果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究——基于嵌入式ARM

羅　成，劉志剛，2

( 1.南昌工學(xué)院，南昌　330108；2.南昌大學(xué)，南昌　330031)

?

果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究——基于嵌入式ARM

羅成1，劉志剛1，2

( 1.南昌工學(xué)院，南昌330108；2.南昌大學(xué)，南昌330031)

摘要：果蔬產(chǎn)業(yè)在我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品中占據(jù)著重要的市場(chǎng)地位，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出于對(duì)健康的考慮，人們對(duì)果蔬產(chǎn)品的質(zhì)量、新鮮程度和食用安全的要求也在提高，逐漸開(kāi)始看重果蔬類產(chǎn)品的外形包裝。為了實(shí)現(xiàn)果蔬產(chǎn)品的快速包裝及減少果蔬產(chǎn)品因與機(jī)械直接接觸引起的二次污染，設(shè)計(jì)和研發(fā)可以獨(dú)立自主包裝果蔬的機(jī)械設(shè)備顯得尤為重要。為此，基于嵌入式ARM中的AT91SAM9263處理器，設(shè)計(jì)了果蔬包裝機(jī)的智控系統(tǒng)，其集機(jī)械電子、智能測(cè)試和光電傳感等多種學(xué)科于一體，具有自動(dòng)化程度高、精度優(yōu)、穩(wěn)定性強(qiáng)及可靠性高等特點(diǎn)，能較大程度地提高包裝質(zhì)量，且可以完成對(duì)不同種類產(chǎn)品的包裝，提高了包裝作業(yè)的效率，為果農(nóng)降低了經(jīng)濟(jì)成本。

關(guān)鍵詞：果蔬包裝機(jī)；智控系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；光電傳感；ARM；AT91SAM9263

0引言

受社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的影響，人們生活水平有了很大程度的提高，國(guó)民開(kāi)始注重養(yǎng)生，對(duì)綠色果蔬的需求量逐漸增多，同時(shí)也越來(lái)越注重果蔬的質(zhì)量和包裝。果蔬產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)第二大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，其包裝形式也開(kāi)始備受消費(fèi)者關(guān)注，包裝精美、質(zhì)量?jī)?yōu)的果蔬深受消費(fèi)者的喜愛(ài)，消費(fèi)者需求的改變給包裝產(chǎn)業(yè)帶了新的發(fā)展機(jī)遇。目前，已有的包裝機(jī)械已經(jīng)發(fā)展數(shù)百年，涵蓋了煙草、食品、日用品和醫(yī)藥等多種領(lǐng)域，取得了很大成就；但果蔬包裝機(jī)械，仍存在著機(jī)器成套性差、包裝效率低、人工操作難度大等缺點(diǎn)，很難做到質(zhì)量和效率同高。本文設(shè)計(jì)和研究了基于嵌入式ARM的果蔬包裝機(jī)，包裝對(duì)象主要為水果和蔬菜，具有包裝速度快、包裝精美和成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，且解決了手工包裝效果不佳、效率低的問(wèn)題。

1果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬產(chǎn)品的自動(dòng)包裝，主要包括包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)、智能控制部分和包裝過(guò)程中的工藝流程等部分。

果蔬包裝機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件主要包括果蔬傳送帶、減速器、輸膜軸輪、光敏傳感器、縱向封切機(jī)、壓運(yùn)軸帶、橫向封切機(jī)和產(chǎn)品計(jì)數(shù)器等，如圖1所示。

1.果蔬產(chǎn)品　2.傳送帶　3.減速器　4.計(jì)數(shù)器與產(chǎn)品輸出口

各構(gòu)件功能如下：

1)果蔬傳送帶。主要包括伺服電機(jī)和傳輸帶，完成對(duì)果蔬產(chǎn)品的向前運(yùn)輸，將果蔬產(chǎn)品順利送到包裝成型器內(nèi)。

2)輸膜軸輪。主要用來(lái)傳輸果蔬包裝塑料薄膜，其結(jié)合縱向封切機(jī)，可以準(zhǔn)確完成對(duì)果蔬產(chǎn)品的包裝，減少因?yàn)榘b塑料薄膜松軟造成的包裝偏差。

3)減速器。在傳送帶傳送果蔬產(chǎn)品時(shí)，因?yàn)樗芰媳∧つΣ亮Φ牟灰恢?，?huì)引起果蔬產(chǎn)品和包裝膜前行速度不同步，此時(shí)需要減速器調(diào)整傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度，迫使果蔬產(chǎn)品和塑料薄膜同步前行，完成包裝作業(yè)過(guò)程的一致性。

