基于A rduino的綠葉菜自動(dòng)預(yù)分裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

彭嘉庚 萬(wàn)均康 趙明宇 苗玉彬

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

近年來(lái)，隨著產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品直銷的趨勢(shì)日益提升，綠葉菜從田間采收結(jié)束后，通常需要立刻進(jìn)行分裝，以期能在保證較高新鮮度的前提下盡快投入市場(chǎng)銷售。目前，產(chǎn)地綠葉菜的分裝工作一般由相關(guān)從業(yè)人員人工完成（例如，為了保證進(jìn)入包裝生產(chǎn)線的綠葉菜在包裝后的質(zhì)量盡量一致，通常在包裝工位前配備工人進(jìn)行手動(dòng)分堆），且相關(guān)從業(yè)人員的年齡較大。以上海市為例，2017 年上海市自產(chǎn)自銷蔬菜的產(chǎn)量占比為22%[1]，相關(guān)從業(yè)人員的年齡普遍在60歲以上[2]。因此，亟需實(shí)現(xiàn)綠葉菜分裝自動(dòng)化，加快實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”，以替代人工勞作。

目前，生產(chǎn)線自動(dòng)預(yù)分裝系統(tǒng)已在紡織、電工、塑料等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，尹秀云等[3]研發(fā)了一種風(fēng)電葉片自動(dòng)稱重配重系統(tǒng)，采用電子稱重儀實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片的預(yù)稱重，可對(duì)前道葉片制造過(guò)程進(jìn)行有效干預(yù)，規(guī)避了超重的不利風(fēng)險(xiǎn)；周新強(qiáng)等[4]對(duì)滌綸短纖維打包機(jī)預(yù)稱重系統(tǒng)進(jìn)行了分析與優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整傳感器參數(shù)，提升了稱重的統(tǒng)計(jì)效果，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)纖維送入計(jì)量斗并達(dá)到指定質(zhì)量時(shí)，計(jì)量斗出口自動(dòng)打開，纖維落入打包箱；楊江利[5]研發(fā)了一種紡紗廠生產(chǎn)線末端自動(dòng)化包裝系統(tǒng)，其中的預(yù)稱重模塊實(shí)現(xiàn)了單個(gè)筒子紗的在線稱重，并可根據(jù)設(shè)定的質(zhì)量分為較輕和較重兩個(gè)級(jí)別，按級(jí)別將筒子紗分別保存于兩個(gè)緩沖區(qū)中，以便后續(xù)配重。然而，在我國(guó)目前的綠葉菜包裝生產(chǎn)行業(yè)，尚未見成熟應(yīng)用的商用自動(dòng)預(yù)分裝系統(tǒng)。在此背景下，筆者研發(fā)了一種基于Arduino 的綠葉菜自動(dòng)預(yù)分裝系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱預(yù)分裝系統(tǒng)），該系統(tǒng)帶有設(shè)定值和稱量值同時(shí)顯示功能，可通過(guò)人工旋轉(zhuǎn)旋鈕輸入預(yù)設(shè)質(zhì)量，并以此設(shè)定值為標(biāo)準(zhǔn)，再通過(guò)在線稱重和自動(dòng)旋轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)綠葉菜在包裝前按設(shè)定的質(zhì)量分裝成堆，從而使后續(xù)包裝成袋的綠葉菜能保持質(zhì)量相近、體積相近。為促進(jìn)預(yù)分裝系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，筆者擬對(duì)預(yù)分裝系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其相關(guān)實(shí)踐應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)介紹，以供相關(guān)用戶參考借鑒。

1 預(yù)分裝系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

為完成綠葉菜包裝前的預(yù)分裝工作，要求預(yù)分裝系統(tǒng)能檢測(cè)投入綠葉菜的質(zhì)量，并按照設(shè)定質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)分裝，而稱好的綠葉菜質(zhì)量應(yīng)基本接近設(shè)定值，并均勻有序地落至傳送帶的中部位置，要求整個(gè)過(guò)程應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，動(dòng)作平穩(wěn)可控，綠葉菜維持完好無(wú)損的狀態(tài)，以最大限度地減輕人工操作的負(fù)擔(dān)。

