武艷平,汪 洋,胡 杰,李曉賢,何培祥

(西南大學 工程技術學院,重慶 400715)

0 引言

煙草是我國重要的經(jīng)濟作物之一,是一種喜溫作物,由于地膜覆蓋具有保溫保墑保濕的作用,在煙草種植中得到了廣泛應用[1]。地膜覆蓋在煙草種植過程中有重要作用,既除去了在煙草大田栽培的中耕除草環(huán)節(jié),又可提高地溫,從而促進土壤中微生物的活動,加強了土壤中有機質(zhì)和部分養(yǎng)分的釋放,提高了肥料的利用率,改善了土壤的養(yǎng)分狀況,保持土壤疏松,減少病蟲和雜草危害,進而促進煙草根系和煙株的生長發(fā)育,使煙草成熟期提早10天左右,明顯提高了煙葉品質(zhì)[2]。但是,地膜覆蓋后,由于土壤環(huán)境條件在各生育階段的變化規(guī)律不同,地膜對煙草品質(zhì)除了上述正效應影響還伴隨著負效應影響?，F(xiàn)有研究指出:在煙草作物全生育期進行地膜覆蓋栽培,將在一定程度上導致某些病蟲害加重、煙株根系發(fā)育不良等問題。在煙株生長中后期,土壤溫度往往過高,而濕度不足,如果不及時揭去地膜,易使土壤板結(jié)、通氣不良,過高的土壤溫度會對根系造成傷害[3];且地膜會阻擋來自空氣中的降雨,不利于肥料溶解轉(zhuǎn)化和煙苗吸收,影響煙株后期生長;加之地膜在田間難以降解,污染土壤,對農(nóng)作物危害很大[4-7]。因此,有研究人員提出,在煙草種植過程中,隨著溫度升高和煙株對水分的要求不同,應及時揭膜以保證煙草的正常生長。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

輕簡式煙田苗期揭膜機的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.工作開關 2.扶手 3.錐形揭膜機構(gòu) 4.集膜機構(gòu)

該機主要包括錐形揭膜傳動機構(gòu)、揭膜電機、集膜機構(gòu)、控制器、行走輪、扶手、工作開關、機架和鋰電池。其整體設計在功能系統(tǒng)上主要包括揭膜系統(tǒng)和行走系統(tǒng):揭膜系統(tǒng)在機構(gòu)上主要包括錐形揭膜機構(gòu)、揭膜傳動機構(gòu)、揭膜電機和集膜機構(gòu);行走系統(tǒng)在機構(gòu)上主要包括行走輪及其組件。揭膜系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有固定地膜、卷膜及卸膜。由于要求揭膜機在壟溝行進時同時收兩側(cè)煙壟地膜以提高生產(chǎn)率,因此在揭膜機兩側(cè)均勻設置了兩組錐形揭膜機構(gòu)。錐形揭膜機構(gòu)主要由錐形卷膜輥、卡膜盤、傳動軸和法蘭盤組成。法蘭盤連接并固定錐形卷膜輥于傳動軸上,錐形卷膜輥其外徑自靠近機架一端向外逐漸減小,使卷膜輥的外表面具有錐面,便于快速卸下纏繞在卷膜輥上的地膜,并無需更換輥筒,既提高了工作效率,又無需準備備用輥筒,從而減小了整個設備或操作人員的負載,簡化了操作,降低了勞動強度。由于揭膜機揭膜時兩側(cè)地壟上的地膜狀態(tài)不同,造成兩側(cè)錐形揭膜機構(gòu)的工況有所不同,導致不能使用同一個動力同時驅(qū)動兩側(cè)的錐形揭膜機構(gòu),因此設置了兩個揭膜電機分別獨立驅(qū)動兩個錐形揭膜機構(gòu)。

揭膜電機通過揭膜傳動系統(tǒng)驅(qū)動揭膜機構(gòu)轉(zhuǎn)動揭膜。揭膜傳動機構(gòu)主要由主同步帶輪、同步帶和從同步帶輪組成,從同步帶輪與傳動軸剛性連接,從而實現(xiàn)揭膜電機驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動,即驅(qū)動錐形卷膜輥轉(zhuǎn)動揭膜。錐形卷膜輥一端連接卡膜盤,卡膜盤上設有用于固定地膜的卡膜口,在揭膜之前,操作人員先將覆蓋在煙壟上的地膜端部卡入卡膜口,使其被可靠地限位,從而保證了揭膜機在地膜回收初期的可靠運行。