4)光敏傳感器。主要對(duì)塑料薄膜進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，檢測(cè)包裝膜是否用完，提醒操作工人及時(shí)更換，避免因沒(méi)有包裝薄膜而導(dǎo)致漏包裝。

5)縱向封切機(jī)?？梢詫?duì)塑料薄膜進(jìn)行縱向切割，通過(guò)加熱完成對(duì)包裝薄膜的縱向封合；其軸承還可以牽引塑料薄膜向前運(yùn)動(dòng)，減少因塑料薄膜材質(zhì)不同引起的偏歪。

6)壓運(yùn)軸帶?？梢詫?duì)縱向切割熱封的塑料薄膜進(jìn)行拉平處理，從而減少因塑料薄膜不平引起的外觀瑕疵。

7)橫向封切機(jī)。經(jīng)過(guò)縱向封切機(jī)熱封過(guò)的包裝袋，還剩兩端沒(méi)有封口，要完成整個(gè)包裝過(guò)程，則需要橫向封切機(jī)對(duì)兩端進(jìn)行封口。橫向封切機(jī)需要有一定的紋理，以保證熱封的質(zhì)量，避免因封口不良導(dǎo)致包裝袋損壞，同時(shí)也可使包裝外觀更加精美。

8)產(chǎn)品計(jì)數(shù)器。對(duì)已經(jīng)包裝并輸出的整包產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算總共包裝的產(chǎn)品數(shù)量。

2 果蔬包裝機(jī)工藝流程

果蔬包裝機(jī)智能控制系統(tǒng)主要包括嵌入式ARM處理器、人機(jī)交互系統(tǒng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和信號(hào)采集等4個(gè)模塊，框架如圖2所示。

圖2　果蔬包裝機(jī)智能控制框架圖

果蔬包裝機(jī)包裝產(chǎn)品時(shí)需要3邊熱封，并且可以根據(jù)各類產(chǎn)品自動(dòng)形成成型包裝袋。其三維立體圖如圖3所示。

圖3　果蔬包裝機(jī)三維立體圖

果蔬包裝機(jī)實(shí)際上是一條包裝流水作業(yè)線，其工藝流程如圖4所示。

圖4　包裝工藝流程圖

果蔬包裝機(jī)包裝主要包括包裝膜成型制袋、裝載待包裝產(chǎn)品、封切、包裝成袋及計(jì)數(shù)等工藝流程。具體如下：塑料薄膜由輸膜軸輪送入包裝成型器內(nèi)并成型制袋，待包裝產(chǎn)品由果蔬傳送帶送入包裝線；果蔬傳送帶上的推送裝置將產(chǎn)品送入已成型制袋的塑料薄膜內(nèi)，在傳送帶和壓運(yùn)裝置的牽引下塑料薄膜和待包裝產(chǎn)品向包裝線尾部移動(dòng)；待包裝產(chǎn)品和塑料薄膜由光敏傳感器判斷位置，當(dāng)檢測(cè)其運(yùn)行到縱向封切機(jī)的位置時(shí)，縱向封切裝置對(duì)已經(jīng)裝載產(chǎn)品的塑料薄膜進(jìn)行縱向封口，上下帶有縫合作用的嚙合對(duì)塑料薄膜進(jìn)行壓封，同時(shí)對(duì)縱向封切裝置的滾輪進(jìn)行加熱，經(jīng)過(guò)一系列的加熱加壓完成縱向封口；繼續(xù)運(yùn)行到橫向封切位置時(shí)，由橫向封切對(duì)塑料薄膜進(jìn)行橫向封切；完全包裝好的產(chǎn)品由輸出口輸出，并由產(chǎn)品計(jì)數(shù)器對(duì)其計(jì)數(shù)。

3智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)的硬件包括AT91SAM9263處理器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、光敏傳感器、溫敏傳感器、繼電器及電源濾波器等，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在電子技術(shù)高速發(fā)展過(guò)程中，嵌入式技術(shù)也獲得快速的發(fā)展，其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟；而ARM處理器在32位處理器中又有其獨(dú)特的特點(diǎn)，其功耗低、處理能力強(qiáng)、速度快。AT91SAM9263處理器采用RISC架構(gòu)，程序移植能力強(qiáng)大，指令更加簡(jiǎn)潔，運(yùn)行速度更快，效率更高。

本系統(tǒng)軸輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括控制、驅(qū)動(dòng)、通信和檢測(cè)反饋等部分，功能框架如圖6所示。