1.2 主要組成

預(yù)分裝系統(tǒng)包含自動(dòng)控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)本體兩大部分。其中，自動(dòng)控制系統(tǒng)采用Arduino 為控制核心，輸入端通過(guò)A/D 通道分別連接質(zhì)量傳感器和設(shè)定值輸入旋鈕，輸出端連接LED 數(shù)碼管和旋轉(zhuǎn)氣缸電磁閥；稱重傳感器用于實(shí)時(shí)感應(yīng)投入分裝料斗的綠葉菜質(zhì)量，測(cè)量結(jié)果和設(shè)定值一起顯示在LED數(shù)碼管模塊上，若綠葉菜的質(zhì)量大于設(shè)定值，系統(tǒng)將觸發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)懸浮式承重盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將綠葉菜釋放到輸送帶上。具體的系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 預(yù)分裝系統(tǒng)的主要組成

1.3 工作流程

預(yù)分裝系統(tǒng)的具體工作流程為：在電源開啟后，首先通過(guò)變阻器式旋鈕設(shè)置預(yù)設(shè)質(zhì)量，隨后將采收的綠葉菜依次從上方落料口投入，沿著上限位擋板到達(dá)承重盤。稱重傳感器安置于承重盤下方，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)綠葉菜質(zhì)量。當(dāng)實(shí)測(cè)質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，在電磁閥的作用下旋轉(zhuǎn)氣缸開始運(yùn)作，通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)承重盤旋轉(zhuǎn)約90°，綠葉菜也隨之掉落，在下限位擋板的輔助下抵達(dá)輸送帶，進(jìn)而運(yùn)至后續(xù)處理點(diǎn)開展包裝工作。氣缸在接受到旋轉(zhuǎn)指令后即刻復(fù)位，確保系統(tǒng)能平穩(wěn)、正常運(yùn)行。整個(gè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)質(zhì)量和預(yù)設(shè)質(zhì)量均在LED 數(shù)碼管中進(jìn)行顯示。預(yù)分裝系統(tǒng)的具體工作流程見圖2。

2 預(yù)分裝系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)分裝系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含氣動(dòng)式旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在線稱重機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分。預(yù)分裝系統(tǒng)的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 預(yù)分裝系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 整體外形設(shè)計(jì)

從外觀上看，預(yù)分裝系統(tǒng)呈上下開口的箱型設(shè)計(jì)。外殼框架由不銹鋼板構(gòu)成，通過(guò)鈑金加工形成折彎并利用螺栓加以連接，便于安裝與拆卸。上方落料口設(shè)置限位板形成喇叭口，可使綠葉菜盡量落至承重盤中央，避免綠葉菜在下落時(shí)卡在承重盤與外殼的間隙中。下方限位擋板起到導(dǎo)向收攏作用，使綠葉菜在落至輸送帶上時(shí)形狀盡量收攏。旋轉(zhuǎn)氣缸和控制模塊安裝于掛接在箱體側(cè)面的獨(dú)立箱型殼體內(nèi)，LED 數(shù)碼管模塊、操作旋鈕和開關(guān)等布置在殼體上部；然而，為方便操作者設(shè)定和觀察數(shù)據(jù)，殼體上方與水平呈30°傾角。

2.2 氣動(dòng)式旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)式旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體組成見圖4。即執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)氣缸，選用SMC 公司生產(chǎn)的MSQB20A旋轉(zhuǎn)氣缸（具體參數(shù)：最高使用壓力為1 MPa，最低使用壓力為0.1 MPa，環(huán)境及流體溫度為0～60℃，角度調(diào)整范圍為0～190°，氣缸內(nèi)徑為18 mm，質(zhì)量為940 g，允許動(dòng)能為0.025 J）。旋轉(zhuǎn)氣缸通過(guò)專門設(shè)計(jì)的聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸連接，并通過(guò)馬鞍形框架固定在箱體上。為保證轉(zhuǎn)軸兩端旋轉(zhuǎn)時(shí)能滿足同軸度的要求，設(shè)計(jì)了U 字形轉(zhuǎn)軸軸承固定座；旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，電磁閥的兩個(gè)線圈只需分配連接控制器的兩個(gè)I/O 輸出通道即可，且動(dòng)作執(zhí)行效率較高，具有一定的沖擊性，有利于綠葉菜在沖擊作用下快速、完全地落至輸送帶上。

