖州 313000)

種子分選是為了剔除不良種子、異物等，以提高種子的精度級別和利用率，進(jìn)而提高種子的純度、發(fā)芽率和活力，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義[1].廣泛應(yīng)用的種子分選方法主要有風(fēng)力分選、重力分選和光電分選等.目前國內(nèi)種子分選裝備仍以機(jī)械調(diào)節(jié)為主，計(jì)算機(jī)、傳感、變頻等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用較少，且自動化程度較低、能耗高、噪音大，產(chǎn)品的性能和精選質(zhì)量與國外智能化裝備相比差距較大[2].機(jī)電控制系統(tǒng)是種子分選設(shè)備的核心模塊之一.可編程邏輯控制器(PLC)因其技術(shù)成熟規(guī)范、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、組合靈活、編程簡單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，在種子分選設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用.潘雪峰[5]基于光學(xué)無損檢測的蔬菜種子分選系統(tǒng)，以PLC控制器為核心設(shè)計(jì)了基于VS2010和OpenCV的種子分選軟件平臺，分選成功率平均在91%以上；蔡衛(wèi)國[6]以PLC為核心控制器，設(shè)計(jì)了一款種子精選分級機(jī)構(gòu)，將種子按其質(zhì)量級別信息通過吹嘴吹入相應(yīng)容器中，完成種子質(zhì)量分選，當(dāng)傳送帶速度為0.2 m/s、氣壓為0.8 MPa時(shí)，種子分級合格率可達(dá)90%以上.上述種子分選設(shè)備的控制系統(tǒng)主要由PLC組成，通過驅(qū)動電磁閥、步進(jìn)電機(jī)或機(jī)械臂等執(zhí)行元件完成相應(yīng)的分選動作，上位機(jī)軟件采用C/C++、C#等高級語言編寫.控制系統(tǒng)開發(fā)過程涉及較多的通信、軟硬件協(xié)議，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)復(fù)雜，整個開發(fā)過程工作量較大、周期較長[7-9].

為使開發(fā)過程更簡潔、更靈活，本文利用LabVIEW軟件優(yōu)秀的可視化能力和豐富的集成工具庫，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面與種子分選控制系統(tǒng)，通過硬件電路和驅(qū)動程序驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成種子分選，以達(dá)到自動化、精準(zhǔn)化的種子分選效果.

1 系統(tǒng)與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的種子分選系統(tǒng)的基本工作流程為：種子放入設(shè)備后，由種子品級識別裝置(高光譜相機(jī))采集種子光譜信息傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)上位機(jī)軟件基于采集的光譜信息利用種子品級識別算法計(jì)算并輸出對應(yīng)的種子品級信息，種子進(jìn)入分選區(qū)后，控制系統(tǒng)根據(jù)其品級信息驅(qū)動對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動90°，帶動電機(jī)上4個互成90°角的分選擋板將種子推入相應(yīng)的品級槽中.種子分選設(shè)備示意圖如圖1所示.

該種子分選系統(tǒng)由機(jī)械部分、硬件電路、軟件部分組成.設(shè)備組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.

系統(tǒng)的控制程序工作流程為：①由算法識別并輸出種子的品級信息；②根據(jù)種子和分選電機(jī)的位置計(jì)算種子到達(dá)分選電機(jī)的時(shí)間，此時(shí)計(jì)算機(jī)向LabVIEW控制程序發(fā)出指令；③LabVIEW根據(jù)指令驅(qū)動對應(yīng)電機(jī)的子VI，子VI通過DAQ模塊向PCI板卡發(fā)出數(shù)字脈沖，驅(qū)動相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定角度，將種子推入品級分選槽，之后循環(huán)掃描是否接收到分選算法發(fā)出的電機(jī)驅(qū)動信號；④重復(fù)上述步驟，直到種子分選完成.種子分選系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示.

