輕簡(jiǎn)式煙草打頂抑芽機(jī)控制系統(tǒng)研究

夏志林 陳聯(lián)雄 彭玉龍 劉京 張之礬 韓小斌 任震宇 劉宏博

摘要 隨著煙草農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，煙草打頂抑芽的工作成為提高煙葉產(chǎn)質(zhì)的重要方式。在平原地區(qū)打頂抑芽機(jī)已經(jīng)投入使用，而在山地丘陵地區(qū)，由于其獨(dú)特的地形，并沒(méi)有合適的小型機(jī)械進(jìn)行打頂抑芽，為了提高煙草打頂抑芽的工作效率，在結(jié)合煙桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及人工打頂抑芽的工作步驟后，研制了一種小型的煙草打頂抑芽機(jī)。在介紹這種打頂抑芽機(jī)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)藥泵噴藥，利用單片機(jī)控制準(zhǔn)確地控制噴藥量及其位置，保證工作的可靠性，同時(shí)對(duì)該控制系統(tǒng)噴藥量的檢測(cè)做了測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了其噴藥量的準(zhǔn)確性。該設(shè)計(jì)提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了煙草打頂抑芽機(jī)的半自動(dòng)化，進(jìn)一步推動(dòng)了煙草農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

關(guān)鍵詞 煙草；打頂抑芽；基本結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)

Study on Portable and Simple Control System of Tobacco Topping and Sucker Machine

XIA Zhi-lin，CHEN Lian-xiong，PENG Yu-long，HAN Xiao-bin* et al （Zunyi Group of Guizhou Tobacco Company，Zunyi，Guizhou 563000）

Abstract With the development of tobacco agriculture，the tobacco topping and sucker work has become an significant way to improve the yield and quality of tobacco.Topping machine had been put into use in plain area.While in the hilly and mountainous areas，there was no suitable small machinery for top bud inhibition because of its unique terrain.In order to raise the efficiency of tobacco topping，Based on the structural characteristics of the tobacco rod and the working procedures of manual topping，a small tobacco topping machine had been invented.Based on the introduction of the basic structure of the topping and bud cutting machine，the control system was studied.The system used a brushless DC motor to drive the pump spray.it Also used the SCM to control the quantity and position of spraying，which could ensure the reliability of work.Besides， the detection of the spraying amount of the control system was tested，and the accuracy of the spraying amount was verified.The design improved the efficiency of the machine and it has realized the semi automation of tobacco topping and promotes the modernization process of tobacco agriculture.

Key words Tobacco；Topping and sucker；Basic structure；Control system

煙草作為一種經(jīng)濟(jì)作物，其主要目的在于收獲其葉片來(lái)作為生產(chǎn)原料。為了提高煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量，在煙草種植過(guò)程中必須抑制煙草的頂端優(yōu)勢(shì)，打頂抑芽是目前在煙草種植和生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用廣泛且不可缺少的農(nóng)藝步驟[1]。打頂是通過(guò)摘除煙草作物頂端的花序和幼葉，來(lái)控制除去其頂端生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，以避免不作為產(chǎn)量的幼葉對(duì)煙草作物內(nèi)部養(yǎng)分的進(jìn)一步吸收；而抑芽則是在除去頂芽的條件下，防止頂部側(cè)邊幼芽的生長(zhǎng)。當(dāng)前我國(guó)煙草打頂工作主要是采用人工來(lái)完成作業(yè)，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作不規(guī)范、藥物利用率低等現(xiàn)象。機(jī)械化的煙草打頂在我國(guó)仍處于起步階段，且主要集中在高校，其中的代表是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的3YDX-3打頂抑芽機(jī)，它選取的是拱形機(jī)架式結(jié)構(gòu)，能夠完成煙草識(shí)別、打頂和施藥的一體化作業(yè)，提高了煙草農(nóng)業(yè)的機(jī)械化水平[2]。與國(guó)內(nèi)相比，日本、加拿大、美國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了煙草打頂和收集的機(jī)械化聯(lián)合作業(yè)[3]，例如美國(guó)在1972年就已經(jīng)對(duì)一種在農(nóng)業(yè)機(jī)械上掛接式的打頂抑芽設(shè)備進(jìn)行了專(zhuān)利保護(hù)[4-5]，在農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的過(guò)程中，現(xiàn)代化智能化是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[6]。而目前我國(guó)使用的打頂抑芽機(jī)械普遍較大，只適用于平原地區(qū)，不適合在西南山地丘陵地區(qū)的作業(yè)，因此，研發(fā)一種小型輕量的打頂抑芽機(jī)械具有很好的實(shí)用價(jià)值。西南大學(xué)研制了一種輕小型的煙草打頂機(jī)械，結(jié)合基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，可快速打頂，易于操作，噴藥量設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)偏差小于5%。

1 煙草打頂機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu) 該輕小型煙草打頂機(jī)械主要由打頂系統(tǒng)和噴施系統(tǒng)組成，包括剪切部件、驅(qū)動(dòng)部件、機(jī)身、藥箱、藥泵、電磁閥、藥管和噴頭等組成。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、2。

1.2 工作原理

單手握持機(jī)身至煙草桿頂部，將桿置于剪切刀頭之間，指頭按下控制開(kāi)關(guān)，單片機(jī)收到信號(hào)，傳送給電機(jī)一個(gè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪與齒條相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)滑塊，使動(dòng)刀刀片運(yùn)動(dòng)剪切煙草桿，之后電磁閥將自動(dòng)開(kāi)啟，藥泵將藥液通過(guò)藥管傳送到噴頭，噴頭噴灑藥液，即完成一個(gè)打頂過(guò)程。

