甘蔗種防破芽切斷裝置的設計研究

黃才貴，蔣正忠，李巖舟，馬曉麗

（1.南寧學院機電與質量技術工程學院，廣西 南寧 530200；2.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530000）

1 引言

我國是甘蔗生產的大國，甘蔗種植規模排名世界第三，種植面積達到2300萬畝，產糖量占92%以上[1-2]。但我國甘蔗戶均種植面積相比于國外美國、巴西、古巴等，還比較少，而且土地規模小[3]。廣西的甘蔗種植面積位居全國第一，所占比例超過全國的60%，是我國最大的甘蔗和食糖生產中心，是廣西優質和特色產業[4-5]。甘蔗產業已經成為廣西區域性的優勢和支柱產業之一，直接影響著到廣西經濟的發展。

目前，國內外的甘蔗種植機械化技術不斷發展和推廣，我國正在研發的甘蔗種植機械功能也逐步齊全，實現一定程度的甘蔗種植機械化[6]。如文獻[7]設計的基于電阻式應變片的甘蔗種切割防傷芽系統，雖然達到良好實驗效果，但實際安裝使用困難且易損壞。盡管如此，目前的甘蔗種植的甘蔗種防破芽切斷技術并不成熟，如破芽率過高等，在甘蔗種植的實際應用相對較少。現有甘蔗種切斷裝置的切斷方式主要為等段長切斷，雖然切斷效率高，但由于同一根甘蔗上長短不一的莖節，必然會造成部分種芽被切到而破碎。此外，蔗種切斷裝置在蔗種切斷進給輸送過程當中，由于摩擦、擠壓等原因容易使得種芽破損，導致甘蔗種種植后難以保證甘蔗的發芽率，影響產量。歸結蔗種切斷過程中蔗種種芽易破損來源主要為：切斷位置不準確導致直接切到種芽位置；種芽在切斷輸入過程中與傳送部件發生摩擦、碰撞或擠壓導致破損；在切斷后的蔗種收集或者落入種箱中的磕碰、撞擊導致種芽破損。基于此，旨在設計一種防破芽的甘蔗種切斷裝置，解決蔗種切斷時破芽率高的問題，為后續甘蔗種植的發芽率和成活率提供保障，以滿足甘蔗種植的農藝要求。

2 總體結構方案及工作原理

本裝置由甘蔗輸送機構、種芽位置檢測系統、切斷控制系統以及機架等組成，如圖1所示。

圖1 整機總體結構Fig.1 Overall Structure

甘蔗輸送機構主要包括驅動電機、同步傳動帶、上輥架和下輥架，每個輥架之間鉸接有若干個輸送輥，下輥架和上輥架相互平行安裝。種芽位置檢測系統主要由高精度的直線位移傳感器采集到甘蔗外形信號，傳送到單片機進行對比分析。切斷控制系統主要由單片機控制板、電磁閥、氣缸以及供電電源組成。

裝置工作時，甘蔗通過下輥架和上輥架后，進入到直線位移傳感器的檢測滾動探頭下方時，突出的甘蔗莖節部位或種芽則頂住檢測滾動探頭，使得檢測滾動探頭上移，此時直線位移傳感器則將檢測到的信號傳送到單片機和計算機進行分析，對電壓變化率的計算對比，若電壓變化率突變則可確定種芽位置，以便切斷時避開種芽，然后單片機發出切斷信號到電磁閥，則驅動氣缸進行切刀的切割作用。切斷過程中，由于切斷刀和直線位置傳感器的安裝位置是在甘蔗進給的軸向方向上錯開一段距離的，此距離小于甘蔗單段的長度，一般為甘蔗單段的長度的一半左右，所以切刀切斷時保證不會切刀種芽位置。同時，所采集到的電壓信號也輸送到計算機的上位機進行顯示，顯示的上位機為LabVIEW編寫的電壓監控系統，通過上位機的監控系統可直觀顯示采集電壓的變化情況，即直觀顯示蔗種種芽的具體位置，以便進行快速分析。

3 檢測切斷控制方案設計

3.1 切斷控制方法分析

3.1.1 單芽段切斷控制方法

設甘蔗莖節或種芽位置從做左到右的編號為1，2，3，…，i，切刀的位置以傳感器的位置為原點，向左移動的距離x即為切刀的具體位置，甘蔗向左進給的速度為v，如圖2所示。切斷控制方法的步驟如下：

