機采棉荷電系統(tǒng)優(yōu)化控制

摘要：針對采用靜電方法清選機采棉過程中機采棉荷電不均勻、荷電效果不佳等現(xiàn)實問題，設(shè)計了一種基于單片機控制的機采棉荷電系統(tǒng)。通過軟件編程分別實現(xiàn)了靜電輸出電壓緩慢和快速達(dá)到設(shè)定的最大閾值的控制轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明，靜電輸出電壓緩慢地達(dá)到設(shè)定的最大閾值比快速地達(dá)到最大閾值的荷電效果好，有利于保證棉花的品質(zhì)；系統(tǒng)平穩(wěn)，效果良好。

關(guān)鍵詞：機采棉；荷電；優(yōu)化控制；靜電

中圖分類號： S126；S225.91+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0409-02

收稿日期：2013-11-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：11242012）。

作者簡介：張洪洲（1982—），男，吉林長春人，碩士，講師，主要從事智能檢測與控制、農(nóng)業(yè)自動化與信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。機采籽棉中含有地膜、三絲、殘殼和粉塵等雜質(zhì)[1-5]。新疆南部地處沙漠，受沙塵等環(huán)境因素影響，機采棉中雜質(zhì)含量相對較高。棉花中混入雜質(zhì)不僅影響棉農(nóng)收益，也對棉花深加工造成了很大的影響，對棉紡織企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6-8]。目前，國內(nèi)外棉花清選主要采用機器視覺技術(shù)、機械氣流原理和靜電分離方法[7-10]。機器視覺技術(shù)利用數(shù)碼相機對異性纖維進(jìn)行檢測，再利用高速空氣流將異性纖維吹出，以達(dá)到清選的效果。靜電分離方法主要是針對剔除籽棉中的地膜，是將機采棉在高壓電場下進(jìn)行荷電，使機采棉帶上電荷，根據(jù)帶電荷的差異實現(xiàn)清選[10]；但這種方法在荷電過程中會出現(xiàn)荷電不均勻、荷電效果不佳等問題，直接影響清選效果。為了提高靜電分離法除雜的效率，尋求一種簡單、實用的荷電方法，本研究著重介紹一種采用單片機控制的機采棉荷電優(yōu)化控制系統(tǒng)，對改進(jìn)現(xiàn)有的荷電方法和促進(jìn)靜電分離法機采棉除雜清選的發(fā)展有重要的意義。

1系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1設(shè)計思想

將機采棉放入荷電箱體，箱體的4個豎棱內(nèi)側(cè)裝有靜電棒，4個靜電棒并聯(lián)接在靜電發(fā)生裝置輸出口，通過對輸出電壓的控制，進(jìn)而實現(xiàn)對靜電棒作用距離的控制。依據(jù)以上分析和推導(dǎo)，利用單片機、改裝的靜電發(fā)生裝置設(shè)計一個荷電優(yōu)化控制系統(tǒng)。

1.2工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有的機采棉靜電分離方法清選的特點，提出了一種以單片機為核心的機采棉荷電控制系統(tǒng)設(shè)計的方案，該系統(tǒng)由荷電箱、靜電棒、靜電發(fā)生裝置、單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換、鍵盤、顯示模塊、信號放大模塊等部分組成（圖1）。啟動時，單片機程序初始化，靜電發(fā)生器輸出電壓為0 V，靜電棒不釋放電荷，由鍵盤輸入靜電發(fā)生器最大輸出電壓，自動步進(jìn)電壓值，步進(jìn)時間間隔；單片機根據(jù)設(shè)定的值做出相應(yīng)的決策，輸出相應(yīng)的數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大處理后，使控制信號達(dá)到靜電發(fā)生器匹配的輸入量，最后靜電發(fā)生器輸出相應(yīng)的高壓，并在發(fā)生器上顯示出實際輸出的高壓值；同時在單片機控制部分的實時顯示屏上顯示出高壓的理論值。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1決策與執(zhí)行部分