2 煙草打頂機(jī)的控制系統(tǒng)

2.1 主要工作流程

煙草在進(jìn)行打頂抑芽工作時(shí)主要有2個(gè)步驟：一是剪切，二是噴藥?；谶@2個(gè)要求所設(shè)計(jì)的主要工作流程如圖3所示。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了使打頂抑芽機(jī)能夠正常穩(wěn)定地工作，同時(shí)自由地控制，該設(shè)計(jì)選用的是線(xiàn)性調(diào)速較好、效率較好的無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、易于更換和維護(hù)，能夠有效地達(dá)到該設(shè)計(jì)的工作要求。同時(shí)，該打頂抑芽機(jī)的噴施系統(tǒng)需要對(duì)藥劑進(jìn)行精良化控制，盡量避免藥泵出口到噴頭的壓力損失，比對(duì)目前常用的幾種小型水泵，最終選用了小型的離心泵來(lái)進(jìn)行控制。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。該打頂抑芽機(jī)硬件電路的CPU主要由單片機(jī)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。剪刀位置信號(hào)、噴藥量調(diào)節(jié)信號(hào)、電池電壓信號(hào)、工作開(kāi)關(guān)信號(hào)等，都是通過(guò)單片機(jī)采集數(shù)據(jù)后處理運(yùn)算，再根據(jù)程序設(shè)計(jì)傳輸相應(yīng)的輸出信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制電路來(lái)達(dá)到控制整個(gè)打頂抑芽過(guò)程的過(guò)程。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

打頂抑芽機(jī)的控制系統(tǒng)要保證使用者在實(shí)際操作中，當(dāng)控制按鈕按下后，一套動(dòng)作要立刻開(kāi)始執(zhí)行，并檢測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，在遇到問(wèn)題的時(shí)候能夠

當(dāng)打頂機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，首先要檢測(cè)電源電壓和施藥量是否在正常范圍內(nèi)，再判斷工作開(kāi)關(guān)是否被按下，在接收到工作開(kāi)關(guān)按下的信號(hào)時(shí)，控制程序開(kāi)始啟動(dòng)并且調(diào)用直流電機(jī)正轉(zhuǎn)的子程序，之后判斷工作開(kāi)關(guān)是否松開(kāi)，當(dāng)接收到開(kāi)關(guān)未被松開(kāi)的信號(hào)后，緊接著會(huì)判斷剪刀是否閉合，剪刀閉合之后，系統(tǒng)將關(guān)閉直流電機(jī)同時(shí)調(diào)用施藥子程序。之后接收到按鍵松開(kāi)的信號(hào)后，程序調(diào)用直流電機(jī)反轉(zhuǎn)子程序，再?gòu)堥_(kāi)剪刀，關(guān)閉直流電機(jī)，整個(gè)過(guò)程就此結(jié)束。當(dāng)然，在程序設(shè)計(jì)中也考慮到一些突發(fā)狀況和故障的處理，使用者在工作過(guò)程中遇到相關(guān)問(wèn)題或出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)的情況時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警提醒使用者停止使用，并做出相應(yīng)的檢查。在下一次電源開(kāi)啟時(shí)，所有動(dòng)作程序都將初始化。

3 噴藥量測(cè)試試驗(yàn)及結(jié)果分析

噴藥量測(cè)試主要是針對(duì)設(shè)計(jì)好的打頂抑芽機(jī)的控制系統(tǒng)所進(jìn)行的準(zhǔn)確性測(cè)試試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)制作好的打頂抑芽機(jī)樣機(jī)進(jìn)行噴藥量檢測(cè)，用得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該試驗(yàn)所用到的裝置主要有：打頂抑芽機(jī)樣機(jī)、多個(gè)小量程的量杯。

試驗(yàn)對(duì)打頂抑芽機(jī)樣機(jī)噴施量選定了11組設(shè)定值，從10 mL到20 mL每隔1 mL進(jìn)行一組試驗(yàn)，每組進(jìn)行10次噴施，測(cè)得總藥量，計(jì)算出平均每次噴施量、噴施偏差、平均偏差、方差、標(biāo)準(zhǔn)差以及噴施偏差等數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該打頂抑芽機(jī)的每次實(shí)際噴藥量均在設(shè)定值上下輕微波動(dòng)，其噴藥量平均偏差為2.14%，各組試驗(yàn)的方差、標(biāo)準(zhǔn)差的變化較小，反映出每組測(cè)試的單次噴藥量的波動(dòng)較小，離散程度低，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)的控制系統(tǒng)是針對(duì)一種煙草打頂抑芽機(jī)提出來(lái)的，主要由單片機(jī)作為核心，對(duì)剪刀位置、噴藥量調(diào)控、電池電壓、工作開(kāi)關(guān)等信號(hào)進(jìn)行控制，并在噴藥量測(cè)試試驗(yàn)中驗(yàn)證了其精準(zhǔn)度，提高了藥液的使用效率。對(duì)于煙草的打頂抑芽工作能夠起到很大的作用，提高了打頂抑芽的工作效率和煙葉質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了煙草打頂抑芽的半自動(dòng)化和精準(zhǔn)化，也為進(jìn)一步優(yōu)化該機(jī)械的自動(dòng)化進(jìn)程提供了良好的基礎(chǔ)。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用得越來(lái)越廣泛，該系統(tǒng)的應(yīng)用將進(jìn)一步提高煙草農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化與智能化。

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