基于單片機的芒果智能分揀系統優化設計

張力文（攀枝花學院機械工程學院，四川攀枝花，617000）

基于單片機的芒果智能分揀系統優化設計

張力文
（攀枝花學院機械工程學院，四川攀枝花，617000）

通過對芒果自動分揀設備功能需求、工序流程等方面的分析，設計了芒果自動分揀設備，建立了集傳感器-單片機-驅動電機為一體的測控系統，實現了機電一體化技術原理及方法在小型農機自動化設備上的優化設計。針對芒果分揀設備智能化、便攜化、成本低等要求，優化機械結構設計，并對進行測試實驗，達到較為理想的預期效果。

優化設計；智能分揀；單片機；芒果

0 引言

采收后對芒果按大小、重量快速分揀，分級定價是果農脫貧增收的有效途徑。攀枝花地區2016年芒果種植面積達30.6萬畝，產量8.2萬噸，產值預估超過6.2億元。但由于芒果新鮮度十分重要，人工分揀耗時耗力，芒果的商品化處理率不到10%，大多不經分類就直接上市銷售，品質良莠不齊。果農無論芒果品質好壞，只能以均價銷售，損失慘重，甚至頻頻出現“劣幣驅逐良幣”的情境，高品質芒果市場一片空白，芒果產業的發展受到嚴重制約。

使用芒果分揀技術，可快速實現芒果優選與分級，打造攀枝花精品芒果品牌，拓寬銷售渠道，提高攀枝花芒果品牌在省內外的市場競爭力，有效促進攀枝花本地果農增收致富。隨著農業機械自動化技術的不斷發展和廣泛應用，研制芒果智能分揀設備在農村脫貧道路中得到了重視，果農增收致富局面指日可待。

目前，芒果智能分揀方式主要有以下兩種。

（1）果農手工分揀

個體果農一般采用手工方式分揀芒果。長時間集中分選相似重量的芒果后，人工分選的效率極其低下，時常因為分揀時間過長損害芒果品質。手工分選嚴重依賴工人的自我判斷，不同工人，甚至同一工人在不同時間，不同身體狀態下所挑選的芒果均有較大差別，更加無法在芒果大小、質量、品種、等級方面做到科學化、標準化。與此同時，人力資源成本的不斷上漲讓此種分揀方式愈加不適應目前的市場經濟。

（2）大型分揀流水線

目前已有的分揀裝置多為大型機械自動化設備，適用于大型芒果分選工廠，設備價格昂貴，每臺設備在3~10萬元不等，一般果農無法承受。同時，大型分揀設備在分揀本地芒果時往往“水土不服”，傷果現象嚴重，分揀效果并不理想。

綜上所述，需要從攀枝花地區實際情況出發，優化設計出一種新型的芒果智能分揀設備，降低人工成本，改善分揀效率和準確度。本文通過對芒果自動分揀設備功能需求、工序流程等方面的分析，設計了芒果自動分揀設備，建立了集傳感器-單片機-驅動電機為一體的測控系統，實現了機電一體化技術原理及方法在小型農機自動化設備上的優化設計。

1 自動分揀系統方案設計

芒果智能分揀系統包括漏斗式自動上料部件、自適應調速傳送、芒果智能分隔、智能稱重模塊、數據控制系統模塊、伺服電機系統模塊、分揀撥桿判別系統等7個流程，分別對應于7個系統設計模塊。

分揀系統的總功能為實現芒果的重量、品質等級區分。芒果分揀系統創新設計的任務是根據農村合作社分揀任務的實際操作要求而提出的，該設備主要功能是完善及優化芒果分揀的快速高效，主要實現將芒果的品種、重量、質量區分成市場所需規格，屬于完成動作功能的加工類機械產品。

2 芒果智能分揀設備的測控系統設計

針對芒果智能分揀設備的控制系統設計要求，以STC89C51單片機為核心，設計上料漏斗振動、壓力傳感器稱重、自適應調速傳送、撥桿分揀判別的控制電路，能夠實現上料、稱重、傳送、分揀判別等功能，使設備的整個分揀過程有序、智能進行。

2.1 測控系統硬件總體設計

該設備自動控制及動力源系統采用MCU微處理器的系統控制電路，實現設備各功能模塊的協調運行，設計方案如圖1所示。測控系統硬件主要涉及五個方面：上料漏斗振動系統控制、自適應調速控制、傳感器稱重系統控制、撥桿智能判別系統控制、電源系統。通過編寫控制系統軟件，完成芒果智能分揀所需的工序流程。MCU微處理器通過串口方式接收上位機的工作指令，指令內容包括上料、傳送、稱重、分級等。MCU微處理器依照工作指令控制各模塊有序工作，并通過串口將系統狀態反饋至上位機。

