發布時間:2020-02-21所屬分類:科技論文瀏覽:1次
摘 要: 摘要:為解決丘陵山區地膜回收難題,促進農業綠色發展,設計了一種輕簡式煙田苗期揭膜機。該揭膜機采用揭膜電機驅動錐形卷膜輥揭膜,在揭膜過程中,揭膜電機在控制系統作用下能夠恒扭矩驅動錐形卷膜輥轉動揭膜,從而以近似恒拉力的方式揭膜,保證了可靠揭膜而
摘要:為解決丘陵山區地膜回收難題,促進農業綠色發展,設計了一種輕簡式煙田苗期揭膜機。該揭膜機采用揭膜電機驅動錐形卷膜輥揭膜,在揭膜過程中,揭膜電機在控制系統作用下能夠恒扭矩驅動錐形卷膜輥轉動揭膜,從而以近似恒拉力的方式揭膜,保證了可靠揭膜而不斷膜。揭膜機包括揭膜系統、控制系統和行走系統。揭膜系統可實現揭膜和卸膜功能,控制系統實現對兩側揭膜電機的獨立控制,使揭膜電機恒扭矩驅動錐形卷膜輥,行走系統提供支撐和移動功能。試驗表明:該機平均恒扭矩控制誤差為5.02%,揭膜性能好,能實現殘地膜回收。
關鍵詞:揭膜機;輕簡式;煙草;苗期;恒扭矩控制
0引言
煙草是我國重要的經濟作物之一,是一種喜溫作物,由于地膜覆蓋具有保溫保墑保濕的作用,在煙草種植中得到了廣泛應用[1]。地膜覆蓋在煙草種植過程中有重要作用,既除去了在煙草大田栽培的中耕除草環節,又可提高地溫,從而促進土壤中微生物的活動,加強了土壤中有機質和部分養分的釋放,提高了肥料的利用率,改善了土壤的養分狀況,保持土壤疏松,減少病蟲和雜草危害,進而促進煙草根系和煙株的生長發育,使煙草成熟期提早10天左右,明顯提高了煙葉品質[2]。但是,地膜覆蓋后,由于土壤環境條件在各生育階段的變化規律不同,地膜對煙草品質除了上述正效應影響還伴隨著負效應影響。現有研究指出:在煙草作物全生育期進行地膜覆蓋栽培,將在一定程度上導致某些病蟲害加重、煙株根系發育不良等問題。在煙株生長中后期,土壤溫度往往過高,而濕度不足,如果不及時揭去地膜,易使土壤板結、通氣不良,過高的土壤溫度會對根系造成傷害[3];且地膜會阻擋來自空氣中的降雨,不利于肥料溶解轉化和煙苗吸收,影響煙株后期生長;加之地膜在田間難以降解,污染土壤,對農作物危害很大[4-7]。因此,有研究人員提出,在煙草種植過程中,隨著溫度升高和煙株對水分的要求不同,應及時揭膜以保證煙草的正常生長。
1結構與工作原理
輕簡式煙田苗期揭膜機的機械結構如圖1所示。
該機主要包括錐形揭膜傳動機構、揭膜電機、集膜機構、控制器、行走輪、扶手、工作開關、機架和鋰電池。其整體設計在功能系統上主要包括揭膜系統和行走系統:揭膜系統在機構上主要包括錐形揭膜機構、揭膜傳動機構、揭膜電機和集膜機構;行走系統在機構上主要包括行走輪及其組件。揭膜系統實現的功能有固定地膜、卷膜及卸膜。由于要求揭膜機在壟溝行進時同時收兩側煙壟地膜以提高生產率,因此在揭膜機兩側均勻設置了兩組錐形揭膜機構。錐形揭膜機構主要由錐形卷膜輥、卡膜盤、傳動軸和法蘭盤組成。法蘭盤連接并固定錐形卷膜輥于傳動軸上,錐形卷膜輥其外徑自靠近機架一端向外逐漸減小,使卷膜輥的外表面具有錐面,便于快速卸下纏繞在卷膜輥上的地膜,并無需更換輥筒,既提高了工作效率,又無需準備備用輥筒,從而減小了整個設備或操作人員的負載,簡化了操作,降低了勞動強度。由于揭膜機揭膜時兩側地壟上的地膜狀態不同,造成兩側錐形揭膜機構的工況有所不同,導致不能使用同一個動力同時驅動兩側的錐形揭膜機構,因此設置了兩個揭膜電機分別獨立驅動兩個錐形揭膜機構。
