基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統設計

劉紅艷，張明偉

(濟源職業技術學院 機電工程系，河南 濟源 454650)

0 引言

機械化是農業現代化的基礎，玉米脫粒裝置可快速將玉米籽粒和芯棒進行分離，不僅可以有效提高機械化作業效率，而且也大大改善了玉米收獲及初加工過程的工作環境，有效降低了勞動強度，還可以大大降低人工成本和時間成本。本文以玉米脫離裝置為研究對象，采用ARM和模糊控制技術，設計了基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統，對降低整個作業的勞動強度、提高工作效率具有重要意義。

1 玉米脫粒機整體結構設計

一般玉米脫粒機需求主要有：①完成粒、梗分離，脫粒深淺可以控制；②入料口處配有鏈條進給裝置，入料快捷方便；③玉米剝凈率程度高、低破碎率低；④刀具使用壽命長。其主要功能分析如圖1所示。

圖1 玉米脫粒機功能分析圖

為了設計滿足農業生產需求，玉米脫粒機主要由入料口、轉動軸座、主軸、傳動帶、釘齒脫粒滾筒軸、電機、柵格式篩選板、出粒板、鋼筋、半圓鐵條和出料口組成，如圖2所示。

1.入料口 2.轉動軸座 3.主軸 4.大帶輪 5.傳動帶 6.電機 7.小帶輪 8.機架 9.柵格式篩選板 10.鋼筋 11.半圓鐵條 12.釘齒 13.釘齒條 14.圓盤 15.螺栓 16.出料口圖2 玉米脫粒機整體結構圖

為了實現玉米脫粒機結構的最優化，本文采用電力作為動力來源，電動機安裝在機器右下角，固定在脫粒機的機梁上，以最大限度地節省空間。玉米脫粒機主要部分的介紹如下：

1)入料口。入料口是玉米棒進入脫粒機的唯一入口，與機器上蓋連在一起，由1cm的鋼板制作，入料部位與玉米眼釘齒脫粒滾筒軸相切。入料口的作用是通過該部件將未帶皮的玉米棒填入機體，并保證玉米棒不會被飛濺出來，能夠順利進入到脫粒裝置內，完成脫粒過程。入料口結構示意如圖3所示。

2)脫粒裝置。脫粒裝置包括釘齒脫粒滾筒軸和柵格式篩選板兩部分。其主要流程為：未帶皮的玉米棒進去脫粒裝置中，在釘齒脫粒滾筒軸的作用下完成脫粒，接下來玉米粒從柵格式篩選板進行簡單的篩選，然后落入到下滑板，從出料口排出。

3)篩選裝置。篩選裝置由一塊柵格式篩選板構成，其主要功能有兩個：①柵格式篩選板之間存在一定的縫隙，可以將玉米粒和芯棒分開，并從不同的出口排出；②在釘齒脫粒滾筒軸帶著玉米棒轉動時，卡住玉米棒，以便滾筒軸快速、穩定地完成脫粒作業。柵格式篩選板結構示意如圖4所示。

圖3 入料口結構示意圖

圖4 柵格式篩選板結構示意圖

4)機架。玉米脫粒機機架主要包括機梁、出料口和下滑板等部件，是整個機器的支撐，負責承擔機身和加工農產品的所有質量。由于機架所承重力大，因此機架必須穩定，確保機器在正常作業過程中不會出現晃動或倒塌等。

2 脫粒裝置模糊控制系統設計

2.1 脫粒裝置控制系統設計要求

1)釘齒脫粒滾筒軸轉速。釘齒脫粒滾筒軸轉速主要由電動機功率決定，本文設計的正常轉速為750r/min。

2)釘齒轉速。釘齒脫粒滾筒軸正常轉動時，釘齒條的釘齒也會跟著轉動，該轉速受釘齒脫粒滾筒軸轉速和釘齒半徑的影響，即

(1)

其中，V為釘齒轉速；Nz為釘齒脫粒滾筒軸轉速；D為釘齒兩端軸心距。將各參數值帶入式(1)，計算得出釘齒轉速為9.42m/s。

3)電動機功率。假設玉米脫機機器正常工作時的功率為Pw，該功率由阻力和各參數進行計算，即

(2)

根據釘齒脫粒滾筒軸的設計參數可知，每個釘齒受力為40N，在正常脫粒作業中一般會有兩條釘齒條對玉米進行打擊操作，故其所受力為

F=N·M·Z

(3)