圖1 控制系統結構框圖

2.2 撥桿智能判別系統

撥桿判別控制系統是分揀設備能否高效、準確分選芒果等級的關鍵，該系統由傳感器測試模塊、信號調理模塊、數據處理模塊、電源電路模塊、步進電機模塊組成，電氣控制總體

方案如圖2所示。

圖2 電氣控制總體方案

該系統研究涉及信號調理模塊、電源電路模塊、步進電機控制模塊等幾部分，其中信號調理模塊和步進電機控制模塊構成了撥桿智能判別系統的關鍵組成。

（1）信號調理模塊

信號調理模塊包含傳感器數據傳輸電路設計、傳感器信號的放大調理電路設計、數字信號與模擬信號的轉換電路設計。信號采集部分是利用稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號，而后經處理電路（如濾波電路，差動放大電路，）處理后，送A/D轉換器，將模擬量轉化為數字量輸出。控制器部分接受來自A/D轉換器輸出的數字信號，經過復雜的運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號，并將其存儲到存儲單元中。CPU對數據進行處理并且做出相應的判斷，進而控制步進電機的旋轉。

數據轉換分為采樣和幅度量化兩階段過程，數據轉換處理流程如圖3所示。

圖3 數據轉換處理流程圖

（2）步進電機控制模塊

撥桿智能判別系統對芒果分選的效果取決于步進電機的控制精度，本文采用7TPSM4210步進電機驅動器、以及42步進電機一體化裝置驅動分選撥桿，其驅動方式為恒相電流PWM控制，可兼容3.3V-5V和12V-24V用戶級。

如圖4所示，本文采用的步進電機驅動電路由STC89C51單片機、7TPSM4210步進電機驅動器組成。以7TPSM4210步進電機驅動器為核心控制元件，利用創新性恒相電流PWM控制，實現對42步進電機一體化裝置的精度控制。

圖4 步進電機驅動電路框圖

3 芒果智能分揀設備的機械結構設計

該裝置包括農產品自動上料裝置、農產品智能分隔裝置、運料傳送通道、稱重模塊、農產品等級分揀模塊、防振裝置、防傷果模塊等工序流程，總體機械結構設計依照工序流程進行設計，總體機械結構方案如圖5所示。

圖5 機械結構方案圖

分揀設備機械機構系統設計優化主要表現在傳感器-電氣控制系統稱重結構和漏斗式振動上料結構兩個方面。其一，傳感器-電氣控制系統稱重結構，可以改善人工稱重的高成本、低效率、低準確度問題，從圖6中可以看出該裝置傳感器-電氣控制系統稱重部分的大體結構。

圖6 機械結構主視圖

其二，漏斗式振動上料結構，一方面漏斗式結構可改善現有大型分揀設備尺寸不合理、結構剛度強、對農產品損傷大的缺陷，另一方面振動型設計避免農產品上料堆積問題，實現高效上料流程。從機械結構俯視圖中可以看出，該裝置中漏斗振動自動上料主要機械結構設計，如下圖7所示。

圖7 機械結構俯視圖

4 對比仿真性能試驗

本文智能分揀設備性能試驗主要從設備成本和分揀效率兩該分布式系統通過主、從站的形式實現。從站實時采集設備終端信息，并通過現場總線上報給PLC主站。主站對實時采集的數據進行處理，將信息通過網絡上報給遠程控制中心并且通過現場總線給從站下達指令，進而實現對現場設備的控制。另外通過本地人機接口和遠程控制中心，可對自動化監控系統的系統參數進行設置，同時監控整個系統的運行狀態。

3.2 硬件組態

該自動化監控系統采用西門子PLC S7-300作為主站控制器，ET200S作為從站，觸摸屏作為人機接口。另外，該系統的現場總線采用PROFIBUS DP總線網絡結構，實現分布式采集和集中式處理。

主站是主控單元，實現自動化監控系統的系統控制功能，包括自動化運行、保護與報警等。從站的功能為采集現場數據，并執行主站控制器的命令驅動執行機構動作。

3.3 軟件設計

控制系統軟件程序采用西門子的Step 7軟件進行設計。該程序采用梯形圖語言，進行模塊化的設計。該程序主要由以下功能模塊：（1）自動控制模塊；（2）數據采集模塊；（3）系統設置模塊；（4）保護與報警模塊；（5）數據通信模塊。

4 結論

箱式整流變電站自動化監控系統實時監控變電站的運行狀態，對故障進行報警并記錄，自動進行保護動作，提高了箱式整流變電站和維護的安全性和可靠性。集成該自動化監控系統的箱式整流變電站已在青島公交公司投入運行，運行狀態良好。

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Optimization design of mango intelligent sorting system based on MCU

Zhang Liwen
（School of mechanical engineering, Panzhihua University, Panzhihua Sichuan, 617000）

through the analysis of the mango automatic sorting equipment functional requirements, processes and other aspects of the design, the mango automatic sorting equipment, the establishment of a set of control system sensor - SCM - drive motor as a whole, realize the optimization design in the automation equipment of small agricultural machine on the principle and method of electromechanical integration technology. In order to meet the requirements of intelligent, portable and low cost, the mechanical structure design is optimized, and the test results are achieved.

optimization design; intelligent sorting; SCM; mango