行走系統(tǒng)的作用為支撐其余構(gòu)件并使揭膜機行走。雙行走輪具有更高的穩(wěn)定性和操控性,其余機構(gòu)或組件皆安裝在以行走輪為支撐的機架上。在行走輪的一側(cè)設置了行走速度檢測裝置,主要由磁鐵盤、小磁鐵、霍爾傳感器固定件及霍爾傳感器組成。磁鐵盤與行走輪剛性連接,霍爾傳感器與磁鐵盤盤面正對。當揭膜機啟動時,霍爾傳感器檢測安裝在磁鐵盤上的小磁鐵經(jīng)過時間,控制系統(tǒng)從而準確、靈敏地判斷揭膜機的工作狀態(tài)并計算出行走輪的實時行走速度,實現(xiàn)揭膜電機的自動啟停及對操作人員行走速度的報警提示,提高了人機交互性。

2 硬件電路設計

控制系統(tǒng)總體硬件電路如圖2所示。

揭膜機揭膜時,揭膜電機恒扭矩驅(qū)動錐形卷膜輥轉(zhuǎn)動揭膜,從而近似恒拉力揭膜,可通過控制電機電流使揭膜電機輸出恒扭矩。由于地膜的使用情況、厚度、強度等因素不同,其拉斷力不盡相同。為了使揭膜機揭膜時能可靠地揭起不同強度的地膜,可設置揭膜機的揭膜拉力。

通過檢測揭膜電機的電流,控制系統(tǒng)根據(jù)電流與揭膜拉力之間的關系可計算出相應的揭膜拉力。控制系統(tǒng)將檢測的揭膜電機電流反饋給單片機,可實現(xiàn)對揭膜電機的閉環(huán)控制,從而增加控制的精準度。電機電流選用電流令。當電池電壓達到要求時,主程序?qū)z測工作開關是否閉合,若工作開關斷開,主程序?qū)㈥P掉單片機的PWM模傳感器ACS712檢測電流大小。由于左右兩側(cè)揭膜電機獨立控制,需要分別檢測其電流值,因此電路設計時采用了2塊電流傳感器ACS712。ACS712由5 V電壓供電,通過IP+引腳和IP-引腳串聯(lián)于被測電路中,被測電流經(jīng)IP+引腳輸入和IP-引腳輸出。IP+和IP-之間設置了1個霍爾元件,電流從霍爾元件附件流過時,電信號轉(zhuǎn)換為磁信號,并經(jīng)過后續(xù)信號還原及放大由VIOUT引腳輸出1個電壓信號。

揭膜機的行走速度可由霍爾傳感器測出。揭膜機行走輪輪側(cè)安裝了磁鐵盤,盤上均布著12個小磁鐵,當小磁鐵經(jīng)由霍爾傳感器時會產(chǎn)生一個霍爾脈沖信號,單片機可通過檢測單位時間內(nèi)小磁鐵的通過個數(shù)即霍爾脈沖信號個數(shù),或者計時相鄰兩個霍爾脈沖信號之間的時間,從而計算出行走輪的轉(zhuǎn)速。

揭膜機除了電源開關,還需設置工作開關,以給控制系統(tǒng)下達工作指示。單片機通過檢測引腳的高低電平信號決定是否啟動電機工作。工作開關斷開時,開關檢測引腳為高電平;工作開關接通時,開關檢測引腳為低電平。

鋰電池是揭膜機控制系統(tǒng)和揭膜電機的供電電源,因此控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)控鋰電池的電壓,以判斷鋰電池剩余電量狀態(tài)。當檢測到電池電壓過低時,控制系統(tǒng)需要提示用戶電量不足,并不進行后續(xù)工作。電池電壓采用電阻分壓檢測(見圖2),R13和R14接入電池,通過檢測電池在R14上的分壓即可轉(zhuǎn)換為電池電壓;單片機通過A/D模塊檢測R14的電壓值,選擇的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道為RB5/AN11,電容C8是濾波電容。

在多種情況下,揭膜機需要向操作人員進行報警提示,如當控制系統(tǒng)上電后,工作指示燈亮,表明系統(tǒng)的正常狀態(tài);當電池電壓過低時,蜂鳴器鳴叫,工作指示燈閃動,提示用戶電池電量不足;當操作人員推動揭膜機揭膜時,控制系統(tǒng)會檢測其行走速度,若行走速度不在設置范圍內(nèi),控制系統(tǒng)會以蜂鳴器鳴叫和工作指示燈閃爍的不同頻率,提示用戶。