決策與執(zhí)行單元主要由單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊、顯示模塊、靜電發(fā)生器等組成。工作時，處理器接收由鍵盤鍵入的閾值、步進(jìn)電壓值、步進(jìn)時間間隔等數(shù)據(jù)，根據(jù)接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，做出決策，輸出相應(yīng)的數(shù)字量；該數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換再放大至0～12 V范圍，送入靜電發(fā)生器模擬量輸入端口，靜電發(fā)生器產(chǎn)生1 ∶5 000的高壓信號；同時顯示出預(yù)設(shè)值和實際值。

靜電發(fā)生裝置由BM101型靜電器改裝而成。BM101型靜電器的靜電棒能夠產(chǎn)生+/-離子，其裝置有一根堅固的器棒裹著離子針，并連接高壓電源，當(dāng)電壓達(dá)到或高于4 kV，它會令靜電棒周圍空氣充滿離子，電壓越高，有效范圍越大，輸出正或負(fù)的高壓電幅值可達(dá)25 kV，并且可連續(xù)調(diào)節(jié)輸出大小。通過靜電產(chǎn)生棒產(chǎn)生大量的帶有正或負(fù)電荷的氣團(tuán)，由于同性電荷相斥，這些電荷氣團(tuán)會向四周擴(kuò)散，引起與之相近的物體帶電。通過增加內(nèi)部充放電電容，使靜電發(fā)生裝置的輸出電壓幅值達(dá)到60 kV。將原有的電位器調(diào)節(jié)輸出電壓方式改為單片機控制的數(shù)控可調(diào)方式。

單片機（MCU）選用51系列STC89C54RD，內(nèi)部有 8 KB 的flash、512 B的RAM、2 KB的ROM，能夠滿足控制的需要[11]。顯示模塊采用2×16位LCD1602液晶顯示。

2.2軟件設(shè)計

用Proteus軟件進(jìn)行仿真，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的各項功能，反復(fù)調(diào)試，直至各參數(shù)達(dá)到理想值為止。

4結(jié)論

本研究設(shè)計的機采棉荷電控制系統(tǒng)穩(wěn)定性強、易于控制；步進(jìn)電壓和閾值電壓可以自行設(shè)定，可選性強；可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的參數(shù)組合，進(jìn)而實現(xiàn)荷電的優(yōu)化；為靜電分離法清選機采棉的研究提供了一個可行性參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王吉奎，付威，王衛(wèi)兵，等. SMS-1500型秸稈粉碎與殘膜回收機的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（7）：168-172.

[2]張學(xué)軍，吳成武，王旭東，等. 殘膜分離篩機構(gòu)的運動仿真與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（7）：113-116.

[3]趙海軍，史建新. 殘膜回收工藝探討[J]. 中國農(nóng)機化，2004（6）：68-71.

[4]郟東耀，丁天懷. 棉花中異性纖維的多光譜檢測[J]. 清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，45（2）：193-196.

[5]瞿鑫，丁天懷. 皮棉中異性纖維骨架快速提取算法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（6）：177-181.

[6]張馨，李道亮，楊文柱，等. 高分辨率棉花異性纖維彩色圖像的快速分割方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42（1）：159-164，192.

[7]汪海濤，朱邦太，李勛. 基于機器視覺的棉紡異纖清除系統(tǒng)[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，3（1）：14-17，110.

[8]李碧丹，丁天懷，郟東耀. 皮棉異性纖維剔除系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，37（1）：107-110.

[9]郭俊先，應(yīng)義斌，成芳，等. 皮棉表面多類異性纖維的高光譜圖像檢測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（10）：355-360.

[10]郭淑霞，坎雜，張若宇，等. 機采籽棉殘膜靜電分離裝置分離試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（增刊）：6-10.

[11]張鑫. 單片機原理及應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.