電動煙草打頂抑芽機控制系統研究

任震宇，劉宏博，韓小斌，李曉賢，何家成，何培祥

(1.西南大學 工程技術學院，重慶 400715；2.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 563000)

0 引言

煙草是以收獲葉片為目的的經濟作物[1]，打頂抑芽則是目前煙草種植生產過程中普遍應用且必不可少的農藝步驟[2]。煙草的打頂抑芽可有效增加葉片的有效葉面積，提高煙葉產量和質量[3-4]。

目前，我國打頂抑芽工作普遍采用人工完成，機械化打頂抑芽在我國還處于起步階段，研究工作主要集中在高校。其中，最具代表性的是山東農業大學研制的3YDX-3打頂抑芽機[5]，其采用拱形機架結構，實現了打頂和施藥等一體化功能。相比于國內，國外早已實現了煙草打頂抑芽和煙芽收集的機械化聯合作業[6]，如美國早在1972年就已有專利保護了一種在農業機械上掛接式的打頂抑芽設備[7-8]。由目前國內外研究情況來看，大多數打頂抑芽機械體積都較大，適用于平原地區的大面積耕地，對于我國西南山地丘陵地區的起伏較大零散的耕地實用性較差[9]，因此研發一種體積小、質量輕，適用于山地丘陵地區的打頂抑芽裝置具有重要的現實意義。基于上述情況，本項目組研制了一種電動煙草打頂抑芽機，可快速、有效地完成打頂、施藥一體化工作。

1 整體機械結構

電動煙草打頂抑芽機主要由打頂系統和抑芽噴施系統組成，如圖1所示。打頂系統主要集中在手持部分，包括剪切部件、驅動部件和機身。剪切部件將刀片固定在直線滑塊機構上進行直線剪切運動，驅動部件采用電機，利用齒輪齒條進行直線驅動；機身有把手和控制開關，剪切部件位于機身前段，便于單手操作。抑芽噴施系統包括藥箱、藥泵、電磁閥、藥管和噴頭，藥泵安裝于藥箱下端，藥液通過藥管輸送到噴頭進行噴施。藥泵與噴頭之間連接電磁閥，控制管路的導通和關閉，從而控制噴藥時間及噴藥量，噴頭固定于剪切刀片下端，剪刀閉合時噴頭噴藥。

1. 剪切刀頭 2.滑塊 3.齒輪齒條 4.直線導軌 5.藥箱 6.噴頭 7.電機 8.控制開關 9.把手 10.藥管 11.背帶 12.電磁閥 13.控制盒 14.藥泵 15.電池

2 控制系統設計

2.1 整機主要工作流程

人工打頂抑芽主要有兩個步驟，即剪掉煙草頂端再噴施抑芽劑。該電動煙草打頂抑芽機要完成這兩個步驟，需要細化為多步控制動作，主要工作流程為：首先操作人員觸動工作開關，電機正向轉動，剪刀閉合；剪刀到達閉合位置后，電磁閥打開，藥液由噴頭噴出，等待藥液噴施完畢后電磁閥關閉，停止噴藥；這時蜂鳴器鳴音提醒操作人員松開工作開關，電機反轉，剪刀張開，剪刀到達初始位置，電機停止。如此完成一次工作周期，如圖2所示。

圖2 主要工作流程圖

2.2 輸入信號及輸出控制項的確定

依據整機主要工作流程，確定輸入信號及輸出控制項。輸入信號考慮剪刀有張開和閉合兩個位置，因此需要剪刀位置信號；施藥量要求在一定范圍內可以調節，因此需要噴藥量調節信號；為確保機器工作穩定性，需要電池電壓信號；準備剪切動作要觸發工作開關，需要工作開關信號。輸出控制項首先考慮剪刀進行剪切運動，需要控制電機的正反轉；施藥時控制電磁閥開關，從而控制噴藥量；為提高機器方便性，添加蜂鳴器和指示燈，給用戶提示機器的工作狀態。

2.3 控制系統結構

控制系統采用單片機進行輸入信號的處理及控制信號的輸出。輸入信號包括工作開關信號、電池電壓信號、噴藥量調節信號、剪刀位置信號和電機過流信號等；輸出控制包括電機、藥泵、電磁閥、NFC無線通信模塊、蜂鳴器及指示燈等。其中，電機通過電機驅動模塊進行控制，藥泵、電磁閥及蜂鳴器采用場效應管控制電路進行控制，指示燈由其相應的控制電路進行控制，NFC無線通信模塊主要由相應的通訊完成。其整體結構示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統結構圖

3 硬件系統設計

單片機的選擇主要考慮引腳個數和可靠性，選用Microchip公司的PIC18F13K22作為主控芯片，其有20個引腳、16MHz內部晶振、8K程序存儲器[10]。

