郭志遠(yuǎn)，邢 進(jìn)，姜繼瑜

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濱州 256603）

0 引 言

我國的蜂蜜生產(chǎn)長期處于純手工生產(chǎn)狀態(tài)。傳統(tǒng)采收蜂蜜采用油畫筆、刮漿板或刮漿筆等工具手工挖刮[1]，操作煩瑣，費工費時，效率低。近年來，我國乃至世界蜂業(yè)界研究者投入了大量資金和人力，致力于取漿機(jī)器的研發(fā)，或采用離心原理、或采用真空吸取原理[2]、或采用榨壓法等，采集到的蜂蜜不但自然塊狀被破壞，而且保鮮功能受到了嚴(yán)重影響[3]，同時采集設(shè)備復(fù)雜，不便維護(hù)和運輸，大都未能成功投入實際生產(chǎn)。為了解決蜂蜜高質(zhì)量采集問題，研發(fā)一種功能齊全、效率較高、穩(wěn)定安全且成本低的蜂蜜采集設(shè)備成為緊迫任務(wù)。本文設(shè)計了基于XS128單片機(jī)控制的蜂蜜采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機(jī)交互，且操作簡單，填補(bǔ)了市場空白。

1 蜂蜜采集系統(tǒng)整體方案設(shè)計

蜂蜜采集系統(tǒng)的整體設(shè)計流程，如圖1所示。當(dāng)操作者使用該系統(tǒng)時，可根據(jù)具體工作情況，控制運動的方向，調(diào)整運行的距離。比如，模式1——啟動工作開關(guān)，單片機(jī)發(fā)出指令控制水平方向上的運動，運動到預(yù)先程序化的位置，變換為豎直方向的上下運動，且共同鎖定工作臺位置，然后提取機(jī)構(gòu)[4]提取工作臺上存儲蜂蜜的蠟碗，將蜂蜜移入瓶中，完成工序。再如，模式2——根據(jù)液晶顯示器提供的工作信息觸動按鍵，此信號傳給單片機(jī)判斷哪個鍵被按下以及運動方式如何。若水平移動，根據(jù)被按下的按鍵復(fù)位和置位相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)[5]，電機(jī)帶動機(jī)械裝置工作，使提取機(jī)構(gòu)完成水平移動；如果是豎直移動，則通過步進(jìn)電機(jī)將提取機(jī)構(gòu)下降到指定位置，再通過按鍵進(jìn)一步控制推桿電機(jī)工作完成對蜂蜜的提取。

2 蜂蜜采集系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)研制

蜂蜜采集系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由整體支架、傳動機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、提取機(jī)構(gòu)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及輔助部件組成。整體支架采用40 mm×40 mm方形鋼管焊接而成，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并為其他系統(tǒng)提供支撐。傳動機(jī)構(gòu)分為兩部分：由步進(jìn)電機(jī)和絲杠[6]組成，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制絲杠轉(zhuǎn)動；由導(dǎo)軌和滑塊組成，實現(xiàn)提取機(jī)構(gòu)在絲杠帶動下完成水平方向的運動。升降機(jī)構(gòu)分為兩部分：由步進(jìn)電機(jī)、縱向絲杠及法蘭銅柱等組成的升降傳動系統(tǒng)，為提取機(jī)構(gòu)運動提供動力；由光軸和滑塊組成的機(jī)構(gòu)，通過絲杠轉(zhuǎn)動帶動提取機(jī)構(gòu)實現(xiàn)上升和下降的功能。提取機(jī)構(gòu)固定在升降機(jī)構(gòu)[7]的前端，由推桿電機(jī)和類注射器組成，通過推桿電機(jī)與類注射器連接。當(dāng)電機(jī)運動時，將帶動類注射器推桿完成對蜂蜜的提取和推出。動力系統(tǒng)由2個獨立步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和24 V高性能蓄電池組成，為蜂蜜自動采集裝置在工作時提供充足的動力。

圖1 蜂蜜采集系統(tǒng)整體設(shè)計流程

圖2 蜂蜜采集系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.1 支架結(jié)構(gòu)

支架結(jié)構(gòu)由底端支架和蠟碗鎖定支架組成。其中，底端支架（圖3）采用鋁合金方形管焊接而成。四腳著地的接觸方法，便于其平穩(wěn)地與地面接觸，從而增加裝置的穩(wěn)定性。蠟碗鎖定支架為木質(zhì)材料，內(nèi)側(cè)開有固定深度的凹槽，支架上有專門鎖定蠟碗的插銷，目的是將蠟碗嵌入凹槽并用插銷固定，便于蜂蜜的采集，如圖4所示。