圖6　伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架圖

伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為一個(gè)整體，一般需要根據(jù)性能綜合考慮，選擇伺服電機(jī)時(shí)主要需要考慮其最大轉(zhuǎn)速R及功率W。

傳送帶輸送包裝膜時(shí)需要考慮的最大轉(zhuǎn)速為

(1)

其中，Rmax為輸送塑料薄膜的最大轉(zhuǎn)速；L為產(chǎn)品包裝袋的長(zhǎng)度；W為整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最大功率；d為傳送塑料薄膜的軸輪長(zhǎng)度；μ為塑料薄膜損耗補(bǔ)償率。

包裝線正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需要的最大功率為

(2)

其中，J1為交流伺服電機(jī)的扭矩慣量；J2為熟料薄膜的扭矩慣量；v為交流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度；t為傳動(dòng)比。

4智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

果蔬包裝機(jī)采用AT91SAM9263處理器為控制器，用戶可以用其建立、調(diào)試、檢查程序，且程序的移植非常方便，大大節(jié)省了程序開(kāi)發(fā)和調(diào)試的時(shí)間。果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

5果蔬包裝機(jī)封切設(shè)計(jì)

果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)封切主要需要考慮其封切的準(zhǔn)度及封切時(shí)的溫度。封切溫度是包裝工序中最重要的部分，直接確定了包裝的精美程度和包裝的精準(zhǔn)度；封切的準(zhǔn)度主要考慮的是對(duì)包裝塑料薄膜的加熱控制。對(duì)包裝塑料薄膜的加熱封切需要采用高壓和高熱使其包裝口融化后封接起來(lái)融為一體，一般以包裝袋的密封時(shí)間和外觀評(píng)價(jià)封切的質(zhì)量。果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)封切示意如圖8所示。

圖7　果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)軟件流程

圖8　智控系統(tǒng)封切控制示意圖

果蔬包裝機(jī)智能控制系統(tǒng)采用PID控制算法，采用熱電偶的方式對(duì)加熱溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)反饋，通過(guò)溫度控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)橫、縱向進(jìn)行封切操作，具有控制直接、效率高、可靠性強(qiáng)及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

6實(shí)驗(yàn)與分析

研制的果蔬包裝機(jī)在包裝實(shí)驗(yàn)中，包裝物料的標(biāo)準(zhǔn)為高度80mm、袋長(zhǎng)200mm、寬度130mm，判定參數(shù)主要針對(duì)包裝效率及外觀。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1果蔬包裝機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 1The experimental results of packaging machine for fruits and vegetables

測(cè)量項(xiàng)數(shù)量百分比/%不良品袋數(shù)露包282.33外觀不良322.67良品袋數(shù)114095.00包裝效率158袋/min

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共包裝了1 200袋產(chǎn)品，其中有28袋是在包裝過(guò)程中沒(méi)有完整包裝的，32袋外觀有問(wèn)題，完成包裝的良品數(shù)有1 140袋，良品率高達(dá)95%，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，測(cè)試不良率在最大限度內(nèi)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)運(yùn)行正常、效率高、整體性能良好。

7結(jié)論

基于嵌入式AT91SAM9263控制器，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)，從果蔬包裝機(jī)的整體設(shè)計(jì)、工藝流程到包裝機(jī)的核心構(gòu)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和伺服電機(jī)的精準(zhǔn)控制，高質(zhì)量地完成包裝作業(yè)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了整個(gè)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：果蔬包裝機(jī)智控系統(tǒng)符合包裝作業(yè)要求，可以保證包裝流程有條理地進(jìn)行，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、性能優(yōu)、效率高、包裝精美等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張瑞宇.現(xiàn)代物流中果蔬保鮮包裝技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].包裝工程,2003(1):71-73,76.

[2]蘇遠(yuǎn). 塑料薄膜透氣性能的測(cè)試[J].中國(guó)包裝工業(yè),2003(2):44-45.

[3]范興娟,劉興龍.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在果蔬運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(9):210-214.

[4]葉其藍(lán).果蔬貯藏加工與質(zhì)量控制的現(xiàn)狀、問(wèn)題和對(duì)策[J].保鮮與加工,2012(6):48-53,56.

[5]樓曉東.中國(guó)果蔬品牌建設(shè):變化與機(jī)遇的應(yīng)對(duì)策略[J].中國(guó)外資,2012,22:240-241.

[6]呂恩利,陸華忠,楊洲,等.果蔬氣調(diào)保鮮運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(6):225-228.

[7]朱家驥.基于數(shù)字信號(hào)處理器的信封包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電腦：理論版,2014(12):158- 160.