1.2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW的種子分選設(shè)備硬件部分主要由上位機(jī)、PCI板卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成.上位機(jī)的LabVIEW程序通過其內(nèi)部的DAQ模塊驅(qū)動PCI板卡產(chǎn)生所需的數(shù)字脈沖，并將其輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)動作.種子分選設(shè)備電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)如圖4所示.

考慮到驅(qū)動程序的開發(fā)和調(diào)試過程要求設(shè)備與LabVIEW應(yīng)具有較好的兼容性，本文選用型號為NI PCI-6509的96位高驅(qū)動數(shù)字輸入/輸出(DIO)設(shè)備作為數(shù)字脈沖的發(fā)生設(shè)備，上位機(jī)通過PCI接口與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.NI PCI-6509是美國國家儀器公司開發(fā)的一款數(shù)字輸入輸出設(shè)備，它具有96條TTL/CMOS兼容的數(shù)字I/O線、24mA高驅(qū)動輸出、數(shù)字濾波等功能，其豐富的數(shù)字I/O輸入輸出端口滿足了工程中同時(shí)控制多臺步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的需求.同時(shí)其與LabVIEW軟件具有較好的兼容性，利于驅(qū)動程序的開發(fā)和調(diào)試.根據(jù)步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的型號設(shè)計(jì)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，如圖5所示.每個電機(jī)的兩相繞組分別連接至對應(yīng)驅(qū)動器的A+、A-和B+、B-端口.驅(qū)動器的其他4個端口分別為脈沖、方向、使能和電源端口，電源端口連接至12 V直流電壓源，脈沖、方向、使能端口的正端與對應(yīng)的PCI板卡輸出端口相連接，負(fù)端統(tǒng)一連接至公共端口.

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 前面板

前面板是人機(jī)交互的關(guān)鍵部分，主要由參數(shù)顯示、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和電機(jī)參數(shù)設(shè)置3部分組成.其中，參數(shù)顯示模塊主要用于顯示用戶和電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)信息；電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊主要用于電機(jī)監(jiān)測電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和異常信息；電機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊主要用于設(shè)置脈沖頻率、轉(zhuǎn)動角度、電機(jī)運(yùn)行模式等參數(shù).參數(shù)設(shè)置模塊中脈沖頻率的可調(diào)范圍為0～500 Hz,電機(jī)轉(zhuǎn)動角度的可調(diào)范圍為0°～360°,電機(jī)運(yùn)行模式分為自動運(yùn)行和單步運(yùn)行兩種模式.控制系統(tǒng)前界面如圖6所示.

2.2 脈沖發(fā)生

采用LabVIEW軟件對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，脈沖的產(chǎn)生是其關(guān)鍵.本文利用LabVIEW內(nèi)部的DAQ模塊控制PCI板卡輸出脈沖波形.DAQ是NI公司的一套與LabVIEW兼容的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動，集成了豐富的應(yīng)用程序編程接口(API)和VI函數(shù)等開發(fā)工具[10].脈沖產(chǎn)生的具體實(shí)現(xiàn)過程為：首先對DAQ模塊進(jìn)行相應(yīng)的配置，該系統(tǒng)選用的NI板卡與LabVIEW有較好的兼容性，配置時(shí)選擇數(shù)字信號輸出，然后選擇相應(yīng)端口號即可.通過DAQ模塊控制PCI板卡輸出高低電平，在高低電平間來回切換就可以產(chǎn)生數(shù)字脈沖.利用for循環(huán)和延時(shí)可以精確地控制脈沖數(shù)和脈沖頻率.一般來說，脈沖頻率可由下式給出：

(1)

式中：f為脈沖頻率;T為脈沖周期.在LabVIEW程序中調(diào)整脈沖周期即可控制輸出脈沖的頻率.步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)可由下式給出：

(2)

式中：x為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)；α為步進(jìn)電機(jī)的步距角.本文選用的步進(jìn)電機(jī)其步距角α為1.8°，將其帶入求得x為200個脈沖每轉(zhuǎn).進(jìn)而電機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式給出：

(3)

式中：n為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；x為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù).電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)亮對應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行指示燈，當(dāng)脈沖發(fā)生循環(huán)結(jié)束時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并熄滅指示燈.