圖3 底端支架

圖4 蠟碗鎖定支架

2.2 傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、導(dǎo)軌和滑塊等組成。其中，步進(jìn)電機(jī)和橫向絲杠組合在一起，導(dǎo)軌和滑塊組合在一起。傳動機(jī)構(gòu)[8]所用的步進(jìn)電機(jī)和橫向絲杠（圖5）由聯(lián)軸器連接，通過控制電的正反向來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；通過給定額定脈沖信號來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。導(dǎo)軌和滑塊的配合，通過絲杠轉(zhuǎn)動帶動滑塊在導(dǎo)軌上運動，實現(xiàn)提取機(jī)構(gòu)在水平方向上運動。

圖5 傳動機(jī)構(gòu)

2.3 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)（圖6）主要由步進(jìn)電機(jī)、縱向絲杠、光軸、滑塊和法蘭銅柱等構(gòu)成。當(dāng)電機(jī)工作時，絲杠帶動滑塊實現(xiàn)上升和下降，從而帶動提取機(jī)構(gòu)完成與蠟碗的配合。

2.4 提取機(jī)構(gòu)

提取機(jī)構(gòu)（圖7）主要是由推桿電機(jī)、緊固板、提升板、類注射器和集成板等部件組成。當(dāng)啟動提取機(jī)構(gòu)時，推桿電機(jī)伸縮，帶動類注射器里的抽拉桿，將蜂蜜從蠟碗轉(zhuǎn)移到類注射器。當(dāng)里面收集滿時，再將其推入前端的收集瓶中。

圖6 升降機(jī)構(gòu)

圖7 提取機(jī)構(gòu)

3 蜂蜜采集系統(tǒng)各部件選型

蜂蜜采集控制系統(tǒng)以XS128單片機(jī)為主控芯片，通過繼電器控制步進(jìn)電機(jī)的運動；其他輔助部件包括12864液晶顯示屏、穩(wěn)壓模塊和矩陣鍵盤等。通過按鍵控制整個系統(tǒng)的工作，通過液晶屏幕實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，方便快捷，簡單易操作。

3.1 XS128單片機(jī)

XS128單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲器足夠容納所有應(yīng)用程序代碼和數(shù)據(jù)，支持ICC環(huán)境下的C語言和匯編，可設(shè)置單步全速斷點運行方式，查閱變量RAM、Xdata等數(shù)據(jù)，更適合嵌入式應(yīng)用。此外，XS128單片機(jī)電路板空間大、外圍部件少。

3.2 顯示模塊

顯示模塊選用12864液晶顯示，顯示字符多、功耗低、體積小，且人機(jī)界面良好，能實時反映系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。

3.3 按鍵模塊

按鍵模塊采用具有提示功能的3×4貼片式鍵盤設(shè)計電路。為了減少I/O口的占用，鍵盤通常將按鍵排列成矩陣形式。鍵盤中的每條水平線和垂直線在交叉處不直接相連，而是通過一個按鍵相連接。這樣在由N條水平線和M條垂直線，最多可以有N×M個按鍵，大大減少了對于芯片I/O的占用。

4 功 能

基于XS128單片機(jī)控制的蜂蜜采集系統(tǒng)采用高性能蓄電池供電，利用步進(jìn)電機(jī)精確定位，通過智能控制模塊將設(shè)備工作狀態(tài)預(yù)先編程，通過碰撞開關(guān)實現(xiàn)終止運行，從而將蜂蜜的提取和收集集成到一個操作平臺，且數(shù)據(jù)顯示和多重保護(hù)同時實現(xiàn)，人機(jī)交互良好。

5 結(jié) 論

基于XS128單片機(jī)控制的蜂蜜采集系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，突破了傳統(tǒng)提取蜂蜜的模式，實現(xiàn)了電氣控制部分智能控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成蜂蜜收集系統(tǒng)的自動化、批量化。本系統(tǒng)操作簡單，靈活性強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保，大幅提高了蜂蜜提取效率，適合山地及平原的狹小空間。同時，最大化保證蜂蜜原生態(tài)及新鮮度，填補(bǔ)蜂產(chǎn)業(yè)鏈中采集環(huán)節(jié)高效智能化市場空白，對滿足蜂農(nóng)需求、促進(jìn)我國蜂蜜產(chǎn)業(yè)發(fā)展有一定的推進(jìn)作用。