圖4 預(yù)分裝系統(tǒng)的氣動(dòng)式旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.3 在線稱重機(jī)構(gòu)

在線稱重機(jī)構(gòu)的下方傳感器托板一端固定傳感器，一端通過(guò)U 型夾持結(jié)構(gòu)和螺栓與軸連接，轉(zhuǎn)軸中部銑削有配合面，使轉(zhuǎn)軸與托板能夠穩(wěn)固連接，稱重傳感器下方通過(guò)螺栓固定在托板上，上方固定承重盤。在線稱重機(jī)構(gòu)的具體組成見圖5。

圖5 預(yù)分裝系統(tǒng)的在線稱重機(jī)構(gòu)

3 預(yù)分裝系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)工作的目標(biāo)，預(yù)分裝系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含硬件選型、稱重傳感器原理分析、信號(hào)傳輸與濾波處理及控制軟件編寫等。

3.1 硬件選型

系統(tǒng)控制器采用Arduino UNO R3，該系統(tǒng)控制器以微控制器 ATmega328P 為基礎(chǔ)，具有14個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳和6 個(gè)模擬輸入輸出引腳，存儲(chǔ)內(nèi)存達(dá)32 KB，可經(jīng)USB 接口與計(jì)算機(jī)互連，支持多種不同的通信協(xié)議，能有效滿足預(yù)分裝系統(tǒng)的控制需求[6]。預(yù)分裝系統(tǒng)的Arduino UNO R3 控制器實(shí)物見圖6。

圖6 預(yù)分裝系統(tǒng)的Arduino UNO R3 控制器實(shí)物

結(jié)合實(shí)際需要，顯示部分選用79 mm×43 mm的數(shù)碼管模塊（具體參數(shù)：額定電壓為12～24 V，極限電壓為6～36 V，最大持續(xù)電流為560 mA，最大持續(xù)功率為5.4 W）。該數(shù)碼管模塊具有RS-485通信接口，且為了與Arduino 控制模塊適配，采用轉(zhuǎn)接模塊將Arduino 輸出的TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平。預(yù)分裝系統(tǒng)的數(shù)碼管模塊與轉(zhuǎn)接模塊實(shí)物見圖7。

圖7 預(yù)分裝系統(tǒng)的數(shù)碼管模塊與轉(zhuǎn)接模塊實(shí)物

3.2 稱重傳感器原理分析

稱重傳感器本質(zhì)上是一種電阻應(yīng)變式壓力傳感器，其內(nèi)部的電橋基本結(jié)構(gòu)和傳感器實(shí)物見圖8。

圖8 預(yù)分裝系統(tǒng)的電橋基本結(jié)構(gòu)和傳感器實(shí)物

假設(shè)輸入電壓為Ue，采用電阻R1、R2、R3、R4組成四個(gè)橋臂，則電橋的輸出電壓可由公式U 0=U ab-U cd={(R1R3-R2R4)÷[(R1+R1)(R3+R4)]}×Ue確定[7]。若電橋的輸出電壓為0，則需滿足R1R3=R2R4的平衡條件。若四個(gè)橋臂阻值均發(fā)生變化，即R1+△R1、R2+△R2、R3+△R3、R4+△R4，該電橋稱為全橋，輸出電壓可由公式U0=[(R1R2)÷(R1+R1)2]×[(△R1÷R1)-(△R2÷R2)+(△R3÷R3)-(△R4÷R4)]×Ue確定。同時(shí)，根據(jù)靈敏度公式S=U0÷(△R÷R)，在R1=R2=R3=R4=R，△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R的條件下，確定全橋的靈敏度為U e。值得注意的是，不同的電橋接法具有不同的靈敏度，需驗(yàn)證全橋的最大靈敏度。