圖2 單芽段蔗種切斷系統模型Fig.2 Model of Seed-Cutting System of Sugarcane with Single Bud

（1）參數獲取：傳感器采集對應的甘蔗莖節或種芽位置信息，并記錄采集的每個位置的時刻ti(i=1，2，3…)，將信息傳遞到控制器進行分析計算。

（2）控制量計算：計算切刀向左移動的距離x，盡量確保切斷的位置處于Si的中間，x計算的依據為：

式中：Si—欲切割部位的每相鄰甘蔗莖節或種芽位置距離；v—甘蔗進給的速度；ti—每個位置的時刻；ti+1—相鄰下一個位置的時刻。

（3）控制執行：控制器根據切刀向左移動的距離x位置信息，控制切刀快速移動到x位置點，并實現切割動作。必須檢測到第二個莖節的時間點時才能發生第一次切割動作，之后的每個檢測位置點均發生切割動作。完成第一次切割之后，繼續根據以上的步驟執行切割控制，直到檢測信號斷開位置。

3.1.2 雙芽段切斷控制方法

設甘蔗莖節或種芽位置從做左到右的編號為1，2，3，…，i，切刀的位置以傳感器的位置為原點，向左移動的距離x即為切刀的具體位置，甘蔗向左進給的速度為v，如圖3所示。切斷控制方法的步驟如下：

圖3 雙芽段蔗種切斷系統模型Fig.3 Model of Seed-Cutting System of Sugarcane with Double Bud

（1）參數獲取：傳感器采集到對應的甘蔗莖節或種芽位置信息，并記錄采集的每個位置的時刻ti(i=1，2，3…)，將信息傳遞到控制器進行分析計算。

（2）控制量計算：計算切刀向左移動的距離x，盡量確保切斷的位置處于K（i-1）/2的中間，x計算的依據為：

式中：K(i-1)/2—欲切割部位的每相鄰甘蔗莖節或種芽位置距離；v—甘蔗進給的速度；ti—每個位置的時刻；ti-1—相鄰上一個位置的時刻。

（3）控制執行：控制器根據計算所得的切刀向左移動的距離x位置信息，控制切刀快速移動到x位置點，并控制切刀實現快速切割動作。由于是雙芽段切割控制，種芽必須間隔兩個才能進行切割，則此情況實行切割控制必須是檢測到第三個莖節的時間點時才能發生第一次切割動作，能發生切割的時間點對應的位置分別為3，5，7，…。在完成第一次切割之后，繼續根據以上的步驟執行切割控制，直到檢測信號斷開位置。

3.2 系統硬件設計

直線位移傳感器采用的是KTRA-5L型，滾動探頭檢測行程為5mm，其線性精度為（±%FS）0.03%，解析度的理論值無限小，工作速度10m/s，重復性精度為0.01mm，工作溫度范圍為（-45～+70）℃，輸出的信號為電壓信號（0～5）V，正好符合采集的電壓范圍要求，所以不需要進行電壓放大操作。

硬件電路設計原理圖，如圖4所示。系統采用的主控制器是AT89C52單片機，該單片機內部具有RAM和可多次擦寫的PEROM，使其能滿足開發人員的多次擦寫要求［8］。要實現采集的模擬電壓信號能夠傳到單片機，需要將模擬電壓信號轉換為數字信號，本設計選擇的轉換芯片為AD轉換器芯片TLC548。

圖4 硬件電路設計原理圖Fig.4 Schematic of Hardware Circuit Design

所檢測到的信號進行分析計算，判斷出種芽的軸向位置之后，需要驅動電磁閥來控制氣缸進而驅動切斷刀進行切斷和收回動作。本設計需要用到繼電器來控制電磁閥的換向和驅動電機的開停工作，當執行切斷動作時需要保證驅動電機的工作停止，當甘蔗完成切斷之后則驅動電機繼續開啟工作將甘蔗往前輸送，本設計選用2個繼電器均為1路5V帶光電隔離的繼電器。

3.3 系統軟件設計

控制系統所設計的程序采用C語言進行編程，主要包括系統初始化、I/O檢測、外部中斷低電平有效、判斷電壓變化率是否達到閾值、發出切斷控制信號等。運行過程中，將檢測到的直線位移傳感器電壓信號進行計算分析，與所設定的電壓變化率閾值進行對比，若大于設定的閾值則判斷為甘蔗種芽軸向的具體位置，同時控制切斷刀執行切斷動作。系統程序流程圖，如圖5所示。