其中，N為每個釘齒受力所受的力(N)；M為參與的釘齒數量，一共有7個；Z為釘齒條數，一共有2條。根據各參數值，可以算出F=560N。

計算得出Pw=5.28kW，因此需要選擇5.5kW的電動機。

2.2 模糊控制系統設計

2.2.1 模糊控制系統構成框架

模糊控制系統是一種將模糊數學和理論控制技術相結合的自動控制系統，具備一般的數字控制結構體系。該系統結構框架如圖5所示。

圖5 系統結構框架圖

模糊控制系統一般包括模糊控制器、傳感器、執行機構、被控對象和交互接口等4個部分。

1)模糊控制器：主要負責對輸入量的模糊化，并通過計算推理控制輸出量的計算處理等。

2)交互接口：主要負責輸入輸出信號的A/D、D/A的轉換。A/D轉換電路是將傳感器采集到模擬量轉換為數字量；D/A轉換電路則是將ARM的GPIO管腳輸出的數字量轉化成能夠驅動控制執行機構的模擬量。

3)廣義對象：主要包括執行機構和被控對象。

4)傳感器：主要負責執行機構和被控對象的輸出信號的采集。

2.2.2 嵌入式模糊控制器的設計

以釘齒脫粒滾筒軸轉速為控制對象，其功耗計算表達式為

(4)

其中，ω為滾筒軸的角速度；J為滾筒軸轉動慣量；r為滾筒軸半徑；N為機器正常作業時發動機的功率；a、b分別為摩擦力和空氣阻力；f為摩擦系數；γ為谷草比；λ為玉米粒出口速度和滾筒軸轉速之比；q為玉米的喂入量。

因此，設定滾筒角速度為控制器的輸入信號，玉米喂入量和電機轉速為輸出控制量。

本文采用微處理器作為模糊控制器的核心，結合軟件編程實現對整個系統的計算和控制。為了方面ARM控制器實現模糊控制算法，本文采用二維控制結構。嵌入式模糊控制器結構如圖6所示。

圖6 嵌入式模糊控制器結構

3 玉米脫粒控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計

玉米脫粒控制系統硬件它主要包括ARM嵌入式構成的模糊控制器、流量傳感器、轉速傳感器、ADC、人機交互界面、電壓檢測、電機驅動電路和報警電路等，如圖7所示。

1)ARM嵌入式模糊處理器。本研究采用ATMEL公司的AT91SAM9261處理器為核心控制器，該芯片擴展和集成了DSP指令集和Jazelle Java 加速器，是一款性能卓越的工業級嵌入式處理器。其具備的功能有：①主時鐘頻率高達190MHz，處理速度快；②集成了LED控制器，支持BW模式，支持TFT-LCD和STN-LCD；③集成了JTAG-ICE和UART調試通道系統等多個調試接口，方便開發人員開發和調試。

2)電機驅動電路。電機驅動電路由D/A轉換電路、運放和變頻電路構成，如圖8所示。D/A轉化電路將AT91SAM9261處理輸出的數字信號轉換為模擬量，然后由OP07運算放大器對信號進行放大。最后，OP07放大的后模擬型號去驅動變頻器，進而實現對電動機轉速的控制。

圖7 玉米脫粒控制系統硬件結構圖

圖8 電機驅動電路

3.2 控制系統軟件設計

玉米脫粒控制系統的軟件操作流程如下：①開機自檢→②電壓檢測→③設定系統控制參數→④檢測滾筒角轉速。系統采用C語言模塊化設計，主要包括主程序、定時中斷程序、轉速檢測程序、流量檢測程序、顯示程序及模糊控制器算法等。系統主程序流程如圖9所示。

4 試驗與結果分析

為了驗證玉米脫粒裝置控制系統的可行性、穩定性和可靠性，對該系統進行了實際生產試驗。試驗過程中，采用手工喂入的方式，將玉米出皮后勻速喂入。試驗進行3次，喂入量分別是4.0、4.5、5.0kg/s。玉米脫粒裝置控制系統工作界面如圖10所示，試驗結果如表1所示。

圖9 系統主程序流程圖

圖10 玉米脫機控制系統顯示界面

試驗序號喂入量/kg·s-1脫離率/%破碎率/%14.097.680.4424.597.150.4635.098.200.53

試驗中，3次試驗的玉米籽粒脫離率在97%以上，成功率非常高，破碎率在0.53%以下，效率較高。另外，隨著喂入量的加大，玉米籽粒脫離率逐漸提高，且破碎率逐漸提高，說明喂入量直接影響機器的脫離率和破碎率。測試結果表明：該玉米脫粒裝置控制系統實現了預期的功能，穩定性和效率較高，對實現玉米脫粒作業具有重要意義。

5 結論

針對玉米脫粒作業需求，以玉米脫離裝置為研究對象，設計了基于嵌入式的玉米脫粒裝置控制系統。與傳統脫粒裝置相比，該裝置將嵌入式系統和模糊控制技術相結合，形成了一種ARM模糊處理器，可以根據喂入量改變電機轉速，實現了玉米脫粒的變速控制。試驗表明：玉米籽粒脫離率97%以上，成功率高，破碎率0.53%以下，效率較高，符合系統設計要求。