當(dāng)沒(méi)有投放綠葉菜時(shí)，對(duì)于承載平臺(tái)下方的稱重傳感器，電阻應(yīng)變片不會(huì)因壓力作用發(fā)生形變，阻值也不會(huì)發(fā)生變化，電橋保持平衡，輸出電壓為0；當(dāng)綠葉菜落至平臺(tái)上時(shí)，電阻應(yīng)變片開始出現(xiàn)與壓力大小成正比的形變，從而轉(zhuǎn)換為阻值的變化，使電橋脫離平衡狀態(tài)，產(chǎn)生輸出電壓[8]，但由于輸出電壓的幅值較小，故利用變送器的調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)幅值的調(diào)整，得到0～5 V的模擬電壓信號(hào)，然后經(jīng)Arduino內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)[9]，從而建立電壓與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。

3.3 信號(hào)傳輸與濾波處理

為有效完成信號(hào)的傳輸與轉(zhuǎn)換，需對(duì)Arduino的引腳進(jìn)行合理配置，具體的各引腳編號(hào)對(duì)應(yīng)的設(shè)定功能為：A1 為輸入預(yù)設(shè)質(zhì)量，A2 為輸入實(shí)測(cè)重量，7、8為輸出控制電平，TX(1)為發(fā)送數(shù)據(jù)，RX(0)為接收數(shù)據(jù)。

模擬量輸入使用圖6 所示的A1、A2 兩個(gè)通道，分別負(fù)責(zé)稱重傳感器信號(hào)輸入和質(zhì)量預(yù)設(shè)值的輸入處理；數(shù)字量輸出使用圖6所示的7、8兩個(gè)通道，用于控制三位五通電磁閥的運(yùn)作；TTL 通訊信號(hào)的輸出利用系統(tǒng)控制器的R X 和T X 引腳。

考慮到實(shí)際工作環(huán)境存在外部干擾因素，對(duì)稱重傳感器變送器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行了必要的信號(hào)濾波處理。信號(hào)調(diào)理電路首先利用阻容元件構(gòu)成的低通濾波器完成一次濾波，電路圖和幅值特性曲線見圖9[10]。公式描述了濾波電路的頻率響應(yīng)特性，其中，f0是截止頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻和電容的取值即可便捷地改變截止頻率的大小，可根據(jù)工作環(huán)境的干擾情況改變?yōu)V波器的帶寬，降低高頻噪聲的影響。

圖9 預(yù)分裝系統(tǒng)的低通濾波器電路圖和幅值特性曲線

在A/D 轉(zhuǎn)換后，利用算術(shù)均值濾波完成第2 次去噪[11]。為了更好地提升濾波效果，可在提取均值前剔除數(shù)據(jù)中的最小值和最大值。假設(shè)原數(shù)據(jù)x存在n 個(gè)不同的值，剔除操作后則變?yōu)閚-2 個(gè)值，濾波結(jié)果由公式確定，其中，n的取值可參考傳感器的采樣頻率。

3.4 控制軟件編寫

預(yù)分裝系統(tǒng)的控制軟件編寫利用Arduino-IDE完成，按照預(yù)定的配置指定引腳和地址，將讀入的電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為重量大小，并基于MODBUS 通信協(xié)議輸出控制指令，使數(shù)碼管正確顯示預(yù)設(shè)質(zhì)量和實(shí)測(cè)質(zhì)量數(shù)值。

數(shù)碼管模塊采用M OD BU S-R TU 模式通信（這種方式可在相同的波特率下比ASCII 方式傳送更多的數(shù)據(jù)[12]，具體各參數(shù)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)為：編碼為8位二進(jìn)制，起始位為1個(gè)，數(shù)據(jù)位為8 個(gè)，奇偶校驗(yàn)位為1 個(gè)，停止位為1 個(gè)，錯(cuò)誤校驗(yàn)為CRC）；數(shù)碼管模塊的顯示內(nèi)容分為0# 和1# 兩個(gè)索引（0# 對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)質(zhì)量，1#對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)質(zhì)量），且為了在實(shí)際操作過(guò)程中顯示測(cè)量結(jié)果的小數(shù)位，需分別向指數(shù)寄存器和系數(shù)寄存器寫入數(shù)值（0#的十進(jìn)制寄存器地址為307 和308，1#的十進(jìn)制寄存器地址為507 和508）；假設(shè)預(yù)期顯示的小數(shù)為a、指數(shù)為n、系數(shù)為m，則通過(guò)a=m×10-n進(jìn)行計(jì)算。