圖5 系統程序流程圖Fig.5 System Program Flow Chart

4 上位機監測系統設計及測試

上位機監控系統采用的是LabVIEW作為開發平臺。Lab-VIEW作為專門的虛擬儀器設計開發平臺，是美國NI公司推出的圖形化編程軟件，編程容易上手、易于理解，并且該編程軟件具備豐富的函數資源庫和分析的子程序案例。對所開發的設備可以進行參數設定、數據及波形顯示、數據保存等[9]。系統設計過程可以直接調用第三方驅動函數，使得開發的過程更加便捷，大大提高了開發的效率，縮短周期[10]。

為了能夠對甘蔗種輸送切斷過程中對種芽位置的實時監測，設計了基于LabVIEW上位機監測系統，監測系統的界面，如圖6所示。

圖6 基于LabVIEW上位機監控系統Fig.6 Upper Computer Monitoring System Based on LabVIEW

上位機監測系統所采集的直線位移傳感器電壓，是通過與單片機進行串口通訊獲取的數據。電壓波形圖顯示的是直線位移傳感器檢測到的電壓信號，此電壓信號則反映的是甘蔗軸向表面的形狀，包括甘蔗表面的附著物，從此波形圖可初步判斷甘蔗的徑節位置。梯度波形圖則顯示的是直線位置傳感器所檢測到電壓信號的變化率，通過電壓變化率進一步確認甘蔗徑節和種芽的軸向位置。同時，在電壓波形圖和梯度波形圖也設置有實時的數據顯示值，分別為實時電壓和實時梯度。

當用戶配置好串口后，點擊啟動按鈕即可進行數據采集。程序的設計主要采用順序結構為主體，內部設計有條件結構、while循環等。具體上位機監控系統的程序設計流程圖，如圖7所示。

圖7 上位機監控系統的程序設計流程圖Fig.7 The Program Design Flow Chart of the Upper Computer Monitoring System

5 性能實驗及分析

對所設計的防破芽切斷裝置進行實驗分析，切斷的蔗種為雙芽段，取新臺糖22號甘蔗種來作為樣本，一共進行10組實驗，每組的實際種芽數量為500個，通過實驗記錄種芽識別的實際數量以及蔗種切斷破芽的數量，試驗結果，如表1所示。

表1 試驗結果Tab.1 The Test Results

從以上的實驗數據分析結果可看出，系統中種芽檢測的平均個數為490.6，準確率高達98.12%，說明了蔗種種芽識別系統的檢測準確度高，可靠性強，能有效識別種芽的具體位置，為蔗種做進一步切斷提供良好的控制基礎信號；種芽切割完好率高達99.10%，說明了蔗種切斷過程中的效果極佳，傷芽率很低，說明此切斷系統的可靠性極高，能有效防止切斷的破芽情況；從總體上看，整個系統去除漏檢和傷芽之后，種芽切割準確率達到97.24%，可信度高，說明了整個系統包括自檢測種芽模塊和蔗種切斷模塊的聯合工作可靠性很高，可滿足良好的防破芽切斷操作。

6 結論

所設計的甘蔗種防破芽切斷裝置，可準確的自動檢測和識別甘蔗種的種芽軸向位置，這使得蔗種切斷時很好的避開了種芽位置，從而避免或減少蔗種種芽在蔗種切斷時的破損。經過對所設計的裝置進行實驗研究與分析得知，種芽識別的準確率高達98.12%，種芽切割完好率高達99.10%，整個系統的種芽切割準確率達到97.24%，真正解決了蔗種切斷時破芽率高的問題，可直接影響著甘蔗后期成長的發芽率和成活率。總體來說，整個系統的自檢測種芽模塊、蔗種切斷模塊和監測模塊的聯合工作可靠性很高，解決了蔗種切斷時破芽率高的問題，為后續甘蔗種植的發芽率和成活率提供保障，以滿足甘蔗種植的農藝要求。若相關配套技術更加成熟，將可應用在廣西、海南等重要甘蔗種植基地，切實提高甘蔗的產量，進一步增強蔗農經濟效益。廣西作為我國甘蔗種植的重點大省，種植面積位居全國第一。甘蔗產業已經成為廣西區域性的優勢和支柱產業之一，該技術直接影響著到廣西經濟的發展，總體的市場需求量大，擁有良好的應用前景。