電動柑橘采摘機設(shè)計

摘 要：該文針對我國南方果園水果采摘特點，設(shè)計了一種雙刀片手持式水果采摘機械，對其進行了系統(tǒng)設(shè)計，詳細分析了該水果采摘機械的電路設(shè)計和程序設(shè)計。并且通過開關(guān)型霍爾傳感器檢測刀片的切割初始和終了位置，設(shè)計了初始位置檢測程序，保證系統(tǒng)正常工作。

關(guān)鍵詞：雙刀片 大扭矩電機 霍爾傳感器 水果采摘機

中圖分類號：TG555文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0065-01

中國作為一個水果生產(chǎn)大國，我國每年的水果產(chǎn)量在一億噸以上，其中以蘋果、梨、橙等采摘作業(yè)為主的水果產(chǎn)量占到了世界前三--[1]。采摘作業(yè)所消耗的勞動力占到了整個生產(chǎn)過程的33%～50%[2]。目前我國果園機械采摘的機械化程度普遍較低，其主要方法為兩種形式：機械輔助半主動采收和機械全自動采收[3]。在我國南方，水果種植基地多位于丘陵山區(qū)地帶，若采用機械全自動采收，容易導(dǎo)致水果采摘效率低，損傷大，果實識辨率低等問題，因此機械全自動的發(fā)展和推廣受到了限制[4]?；诖朔N背景，機械輔助半自動采收的形式將會成為主流。該研究亦是在這種情況下設(shè)計出雙刀片手持式水果采摘機械。雙刀片在電機驅(qū)動和單片機控制下，實現(xiàn)了操作簡便，一步到位，可靠性好等特點，避免二次作業(yè)，有效降低了采摘勞動強度，提高了采摘效率。

1 系統(tǒng)組成及工作過程

如圖1所示，該機械裝置由裝有磁鐵的雙切割刀片、大扭矩電機、霍爾傳感器、控制電路及切割按鈕、載果筐、支架桿和手柄等組成?；魻杺鞲衅靼惭b在刀片的初始位置及切割終了位置。當(dāng)切割開始時，按下切割按鈕，控制器驅(qū)動大扭矩電機轉(zhuǎn)動，大扭矩電機帶動刀片在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，切割果柄。刀片轉(zhuǎn)動一定角度后，通過霍爾傳感器檢測到刀片到達指定位置，控制器控制大扭矩電機反轉(zhuǎn)。當(dāng)控制器通過霍爾傳感器檢測到刀片到達初始位置時，控制器控制電機停轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電路設(shè)計

（1）供電電路設(shè)計

該裝置采用12 V鋰電池供電，由于采用的單片機工作電壓為3.3 V，所以需要3.3 V降壓電路。考慮到AMS1117的最大輸入電壓為12 V，為了防止鋰電池過度充電，出現(xiàn)電壓高于12 V燒毀AMS1117的情況。本系統(tǒng)采用兩次降壓，首先使用7805穩(wěn)壓電源，將電壓降至5 V，再通過AMS1117降壓至3.3 V輸出。由于7805的最高輸入電壓為36 V，故解決了由于鋰電池過度充電，造成鋰電池放電電壓高于12 V燒毀AMS1117的問題。由于功率驅(qū)動芯片IR2136的工作電壓為10～20 V，故直接通過鋰電池供電，無需任何降壓手段。基于以上說明，電路如圖2所示。

（2）驅(qū)動電路設(shè)計

由于大扭矩電機需要正反轉(zhuǎn)，故需搭建橋式電路。本電路由四個場效應(yīng)管組成，當(dāng)電機需要正轉(zhuǎn)時，單片機控制Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3斷開，電機正轉(zhuǎn)。當(dāng)電機需要反轉(zhuǎn)時，單片機控制Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4斷開，電機反轉(zhuǎn)。電機停轉(zhuǎn)，導(dǎo)通Q1、Q4，斷開Q2、Q3；或者導(dǎo)通Q2、Q3，斷開Q1、Q4，即通過感應(yīng)電動勢使電機停轉(zhuǎn)。

（3）控制檢測及功率驅(qū)動單元設(shè)計

控制器的主控芯片采用美國microchip公司制造的pic18F23K20單片機。其主要的工作特性：3.3 V低電壓工作，最大工作頻率64 MHz，具有28引腳，支持在線調(diào)試程序。配有CPP捕捉模塊。功率驅(qū)動芯片采用美國IR公司的IR2136，其工作電壓為10～20 V，最多驅(qū)動6個場效應(yīng)管工作。

系統(tǒng)采用兩個霍爾傳感器檢測刀片位置，其中一個霍爾傳感器裝在刀片的初始位置，另一個裝在刀片的切割終了位置。由于刀片上裝有磁鐵，則當(dāng)?shù)镀幱诔跏嘉恢脮r，霍爾傳感器會輸出高電平，故此時可以直接通過端口監(jiān)測刀片位置。當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)動到切割終了位置時，另一個霍爾傳感器輸出高電平，故檢測到刀片的切割終了位置。

2.2 程序設(shè)計

（1）主程序設(shè)計

該主程序的功能為：完成整個系統(tǒng)的初始化及調(diào)用各個子程序，當(dāng)系統(tǒng)完成初始化以后，調(diào)用位置檢測程序，使刀片停止于初始位置。等待操作者按下切割按鈕，切割按鈕按下后，主程序調(diào)用采摘子程序。采摘完成后，雙刀片停在初始位置，等待下一次切割按鈕按下。

（2）刀片初始位置控制程序設(shè)計

該程序的主要功能為：在系統(tǒng)首次工作時，使刀片停于初始位置，避免了由于刀片晃動未在初始位置，造成系統(tǒng)無法正常工作的問題。主程序調(diào)用該程序后，檢測初始位置的霍爾傳感器是否輸出高電平。如果在是高電平，則認為刀片處于初始位置，此時刀片位置檢測程序完成，退回主程序。如果不是高電平，則認為刀片不處于初始位置，單片機控制刀片轉(zhuǎn)動，使刀片回到初始位置。回到初始位置后，刀片停轉(zhuǎn)，退回主程序。

（3）切割子程序設(shè)計

該程序的主要功能為：啟動電機帶動刀片旋轉(zhuǎn)，進行切割作業(yè)，并且檢測刀片切割終了位置及刀片切割開始位置。當(dāng)進入切割程序后，電機帶動刀片旋轉(zhuǎn)，檢測刀片是否達到切割終了位置，如果達到切割終了位置，立即控制電機停轉(zhuǎn)。如果未能達到切割終了位置，則繼續(xù)控制刀片轉(zhuǎn)動，直至達到切割終了位置。

3 結(jié)語

該文主要就雙刀片手持式水果采摘機械的電路設(shè)計和控制部分作出了一個詳細的設(shè)計，主要是通過霍爾傳感器進行刀片位置的檢測，配合大扭矩電機進行了切割作業(yè)。并且本系統(tǒng)搭載12 v，5 AH鋰電池，足夠系統(tǒng)使用。

參考文獻

[1]2009年世界主要國家豆類、蔬菜、水果產(chǎn)量[J].世界農(nóng)業(yè)，2012（1）：103-104.

[2]Sanders K F.Orange harvesting systems review[J].Biosystems Engineering，2005，90（2）：115-125.

[3]盧明湘.農(nóng)業(yè)機械化對區(qū)域農(nóng)業(yè)的影響[J].貴州業(yè)科學(xué)，2012，40（2）：180-182.

[4]段潔利，陸華忠，王慰祖，等.水果采收機械的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，39（16）：189-192.