電動柑橘采摘機設計

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

關鍵詞：雙刀片 大扭矩電機 霍爾傳感器 水果采摘機

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

中國作為一個水果生產大國，我國每年的水果產量在一億噸以上，其中以蘋果、梨、橙等采摘作業為主的水果產量占到了世界前三--[1]。采摘作業所消耗的勞動力占到了整個生產過程的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地帶，若采用機械全自動采收，容易導致水果采摘效率低，損傷大，果實識辨率低等問題，因此機械全自動的發展和推廣受到了限制[4]。基于此種背景，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計出雙刀片手持式水果采摘機械。雙刀片在電機驅動和單片機控制下，實現了操作簡便，一步到位，可靠性好等特點，避免二次作業，有效降低了采摘勞動強度，提高了采摘效率。

1 系統組成及工作過程

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。霍爾傳感器安裝在刀片的初始位置及切割終了位置。當切割開始時，按下切割按鈕，控制器驅動大扭矩電機轉動，大扭矩電機帶動刀片在一定范圍內轉動，切割果柄。刀片轉動一定角度后，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。當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。

2 系統設計

2.1 電路設計

（1）供電電路設計

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，出現電壓高于12 V燒毀AMS1117的情況。本系統采用兩次降壓，首先使用7805穩壓電源，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）驅動電路設計

由于大扭矩電機需要正反轉，故需搭建橋式電路。本電路由四個場效應管組成，當電機需要正轉時，單片機控制Q1、Q4導通，Q2、Q3斷開，電機正轉。當電機需要反轉時，單片機控制Q2、Q3導通，Q1、Q4斷開，電機反轉。電機停轉，導通Q1、Q4，斷開Q2、Q3；或者導通Q2、Q3，斷開Q1、Q4，即通過感應電動勢使電機停轉。

（3）控制檢測及功率驅動單元設計

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，支持在線調試程序。配有CPP捕捉模塊。功率驅動芯片采用美國IR公司的IR2136，其工作電壓為10～20 V，最多驅動6個場效應管工作。

系統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，則當刀片處于初始位置時，霍爾傳感器會輸出高電平，故此時可以直接通過端口監測刀片位置。當刀片轉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 程序設計

（1）主程序設計

該主程序的功能為：完成整個系統的初始化及調用各個子程序，當系統完成初始化以后，調用位置檢測程序，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計

該程序的主要功能為：在系統首次工作時，使刀片停于初始位置，避免了由于刀片晃動未在初始位置，造成系統無法正常工作的問題。主程序調用該程序后，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，單片機控制刀片轉動，使刀片回到初始位置。回到初始位置后，刀片停轉，退回主程序。

（3）切割子程序設計

該程序的主要功能為：啟動電機帶動刀片旋轉，進行切割作業，并且檢測刀片切割終了位置及刀片切割開始位置。當進入切割程序后，電機帶動刀片旋轉，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。如果未能達到切割終了位置，則繼續控制刀片轉動，直至達到切割終了位置。

3 結語

該文主要就雙刀片手持式水果采摘機械的電路設計和控制部分作出了一個詳細的設計，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。并且本系統搭載12 v，5 AH鋰電池，足夠系統使用。

參考文獻

[1]2009年世界主要國家豆類、蔬菜、水果產量[J].世界農業，2012（1）：103-104.

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

[3]盧明湘.農業機械化對區域農業的影響[J].貴州業科學，2012，40（2）：180-182.

[4]段潔利，陸華忠，王慰祖，等.水果采收機械的現狀與發展[J].廣東農業科學，2012，39（16）：189-192.