基于arduino的高效自動化栽苗機設計

郭振宇 徐淑瓊

摘 要

隨著蔬菜大棚的不斷發展，移栽種苗勞動強度大的問題也日益凸顯。經過研究調查，大部分栽苗還是以手動為主，鑒于人工栽苗費時費力，因此，團隊設計完成小型化全自動、高效率栽苗機。該項目就解決大棚移栽種苗時勞動強度大、工作效率低的現狀，提出了解決的新方案。高效自動化栽苗機由移動機構、運苗機構、栽苗機構組成，運用arduino軟件控制系統，控制電機驅動導苗器精確高效地將種苗導入栽苗器中，同時電機驅動推桿電機帶動栽苗器完成進土、挖坑、栽苗、填土等動作，蝸輪蝸桿大扭矩電機實現精確距離移動，以達到高效率、自動化精確栽苗的效果。

關鍵詞

農業機械;栽苗機;精確苗間距;自動化

中圖分類號： F326.11;F323.3 ? ?? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.079

0 引言

如何高效率自動化地移栽蔬菜種苗一直是有待解決的一大難題。經過研究調查，大部分栽苗還是以手動為主，小部分輔以相應機構來提高工作效率。人工和半自動化栽苗費時費力，因此，設計完成小型化全自動、高效率栽苗器很有必要而且具有較高的使用價值。高效自動化栽苗機由移動機構、運苗機構、栽苗機構組成，運用arduino軟件控制系統，控制電機驅動導苗器精確高效地將種苗導入栽苗器中，同時電機驅動推桿電機帶動栽苗器完成進土、挖坑、栽苗、填土等動作，蝸輪蝸桿大扭矩電機實現精確距離移動，以達到高效率、自動化精確栽苗的效果。

1 三維設計圖

高效自動化栽苗機的三維圖如圖1所示和其對應的工程圖如圖2所示，根據三維設計圖做參考仿真，設計出了實體。

圖中各部分說明：

1、栽苗器：錐形栽苗器可以使栽苗入土更加快捷，效率更高。

2、栽苗驅動機構：通過推桿電機驅動使栽苗器實現上下移動。

3、導苗器：將儲苗器中的種苗通過程序驅動電機平穩導入至栽苗器。

4、蝸輪蝸桿電機：蝸輪蝸桿電機扭矩大可以完成在土地中高強度的行走以及精確苗間距工作。

5、履帶式輪胎：履帶式輪胎可以使機構更加平衡穩定，同時也和蝸輪蝸桿電機相配合完成土地上精確苗間距的工作。

2 移栽機構組成與原理

2.1 高效自動化栽苗機分解為四大部分

（1）Arduino控制系統：該系統采用Arduino MEGA開發板作為設備的大腦，通過編譯程序來控制各機構進行精確有序的工作，減小工作誤差，使栽苗效率更高。

（2）移動機構：使用31ZY直流減速蝸輪蝸桿大扭矩電機可以實現大棚作業任務，機構通過Arduino MEGA開發板及H橋L298邏輯電機雙路直流驅動板控制電機以達到精確苗間距的效果;內部對稱式尼龍輪轂海綿內膽輪胎可以使設備工作更加平穩高效。

（3）運苗機構：通過Arduino MEGA開發板和L298N直流電機驅動板模塊來控制25GA370直流齒輪減速電機驅動PVC履帶式傳送帶轉動，從而將種苗平穩、高效地導入至栽苗機構。

（4）栽苗機構：作為設備的核心機構，通過通過Arduino MEGA開發板和H橋L298邏輯電機雙路直流驅動板控制電機帶動不銹鋼栽苗器完成進土、挖坑、栽苗填土等動作，以達到高效率栽苗的效果。

2.2 主要性能指標

（1）主體框架：材質為20mm*20mm槽鋁，尺寸參數為500mm*500mm*650mm。

（2）驅動部分：采用四個80rpm/minGW4058-31ZY減速電機，驅動設備前進;兩個78rpm/minGA25Y370-47減速電機，驅動運苗機構;兩個12V150mm推桿電機，驅動栽苗機構工作。

（3）控制部分：由一個Arduino MEGA 2560 開發板及其相應電路進行控制整個設備系統。

2.3 栽苗機硬件電路設計

2.3.1 Arduino MEGA 2560開發板

Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板如圖3所示，具有54路數字輸入輸出，適合需要大量IO接口的設計。處理器核心是ATmega2560，同時具有54路數字輸入/輸出口（其中15路可作為PWM輸出），15路模擬輸入，4路UART接口，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。

2.3.2 160W直流電機驅動板模塊有以下幾部分組成

（1）雙H橋兩路PWM輸入，作用是同時驅動兩臺直流電機正反轉;

（2）欠壓過流保護，作用是防止電機在功率過大時電流過大而造成的電機燒毀;

（3）靜電泄放回路，作用是保持電磁兼容EMC穩定可靠;

（4）TVS瞬態抑制二極管，作用是有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

3 arduino軟件控制系統

為保證設備的高效自動化性，該設備的功能主要程序框圖如圖4所示。首先，接通電源后，整個系統完成初始化;然后，行止機構啟動并達到相應苗間距后，停止工作;通過傳感器判定系統是否有種苗進入系統，當有種苗存在時啟動運苗機構;運苗機構啟動3000ms后，經過仿真軟件及實際測試計算可知種苗已進入栽苗機構;運苗機構停止，栽苗機構進行工作;經過3000ms后，栽苗工作完成。最終，通過相應反饋控制從而使系統重回初始化進而完成下一步任務。

4 創新點

（1）該設備通過程序計算苗間距，使苗間距更精確;從挖坑到栽苗一步完成，步驟簡便效率高。

（2）在傳統栽苗只能栽植栽培一條壟的基礎上加以創新，借助該設備可以同時完成兩邊壟的栽種過程;且無須人力勞動，自動化高效率完成多種種苗栽種過程。

參考文獻

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