揭膜電機通過揭膜傳動系統驅動揭膜機構轉動揭膜。揭膜傳動機構主要由主同步帶輪、同步帶和從同步帶輪組成,從同步帶輪與傳動軸剛性連接,從而實現揭膜電機驅動傳動軸轉動,即驅動錐形卷膜輥轉動揭膜。錐形卷膜輥一端連接卡膜盤,卡膜盤上設有用于固定地膜的卡膜口,在揭膜之前,操作人員先將覆蓋在煙壟上的地膜端部卡入卡膜口,使其被可靠地限位,從而保證了揭膜機在地膜回收初期的可靠運行。
行走系統的作用為支撐其余構件并使揭膜機行走。雙行走輪具有更高的穩定性和操控性,其余機構或組件皆安裝在以行走輪為支撐的機架上。在行走輪的一側設置了行走速度檢測裝置,主要由磁鐵盤、小磁鐵、霍爾傳感器固定件及霍爾傳感器組成。磁鐵盤與行走輪剛性連接,霍爾傳感器與磁鐵盤盤面正對。當揭膜機啟動時,霍爾傳感器檢測安裝在磁鐵盤上的小磁鐵經過時間,控制系統從而準確、靈敏地判斷揭膜機的工作狀態并計算出行走輪的實時行走速度,實現揭膜電機的自動啟停及對操作人員行走速度的報警提示,提高了人機交互性。
2硬件電路設計
控制系統總體硬件電路如圖2所示。
揭膜機揭膜時,揭膜電機恒扭矩驅動錐形卷膜輥轉動揭膜,從而近似恒拉力揭膜,可通過控制電機電流使揭膜電機輸出恒扭矩。由于地膜的使用情況、厚度、強度等因素不同,其拉斷力不盡相同。為了使揭膜機揭膜時能可靠地揭起不同強度的地膜,可設置揭膜機的揭膜拉力。
通過檢測揭膜電機的電流,控制系統根據電流與揭膜拉力之間的關系可計算出相應的揭膜拉力?刂葡到y將檢測的揭膜電機電流反饋給單片機,可實現對揭膜電機的閉環控制,從而增加控制的精準度。電機電流選用電流令。當電池電壓達到要求時,主程序將檢測工作開關是否閉合,若工作開關斷開,主程序將關掉單片機的PWM模傳感器ACS712檢測電流大小。由于左右兩側揭膜電機獨立控制,需要分別檢測其電流值,因此電路設計時采用了2塊電流傳感器ACS712。ACS712由5V電壓供電,通過IP+引腳和IP-引腳串聯于被測電路中,被測電流經IP+引腳輸入和IP-引腳輸出。IP+和IP-之間設置了1個霍爾元件,電流從霍爾元件附件流過時,電信號轉換為磁信號,并經過后續信號還原及放大由VIOUT引腳輸出1個電壓信號。
期刊推薦:《農業機械學報》創刊于1957年,國內外公開發行。與國外30多個國家和地區有交換或發行關系,目前已被國內外10余種數據庫、檢索刊物錄入或引用。專業范圍:農業裝備、農業工程、農用能源動力和車輛工程、農業自動化與環境控制工程、農產品及食品加工工程、農機化研究以及有關邊緣學科的基礎理論、設計制造、材料工藝、測試儀器與手段的綜合性論述、研究成果、發展動向研究等。
揭膜機的行走速度可由霍爾傳感器測出。揭膜機行走輪輪側安裝了磁鐵盤,盤上均布著12個小磁鐵,當小磁鐵經由霍爾傳感器時會產生一個霍爾脈沖信號,單片機可通過檢測單位時間內小磁鐵的通過個數即霍爾脈沖信號個數,或者計時相鄰兩個霍爾脈沖信號之間的時間,從而計算出行走輪的轉速。
揭膜機除了電源開關,還需設置工作開關,以給控制系統下達工作指示。單片機通過檢測引腳的高低電平信號決定是否啟動電機工作。工作開關斷開時,開關檢測引腳為高電平;工作開關接通時,開關檢測引腳為低電平。
鋰電池是揭膜機控制系統和揭膜電機的供電電源,因此控制系統需要實時監控鋰電池的電壓,以判斷鋰電池剩余電量狀態。當檢測到電池電壓過低時,控制系統需要提示用戶電量不足,并不進行后續工作。電池電壓采用電阻分壓檢測(見圖2),R13和R14接入電池,通過檢測電池在R14上的分壓即可轉換為電池電壓;單片機通過A/D模塊檢測R14的電壓值,選擇的模數轉換通道為RB5/AN11,電容C8是濾波電容。