3 軟件程序設計

輕簡式煙田苗期揭膜機的控制系統(tǒng)的主要功能有揭膜機揭膜拉力設置、揭膜電機恒流控制、行走速度檢測及其操作指示、電池欠壓保護及其報警提示等?？刂葡到y(tǒng)的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

控制系統(tǒng)上電后,主程序首先對單片機PIC18F23K22進行初始化,初始化后的每次主程序循環(huán)都要清看門狗WDT;接下來主程序調(diào)用電池電壓檢測子程序檢測電池電壓,并決定程序是否繼續(xù)進行和做出電池欠壓保護和報警提示相關指令。當電池電壓達到要求,主程序?qū)z測工作開關是否閉合,若工作開關斷開,主程序?qū)㈥P掉單片機的PWM模塊,使揭膜電機停機;若開關閉合主程序?qū)⒃试SINT2外部中斷和TMR0中斷,以檢測揭膜機的行走速度。然后主程序調(diào)用揭膜拉力設置檢測子程序,控制系統(tǒng)獲得操作人員設置的揭膜拉力后,將使能PWM模塊,使揭膜電機保持驅(qū)動狀態(tài);接下來主程序調(diào)用電流檢測子程序?qū)ψ笥覂蓚?cè)的揭膜電機的輸出電流分別進行采樣檢測,并分別將采樣值送至恒流控制子程序中的相關寄存器。在恒流控制子程序中,控制系統(tǒng)將對電流采樣值進行計算處理來調(diào)節(jié)PWM的占空比,從而實現(xiàn)對揭膜電機的恒流控制。主程序最后調(diào)用行走快慢報警提示子程序,根據(jù)中斷服務程序測出的行走速度對操作人員進行提示,然后進入下一個主程序循環(huán)。

4 試驗結(jié)果與分析

驗數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 恒扭矩試驗數(shù)據(jù)表

揭膜機揭膜時,揭膜電機通過恒扭矩驅(qū)動錐形卷膜輥揭膜,從而實現(xiàn)以近似恒拉力揭膜的目的,以保證可靠、揭膜而不斷膜。因此,在揭膜機整機試驗之前,需要單獨測試揭膜機控制系統(tǒng)的恒扭矩控制性能,以測試其恒扭矩控制精準度。由于揭膜電機恒扭矩輸出由控制系統(tǒng)恒流控制程序?qū)崿F(xiàn),在進行揭膜機恒扭矩控制試驗時需要設置并檢測揭膜電機電流。恒扭矩試驗時將地膜纏繞在揭膜機錐形卷膜輥上,在不同的電流設定值下啟動揭膜電機,測試揭膜拉力和揭膜電機電流及PWM的占空比。試驗的主要設備有:揭膜機樣機、數(shù)字測力計、數(shù)字示波器、直流電流表。

由表1的數(shù)據(jù)可得到設置電流與PWM占空比及設置電流與理論揭膜拉力和實際揭膜拉力的趨勢,如圖4所示。由圖4可知:當設置電流增大,PWM的占空比和揭膜拉力皆呈近似線性比例增大,而控制系統(tǒng)即是通過調(diào)節(jié)PWM的占空比使揭膜電機電流恒定在設置值,從而使揭膜電機恒扭矩驅(qū)動錐形卷膜輥,使之以近似恒拉力揭膜。

圖4 設置電流趨勢

5 結(jié)論

1)設計了一種輕簡式煙田苗期揭膜機,包括揭膜系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和行走系統(tǒng)。揭膜系統(tǒng)實現(xiàn)揭膜和卸膜功能,主要由錐形卷膜輥、揭膜電機、揭膜傳動機構(gòu)、卡膜盤和集膜機構(gòu)組成?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)對兩側(cè)揭膜電機的獨立控制,使揭膜電機恒扭矩驅(qū)動錐形卷膜輥,使其達到不損壞膜而可以揭膜的作用。行走系統(tǒng)提供支撐和移動功能,使其平穩(wěn)行走。

2)揭膜機恒扭矩試驗表明:揭膜機平均恒扭矩控制誤差為5.02%,揭膜性能較好,能實現(xiàn)殘地膜回收。