2.3 多電機(jī)并行控制

種子分選設(shè)備需要使用多個步進(jìn)電機(jī)，對多個步進(jìn)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行控制能使系統(tǒng)更高效.不同電機(jī)的驅(qū)動程序重復(fù)度較高，而采用子VI的設(shè)計(jì)可以較好地降低程序的重復(fù)度，只要在需要驅(qū)動電機(jī)時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動子VI即可.在LabVIEW中，子VI一般只能串行運(yùn)行，效率相對較低.為使在運(yùn)行某個電機(jī)驅(qū)動子VI時(shí)其他電機(jī)驅(qū)動子VI也能同時(shí)響應(yīng)，利用LabVIEW軟件的子VI并行運(yùn)行功能，將電機(jī)驅(qū)動子VI的wait until done控制端口選項(xiàng)設(shè)置為false，即可同時(shí)調(diào)用多個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序.多電機(jī)并行運(yùn)行原理如圖7所示.

2.4 旋轉(zhuǎn)角度控制

在LabVIEW程序中，利用for循環(huán)可以精確地控制產(chǎn)生的數(shù)字脈沖數(shù).本文選用的步進(jìn)電機(jī)其步距角α為1.8°，旋轉(zhuǎn)角度θ與旋轉(zhuǎn)該角度所需的數(shù)字脈沖數(shù)x的關(guān)系可由下式給出：

(4)

在前面板中輸入旋轉(zhuǎn)角度，通過式(4)即可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)任意角度所需的數(shù)字脈沖數(shù)，將求得的x連接到for循環(huán)的循環(huán)次數(shù)控制端口，即可實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指定角度.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)工程實(shí)際情況，該控制系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求小于0.8 N·m，因此通常選用基座號為28、42等型號的小型步進(jìn)電機(jī).同時(shí)步距角為1.8°的2相步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)能滿足系統(tǒng)控制精度要求.為測試該系統(tǒng)在不同電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩條件下的運(yùn)行情況，從符合參數(shù)要求的步進(jìn)電機(jī)中選用兩款常用的2相4線制步進(jìn)電機(jī)，其型號分別為DQ-28HB30A，保持轉(zhuǎn)矩為0.07 N·m，以及型號為DQ-42HB34A，保持轉(zhuǎn)矩為0.31 N·m，驅(qū)動器型號為DM420.在該程序下 NI PCI-6509最高能夠產(chǎn)生頻率為500 Hz的數(shù)字脈沖信號.通過改變脈沖頻率、驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)(細(xì)分?jǐn)?shù)表示步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù))、旋轉(zhuǎn)角，讓電機(jī)在不同參數(shù)下分別進(jìn)行50次試驗(yàn)，觀察并記錄電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).

調(diào)整脈沖頻率在100～500 Hz范圍內(nèi)變化，并對電機(jī)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)DQ-42HB34A型號電機(jī)在各頻率下都能穩(wěn)定運(yùn)行.DQ-28HB30A型號電機(jī)在頻率為100 Hz時(shí)會出現(xiàn)偶爾的失步現(xiàn)象；增加驅(qū)動脈沖頻率至200 Hz時(shí)，電機(jī)會出現(xiàn)嚴(yán)重的失步；至400 Hz時(shí)電機(jī)無法正常運(yùn)行.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖頻率和電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩對電機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響.隨著脈沖頻率升高電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)降低，電機(jī)穩(wěn)定性下降.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 脈沖頻率變化與驅(qū)動效果Tab.1 Influence of pulse frequency variation on driving effect

表1(續(xù))

調(diào)整細(xì)分?jǐn)?shù)在200～1 600范圍內(nèi)變化，并對電機(jī)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)細(xì)分?jǐn)?shù)較低時(shí)，DQ-28HB30A型步進(jìn)電機(jī)偶有失步現(xiàn)象，DQ-42HB34A型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；細(xì)分?jǐn)?shù)增大時(shí)，DQ-28HB30A型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有輕微波動，DQ-42HB34A型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性無明顯變化.由表2可知，在不同驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)條件下，DQ-42HB34A型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性表現(xiàn)更優(yōu).