3.1 輸入信號檢測電路設計

3.1.1 剪刀位置信號檢測電路設計

剪刀位置檢測采用霍爾傳感器A314E[11]，將磁鐵固定在滑塊底端，兩個傳感器分別固定于剪刀閉合張開兩個極限位置，與滑塊上磁鐵位置相對應。這樣，當剪刀閉合或張開時對應的霍爾傳感器會產生電平變化信號，單片機依據這個信號可以判斷剪刀位置。剪刀位置檢測電路原理圖如圖4所示。圖4中，兩霍爾傳感器信號線分別接到單片機RB4、RB5引腳上，單片機INT1引腳外接一個5V電源線，同時該引腳通過兩二極管D1、D2與RB4、RB5引腳連接。當兩霍爾傳感器任意一個有電平變化時，中斷引腳INT1隨之發生電平變化，這樣單片機能快速處理剪刀位置信號，也方便后續編程。

3.1.2 噴藥量、開關及電源電壓信號檢測電路

噴藥量檢測電路原理圖如圖5(a)所示。其中，噴藥量調節利用電位器R6的分壓檢測電路來實現，單片機引腳AN8通過AD(Analog-to-Digital)轉換檢測電位器R6分壓變化。

開關信號檢測電路原理圖如圖5(b)所示。其中，當開關k沒按下時，單片機引腳RB6檢測到的是電容C5上端的電壓，為高電平；當開關k按下后，電阻R9、R10間的線路接地，此時引腳RB6為低電平，以此判斷工作開關是否被按下。

電源電壓檢測電路原理圖如圖5(c)所示。其中，電阻R7、R8將電源電壓VCC分壓成單片機可檢測的電壓信號，輸入單片機AN9引腳進行AD轉換。

圖4 剪刀位置檢測電路原理圖

圖5 輸入檢測電路原理圖

3.2 輸出控制電路設計

3.2.1 電機驅動模塊控制電路

所選用電機額定電壓12V，輸出功率17W；選用飛思卡爾公司的MC33886作為電機驅動芯片，其正常工作電壓范圍是5～40V，最大電流5A[12]。電機驅動芯片接線電路原理圖如圖6所示。

3.2.2 電磁閥、蜂鳴器及指示燈的控制電路設計

電磁閥和控制器電路原理圖分別如圖7(a)、(b)所示。其中，電磁閥線圈和蜂鳴器都為感性負載，并入D3、D4二極管進行續流，U1、U2為場效應管，控制引腳分別為單片機的RC0和RC1，R16、R17下拉電阻用于去除場效應管柵極與源極間由于電容效應產生的壓差，確保場效應管工作的可靠性[13]；指示燈由單片機RC2引腳直接進行控制，如圖7(c)所示。

圖6 電機驅動芯片接線電路原理圖

圖7 輸出控制電路原理圖

4 試驗分析

本文設計的控制系統應用于制作好的電動煙草打頂抑芽機樣機上，對其進行噴藥量準確性檢測試驗所用到的試驗裝置主要有電動煙草打頂抑芽機樣機及多個小量程的量杯。

試驗對電動煙草打頂抑芽機樣機噴施量選取了11組設定值，從10～20mL每隔1mL進行1組試驗，每組試驗進行10次噴施，最后測得總藥量，計算出平均每次噴施量、方差、標準差、噴藥偏差及平均偏差等數據。試驗結果如表1所示，偏差分析如表2所示。

由表1、表2的試驗數據可知：該打頂抑芽機的每次實際噴藥量均在設定值上下輕微波動，噴藥量的平均偏差為2.26%，試驗各個小組的方差與標準差變換較小(即每組測試的單次噴藥量的波動較小)，滿足設計要求。

表1 噴藥量測試試驗數據

表2 噴藥量偏差分析

5 結論

1)設計的電動煙草打頂抑芽機的控制系統，以PIC18F13K22單片機為控制核心，輔以MC33886電機驅動控制芯片、霍爾傳感器及多個外圍電路，實現了該機械的半自動化，能夠有效地協調各部件間的動作。同時，在機器的可靠性和安全性方面也進行了優化設計，如電池電壓的實時檢測、故障報警及剪刀能夠在工作開關松開時及時張開等。該控制系統能夠對機械的工作過程進行全方位的控制，同時為電路的可靠性提供了相應保障。

2)該設計使得電動煙草打頂抑芽機在噴藥量的精準性及工作效率方面得到了顯著提高。試驗研究表明：該機械噴藥量的平均偏差為2.26%，單次噴藥量波動較小，有效提高了煙草質量，進一步推動了煙草農業機械化進程。