在對(duì)數(shù)碼管模塊的控制軟件進(jìn)行編寫時(shí)，首先要在Arduino-IDE 中引入Modbus Master 庫(kù)，定義目標(biāo)通信從站，設(shè)定需要讀取的從站起始地址，接著設(shè)置Arduino 與從站間的串口波特率，并進(jìn)行初始化操作，最后換算得到質(zhì)量的具體數(shù)值后，利用writeSingleRegister函數(shù)向指數(shù)和系數(shù)寄存器寫入相應(yīng)數(shù)值。

4 預(yù)分裝系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用

4.1 稱重傳感器標(biāo)定

在對(duì)預(yù)分裝系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)前，先對(duì)稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定。由于綠葉菜終端銷售包裝一般不超過(guò)3 kg，故設(shè)置0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 kg的質(zhì)量梯度測(cè)試傳感器的輸出信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的電壓分別為0.002、0.153、0.295、0.458、0.591、0.746、0.902 V，通過(guò)回歸分析得到的擬合曲線和函數(shù)關(guān)系見圖1 0。回歸模型的決定系數(shù)R2=0.999 7，說(shuō)明擬合效果較佳，可應(yīng)用擬合關(guān)系式計(jì)算獲得綠葉菜的實(shí)測(cè)質(zhì)量。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

為了檢測(cè)預(yù)分裝系統(tǒng)的工作效率和工作精度，選取上海本地小青菜作為具體實(shí)驗(yàn)對(duì)象，按照0.5、1.0、1.5、2.0 kg 的預(yù)設(shè)質(zhì)量梯度開展分裝實(shí)驗(yàn)。由表1 可知，誤差最大值不超過(guò)5%，說(shuō)明預(yù)分裝系統(tǒng)能在一定的準(zhǔn)確度下長(zhǎng)時(shí)間工作。同時(shí)，當(dāng)投放的小青菜形態(tài)較為理想時(shí)，預(yù)分裝系統(tǒng)的分裝效率為10～15 包/min，說(shuō)明預(yù)分裝系統(tǒng)的工作效率能夠滿足綠葉菜預(yù)分裝的實(shí)際生產(chǎn)需求。

表1 預(yù)分裝系統(tǒng)的具體分裝結(jié)果

5 結(jié) 論

筆者針對(duì)當(dāng)前綠葉菜包裝線人工分堆效率低下、操作繁瑣的現(xiàn)狀，采用Arduino UNO R3 作為控制器，設(shè)計(jì)了預(yù)分裝系統(tǒng)。預(yù)分裝系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和在線稱重機(jī)構(gòu)兩部分組成，并采用旋轉(zhuǎn)氣缸作為驅(qū)動(dòng)裝置。預(yù)分裝系統(tǒng)在工作時(shí)，可在量程范圍內(nèi)隨意調(diào)定綠葉菜預(yù)設(shè)質(zhì)量，再由傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量進(jìn)入分裝系統(tǒng)的綠葉菜質(zhì)量，并與預(yù)設(shè)質(zhì)量進(jìn)行比較，一旦進(jìn)入誤差偏離區(qū)間，控制器會(huì)輸出指令驅(qū)動(dòng)承重盤旋轉(zhuǎn)，將綠葉菜倒落在輸送帶上，完成分裝。預(yù)分裝系統(tǒng)經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，小青菜的分裝相對(duì)誤差不大于5%，分裝效率可達(dá)10～15 包/min，能較好地滿足綠葉菜包裝線的預(yù)分裝要求。