在多種情況下,揭膜機需要向操作人員進行報警提示,如當控制系統上電后,工作指示燈亮,表明系統的正常狀態;當電池電壓過低時,蜂鳴器鳴叫,工作指示燈閃動,提示用戶電池電量不足;當操作人員推動揭膜機揭膜時,控制系統會檢測其行走速度,若行走速度不在設置范圍內,控制系統會以蜂鳴器鳴叫和工作指示燈閃爍的不同頻率,提示用戶。
3軟件程序設計
輕簡式煙田苗期揭膜機的控制系統的主要功能有揭膜機揭膜拉力設置、揭膜電機恒流控制、行走速度檢測及其操作指示、電池欠壓保護及其報警提示等。控制系統的主程序流程如圖3所示。
控制系統上電后,主程序首先對單片機PIC18F23K22進行初始化,初始化后的每次主程序循環都要清看門狗WDT;接下來主程序調用電池電壓檢測子程序檢測電池電壓,并決定程序是否繼續進行和做出電池欠壓保護和報警提示相關指令。當電池電壓達到要求,主程序將檢測工作開關是否閉合,若工作開關斷開,主程序將關掉單片機的PWM模塊,使揭膜電機停機;若開關閉合主程序將允許INT2外部中斷和TMR0中斷,以檢測揭膜機的行走速度。然后主程序調用揭膜拉力設置檢測子程序,控制系統獲得操作人員設置的揭膜拉力后,將使能PWM模塊,使揭膜電機保持驅動狀態;接下來主程序調用電流檢測子程序對左右兩側的揭膜電機的輸出電流分別進行采樣檢測,并分別將采樣值送至恒流控制子程序中的相關寄存器。在恒流控制子程序中,控制系統將對電流采樣值進行計算處理來調節PWM的占空比,從而實現對揭膜電機的恒流控制。主程序最后調用行走快慢報警提示子程序,根據中斷服務程序測出的行走速度對操作人員進行提示,然后進入下一個主程序循環。
4試驗結果與分析
驗數據表如表1所示。
揭膜機揭膜時,揭膜電機通過恒扭矩驅動錐形卷膜輥揭膜,從而實現以近似恒拉力揭膜的目的,以保證可靠、揭膜而不斷膜。因此,在揭膜機整機試驗之前,需要單獨測試揭膜機控制系統的恒扭矩控制性能,以測試其恒扭矩控制精準度。由于揭膜電機恒扭矩輸出由控制系統恒流控制程序實現,在進行揭膜機恒扭矩控制試驗時需要設置并檢測揭膜電機電流。恒扭矩試驗時將地膜纏繞在揭膜機錐形卷膜輥上,在不同的電流設定值下啟動揭膜電機,測試揭膜拉力和揭膜電機電流及PWM的占空比。試驗的主要設備有:揭膜機樣機、數字測力計、數字示波器、直流電流表。
由表1的數據可得到設置電流與PWM占空比及設置電流與理論揭膜拉力和實際揭膜拉力的趨勢,如圖4所示。由圖4可知:當設置電流增大,PWM的占空比和揭膜拉力皆呈近似線性比例增大,而控制系統即是通過調節PWM的占空比使揭膜電機電流恒定在設置值,從而使揭膜電機恒扭矩驅動錐形卷膜輥,使之以近似恒拉力揭膜。
5結論
1)設計了一種輕簡式煙田苗期揭膜機,包括揭膜系統、控制系統和行走系統。揭膜系統實現揭膜和卸膜功能,主要由錐形卷膜輥、揭膜電機、揭膜傳動機構、卡膜盤和集膜機構組成?刂葡到y實現對兩側揭膜電機的獨立控制,使揭膜電機恒扭矩驅動錐形卷膜輥,使其達到不損壞膜而可以揭膜的作用。行走系統提供支撐和移動功能,使其平穩行走。
2)揭膜機恒扭矩試驗表明:揭膜機平均恒扭矩控制誤差為5.02%,揭膜性能較好,能實現殘地膜回收。
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