雙行打塘機械及配套自動計數(shù)裝置研發(fā)與應(yīng)用

閆 鼎 陳 健 陳兆英 許成悅 王玉亮 竇玉青

（1上海煙草集團有限責(zé)任公司，上海 200082；2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，山東泰安 271018；3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 266101）

我國煙草種植規(guī)模龐大，云南是我國煙草種植第一大省。當(dāng)?shù)卦跓熋缫圃原h(huán)節(jié)推廣膜下小苗移栽[1-3]，即在煙苗長至5 cm左右時，將其適時栽到煙田地壟上的塘穴，塘穴直徑約30 cm、深度約20 cm、穴間距約60cm、行距120cm。栽完后小苗距地面約1.5cm，然后進(jìn)行澆水、施肥、不覆土、覆膜，以有效保持土壤水分、提高地溫，促進(jìn)煙株生長發(fā)育，提高煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量[4]。

當(dāng)前煙農(nóng)大多使用背負(fù)式手提開穴機，人工定位開穴，穴距及塘穴尺寸一致性差，勞動強度大，效率低；采用單行開穴機械裝置，每次行程只能開出單行地壟的塘穴，工作效率較低，無法對打塘數(shù)量自動計數(shù)。為此，本文研制了雙行打塘機械裝置及配套自動計數(shù)裝置。自動計數(shù)裝置一般由單片機、計數(shù)傳感器和顯示屏組成，該機械裝置掛接在起壟機械尾部，可完成起壟打塘復(fù)合作業(yè)，以單片機為核心的自動計數(shù)裝置可對打塘開穴數(shù)目自動計數(shù)，進(jìn)一步提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

1 雙行打塘機械及配套自動計數(shù)裝置設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

雙行打塘機械主要包括牽引機架、雙行打塘機架、驅(qū)動裝置和平行四邊形打塘裝置，具體如圖1所示。雙行打塘機械由四輪拖拉機懸掛牽引，拖拉機行進(jìn)過程中，由地輪通過鏈條傳動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，通過搖臂滑道驅(qū)動平行四邊形連桿架帶動雙行作業(yè)鐵鏟總成做交替上下的周期運動，實現(xiàn)雙行打塘作業(yè)。

圖1 雙行打塘機械裝置整體結(jié)構(gòu)

1.2 自動計數(shù)裝置設(shè)計

雙行打塘機械自動計數(shù)裝置采用STC8F2K16S2單片機開發(fā)雙行打塘作業(yè)自動計數(shù)系統(tǒng)，如圖2所示，其可以對地壟上完成的雙行打塘數(shù)目進(jìn)行分別計數(shù)。該自動計數(shù)裝置通過平行四邊形作業(yè)機構(gòu)1和平行四邊形作業(yè)機構(gòu)2上安裝的計數(shù)傳感器分別進(jìn)行打塘數(shù)目計數(shù)；實際打塘作業(yè)時，拖拉機行進(jìn)過程中，通過地輪驅(qū)動平行四邊形作業(yè)機構(gòu)的移動邊（加裝打塘鐵鏟）上下移動，實現(xiàn)打塘作業(yè)，每打塘作業(yè)1次，即加裝打塘鐵鏟的邊下移上移1次，完成1次打塘作業(yè)，作業(yè)計數(shù)系統(tǒng)自動記錄1次。

圖2 單片機打塘作業(yè)自動計數(shù)系統(tǒng)工作原理

1.2.1 硬件設(shè)計。雙行打塘作業(yè)自動計數(shù)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計如圖3所示，該硬件系統(tǒng)以STC8F2K16S2單片機為核心外接清零按鍵、計數(shù)傳感器1、計數(shù)傳感器2、HX1838紅外接收器和OLED液晶顯示器等硬件。

圖3 打塘作業(yè)自動計數(shù)系統(tǒng)硬件總設(shè)計

（1）單片機系統(tǒng)。雙行打塘機械自動計數(shù)裝置選用STC8F2K16S2單片機，開發(fā)板實物如圖4（a）所示，單片機管腳如圖4（b）所示。該單片機是超高速8051內(nèi)核（1T），比傳統(tǒng)8051快12倍以上，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，16個中斷源，4級中斷優(yōu)先級，工作電壓為 2.0～5.5 V，工作溫度為-40～85℃，所有GPIO均支持準(zhǔn)雙向口模式、強推免輸出模式、開漏輸出模式和高阻輸入模式。