[8]劉燕. 典型果蔬的綜合保鮮包裝技術(shù)研究[D].無(wú)錫：江南大學(xué),2008.

[9]楊明多.枕式包裝機(jī)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué),2009.

[10]蔡瑩,盧立新.果蔬氣調(diào)保鮮包裝氣調(diào)包裝技術(shù)機(jī)理[J]. 機(jī)電信息,2004(5):37-41.

[11]張杰,曹漢廷,張超,等.高速連續(xù)上料冷軋管機(jī)電氣控制系統(tǒng)[J].重型機(jī)械,2013(4):45-48.

[12]蔣偉鋒.基于XC3-24RT-E PLC的枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息,2013(27):160-161.

[13]常軍. 基于DSP的自動(dòng)包裝機(jī)運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)[D].青島：青島科技大學(xué),2010.

[14]唐文華.中國(guó)對(duì)日本果蔬出口貿(mào)易風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)警研究[D].衡陽(yáng):南華大學(xué),2010.

[15]王妍.華南至東北地區(qū)果蔬物流網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建研究[D].大連：大連海事大學(xué),2011.

[16]陳素敏,馮靜,陳志敏.構(gòu)建果蔬農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流信息系統(tǒng)的難點(diǎn)分析[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2009(2):44-46.

[17]金芳.果蔬加工業(yè)發(fā)展?fàn)顩r分析[J].科技風(fēng),2009(20):185.

[18]董海英.對(duì)提高我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品出口競(jìng)爭(zhēng)力的思考[J].四川教育學(xué)院學(xué)報(bào),2007(1):92-94.

[19]杜衛(wèi)東,魏?jiǎn)⑽?高觀. 我國(guó)蔬菜水果冷鏈物流發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]. 煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2008(2):24-32,92.

[20]石磊. 果蔬自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué),2014.

[21]吳雙. 果蔬自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué),2014.

[22]龔發(fā)云,朱小芹.基于PLC的三伺服枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(4):51-53,57.

[23]劉丹丹,孫秋花,彭彥平. 基于圖像處理的果蔬自動(dòng)分等包裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].包裝工程,2011(17):32-35.

[24]何衛(wèi)鋒.高速接縫式自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2004.

[25]陳劉洋.基于嵌入式軟PLC的枕式包裝機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué),2013.

[26]張磊.基于STM32的連續(xù)式分包裝機(jī)的研發(fā)[D].廈門(mén)：華僑大學(xué),2014.

[27]吳富民.基于ARM的制袋機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué),2008.

[28]江偉,謝振華,劉孝凡,等.基于ARM嵌入式的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)研究[J].鐵道通信信號(hào), 2008(11):1-3.

[29]羅鑫.基于ARM的嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D].上海：上海交通大學(xué),2010.

[30]郁洋.基于小波去噪的自動(dòng)包裝機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2015.

Design and Research of Intelligent Control System for Fruit and Vegetable Packaging Machine——Based on Embedded ARM

Luo Cheng1, Liu Zhigang1,2

(1.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China; 2.Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract：In recent years, China has made great progress in the fruit and vegetable industry, people's demand for fruit and vegetable products is second only to food.The fruit and vegetable industry occupies an important market position in China's agricultural products, and China's economic development plays an active role in promoting agricultural products. As a fruit and vegetable exporting country, China’s fruit and vegetable variety is complete, and the resources are also very rich,which is the world's most fruits and vegetables export. With the development of our economy, people's demand for fruits and vegetables is gradually increasing. The requirements for the quality of fruits and vegetables, fresh degree and food safety are also increased. At the same time, people gradually begin to value the shape of fruit and vegetable products. In order to achieve the rapid packaging of fruit and vegetable products and reduce the second pollution caused by the direct contact with the machine, the design and development of the mechanical equipment is particularly important. The AT91SAM9263 processor was used to design and research of the fruit and vegetable packing machine intelligent control system, the mechanical and electronic, intelligent test and a photoelectric sensor on various subjects based on ARM embedded.With a high degree of automation, high technology content, better accuracy and stability, high by features,it can greatly improve the quality of packaging, complete on different kinds of products packaging with strong adaptability.It not only improves the efficiency of packaging operations, but also savse the economic costand for farmers.

Key words：fruit and vegetable packaging machine; intelligent control system; embedded system; photoelectric sensor; ARM; AT91SAM9263

中圖分類號(hào)：S229

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0198-05

作者簡(jiǎn)介：羅成(1983-)，男，江西豐城人，副教授，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門(mén)人， 副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(41505015)

收稿日期：2015-08-26