表2 細(xì)分?jǐn)?shù)變化與驅(qū)動效果Tab.2 Influence of subdivision variation on driving effect

調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度在45°～180°范圍內(nèi)變化，并對電機(jī)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)在不同旋轉(zhuǎn)角度下，DQ-28HB30A型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行偶有失步現(xiàn)象，電機(jī)失步率隨旋轉(zhuǎn)角度變化有輕微波動；DQ-42HB34A型電機(jī)在不同旋轉(zhuǎn)角度下運(yùn)轉(zhuǎn)正常.由表3可知，在不同旋轉(zhuǎn)角度下，DQ-42HB34A型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性表現(xiàn)更優(yōu).

表3 旋轉(zhuǎn)角變化與驅(qū)動效果Tab.3 Influence of rotation angle variation on driving effect

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖頻率、驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)和旋轉(zhuǎn)角度對電機(jī)運(yùn)行均有一定影響.在該控制系統(tǒng)下，型號為DQ-42HB34A的步進(jìn)電機(jī)在不同頻率、不同驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)、不同旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)下均能取得不錯的驅(qū)動效果.型號為DQ-28HB30A的步進(jìn)電機(jī)在不同頻率、不同驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)、不同旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)下驅(qū)動效果均不及DQ-42HB34A型步進(jìn)電機(jī).因此，型號為DQ-42HB34A的步進(jìn)電機(jī)更適用于本種子分選控制系統(tǒng).在脈沖頻率為500 Hz、細(xì)分?jǐn)?shù)為200、旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)，采用DQ-42HB34A型步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)其失步率為2%.在設(shè)備其他部分運(yùn)行效率理想的情況下，該參數(shù)下理論上單個電機(jī)每秒最高可分選10粒種子，本控制系統(tǒng)由6臺電機(jī)組成，計(jì)算可知該控制系統(tǒng)種子分選效率理論最高值為3 600粒/分，漏選約72粒.分選受限于種子品級識別速度及其他因素，實(shí)際分選效率將有所變化.經(jīng)過多次調(diào)試，該控制系統(tǒng)功能正常，理論上能夠達(dá)到種子分選設(shè)備對控制系統(tǒng)的要求.

4 結(jié) 論

本文基于圖形化編程語言LabVIEW，利用PCI控制板卡和步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)了一款種子分選控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用成熟的商用軟件和硬件，設(shè)計(jì)和調(diào)試高效便捷，交互界面簡潔清晰，易于用戶二次開發(fā)，能有效減少開發(fā)工作量，縮短開發(fā)時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著脈沖頻率升高，DQ-28HB30A型和DQ-42HB34A型電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性均有所下降；隨著驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)升高，DQ-28HB30A型電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有輕微波動，DQ-42HB34A型電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性無明顯變化；隨旋轉(zhuǎn)角度增大，DQ-28HB30A型電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有輕微波動，DQ-42HB34A型電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性無明顯變化.理想工況下，在控制脈沖頻率為500 Hz、細(xì)分?jǐn)?shù)為200、旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)，使用DQ-42HB34A型步進(jìn)電機(jī)，其系統(tǒng)失步率在2%以下，理論分選效率最高為3 600粒/分，分選漏選約72粒，驗(yàn)證了采用LabVIEW在種子分選設(shè)備中應(yīng)用的可行性，為進(jìn)一步深入研究提供了參考.