圖4 STC8F2K16S2開發(fā)板

（2）計數(shù)傳感器模塊。計數(shù)傳感器選用LJ18A3-8-Z/BX-5V NPN常開型接近傳感器，如圖5所示。工作電壓為5VDC，輸出模式為NPN常開型，感應(yīng)距離為8 mm，感應(yīng)物體為金屬，保護(hù)結(jié)構(gòu)符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，等級在IP65以上，內(nèi)置智能芯片，抗干擾性能強，穩(wěn)定性強，頻率響應(yīng)快，使用壽命長。

圖5 計數(shù)傳感器

（3）顯示模塊。顯示模塊選用3.2 cm IIC總線接口的OLED顯示屏，如圖6所示。該模塊分辨率為128×64 像素，可視角度大，工作電壓為 3.3～5.0 V，功耗低、使用壽命長。

圖6 OLED顯示屏

1.2.2 自動計數(shù)軟件系統(tǒng)設(shè)計。雙行打塘機械自動計數(shù)軟件系統(tǒng)流程如圖7所示。當(dāng)雙行打塘機械裝置行進(jìn)作業(yè)時，2個作業(yè)鐵鏟交替上下運動，分別在煙田雙行地壟中打出間隔相同的塘穴，并自動記錄左行數(shù)目、右行數(shù)目和總數(shù)目，計數(shù)結(jié)果在OLED顯示屏上分成3行數(shù)據(jù)顯示，可以按清零按鈕進(jìn)行計數(shù)清零，方便下一次工作計數(shù)。

圖7 雙行打塘機械自動計數(shù)軟件系統(tǒng)流程

2 安裝調(diào)試與應(yīng)用

2.1 安裝調(diào)試

雙行打塘機樣機的機械裝置掛載在雙行起壟機械尾部，如圖8所示，可以實現(xiàn)雙行起壟與打塘復(fù)合作業(yè)。雙行打塘機械通過地輪驅(qū)動的2個平行四邊形機構(gòu)進(jìn)行打塘作業(yè)，2個平行四邊形機構(gòu)的前邊上分別設(shè)計安裝2個打塘鐵鏟，拖拉機在前進(jìn)過程中，2個工作鐵鏟在平行的2行地壟上方輪流進(jìn)行打塘作業(yè)，可同時完成2行地壟打塘作業(yè)，提高打塘作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

圖8 雙行打塘機樣機

雙行打塘機械自動計數(shù)裝置如圖9（a）所示，計數(shù)裝置顯示效果如圖9（b）所示。

在文山州天星鎮(zhèn)煙田進(jìn)行了雙行打塘機樣機田間試驗，如圖10所示，其中：圖10（a）為雙行起壟打塘作業(yè)效果，圖10（b）為打塘開穴效果。以四輪拖拉機為牽引動力的懸掛式煙田雙行精確打塘裝置，可以滿足煙田打塘的尺寸、穴距和行距要求，還能對打塘數(shù)目進(jìn)行計數(shù)，作業(yè)效率比單行打塘裝置高。

2.2 應(yīng)用驗證

在文山州煙區(qū)試驗田對雙行打塘機械及配套自動計數(shù)裝置進(jìn)行調(diào)查，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)人工打塘為對照，評價打塘機械所開煙穴的直徑、穴距、深度，統(tǒng)計機械打塘數(shù)量。如表1所示：雙行打塘機械及配套自動計數(shù)裝置的計數(shù)精度為99.8%；煙田雙行打塘機械比單行打塘機械效率高，打塘后成穴的直徑、穴距、穴深更大、一致性更好。雙行打塘機械及配套自動計數(shù)裝置計數(shù)準(zhǔn)確，可以減工增效，具有推廣價值。

3 結(jié)語

雙行打塘機械及配套自動計數(shù)裝置在單行煙田打塘裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，一次行程可同時開出2行塘穴，比單行打塘裝置效率高，可以滿足煙田打塘的尺寸、穴距和行距要求，可以對打塘數(shù)目進(jìn)行計數(shù)，可記錄每行打塘數(shù)量和總打塘數(shù)量。雙行打塘機械及配套自動計數(shù)裝置操作方便、智能高效，能精確打塘，精準(zhǔn)計數(shù)，在云南煙區(qū)有進(jìn)一步推廣使用的價值。