陳彩蓉，郭 棟，胡 飛，武亞楠，於海明

(1.南京農業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031；2.南京農業(yè)大學人工智能學院，江蘇 南京 210031)

0 引言

中國蔬菜產量占世界蔬菜總產量的60%左右，是世界上最大的蔬菜生產國。育苗移栽與播種是兩種互補的種植方式，育苗移栽種植對氣候具有補償作用，能充分利用光熱資源，其經濟效益和社會效益均十分顯著。由于人工移栽對勞動力需求量大，難以適應大面積蔬菜種植的需求，制約了蔬菜生產的發(fā)展，因此實現機械化移栽作業(yè)成為我國蔬菜生產的迫切需要[1-3]。蔬菜機械移栽過程中普遍存在工作阻力大、耗能高等問題。入土成穴是旱地移栽作業(yè)的重要工序，也是移栽機受外力最大的作業(yè)階段之一。吊杯栽植器作為移栽機直接與土壤接觸的工作部件，其形狀、尺寸及作業(yè)參數直接影響栽植器打穴栽植性能[4]。降低吊杯栽植器的成穴阻力，不僅可以節(jié)能降耗，還可以降低與之配套拖拉機的功率要求，有利于減輕對田間土壤的壓實，因此研究吊杯栽植器的入土成穴性能對提高栽植質量和效率具有重要的意義[5-6]。

本文以吊杯入土成穴力學特性測量為目標，基于LabVIEW軟件開發(fā)吊杯栽植器成穴阻力試驗系統，可以實現對吊杯成穴阻力、電機轉速和扭矩等數據的實時監(jiān)測及相關數據的儲存，可為吊杯栽植器的優(yōu)化設計提供試驗平臺與技術支撐。

1 系統總體結構與工作原理

吊杯栽植器成穴阻力試驗系統主要由栽植裝置和成穴阻力測量系統兩部分組成，如圖1所示。栽植裝置由驅動機構、吊杯栽植器和機架等部分組成。成穴阻力測量系統主要由直流電機、電機驅動器、傳感器、數據采集卡、承載機構及計算機等組成。壓力傳感器安裝在承載機構上，承載機構上放有土槽；直流電機與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器的另一端通過鏈條與栽植機構相連，吊杯栽植器安裝在栽植機構末端。試驗時，電機動力經過扭矩傳感器、鏈條傳到栽植機構，驅動吊杯完成入土栽植作業(yè)。吊杯入土過程中，土槽下的壓力傳感器將土槽所受到的力傳輸到電腦，根據作用力與反作用力的關系，實現吊杯栽植器成穴阻力的測量；同時，扭矩傳感器將扭矩數據通過串口通信模塊傳輸到電腦。操作者可以通過控制電機轉速實現對栽植頻率的調節(jié)，更換不同吊杯可以測試吊杯的尺寸參數、栽植頻率等作業(yè)參數對吊杯栽植器入土成穴力學性能的影響。

1.吊杯栽植器 2.壓力傳感器 3.測力儀表 4.PC 5.承載機構6.土槽 7.栽植機構

成穴阻力測量系統主要作用是根據吊杯入土試驗要求，利用計算機發(fā)出控制信號，驅動電機帶動吊杯按設定的栽植頻率運動，并將傳感器數據傳送到計算機中。測量系統分為硬件、軟件兩大部分。硬件部分主要包括壓力傳感器、扭矩傳感器、數據采集卡和PC等；軟件部分通過LabVIEW進行程序編寫，通過串口通信模塊、數據采集卡進行傳感器數據的讀取，實現栽植過程成穴阻力、驅動扭矩和轉速等數據的實時在線監(jiān)測。

2 系統硬件設計

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器用來測量吊杯栽植器入土成穴阻力的變化，要求傳感器動態(tài)響應頻率高，適合動態(tài)測量。系統選用DYZ-101型柱式壓力傳感器，采用高精度電阻應變片作為傳感器敏感元件，量程0～500 N，靈敏度2.0±0.05 mV/V，非線性≤±0.03%FS。該傳感器結構緊湊、綜合精度高，適合長期動態(tài)壓力測量。選用德森特D056測力儀表作為壓力傳感器的配套儀表，具有信號精密放大、變送輸出、數據通信、內部穩(wěn)壓、線性補償和溫度補償等功能，可以較好地滿足系統要求。D056測力儀表有RS485、RS232兩個串口，支持Modbus-RTU、ASCII主動上傳和HEX快速主動上傳3種通信協議。

2.2 扭矩傳感器

扭矩是反映驅動軸運行狀態(tài)的重要參數，移栽機工作負荷較大，環(huán)境復雜，實現扭矩的實時、精準測量，可以為栽植器成穴阻力和驅動扭矩對應關系的研究提供依據，同時對于監(jiān)測移栽機傳動系統動態(tài)特性、降低故障率具有重要意義。扭矩傳感器選用大洋DYN-200型動態(tài)扭矩傳感器，通過在傳感器軸上粘貼應變片實現扭矩在線測量。扭矩傳感器集成儀表功能，主要由應變信號采集、放大電路、A/D轉換、數據通信和穩(wěn)壓電源等模塊組成，支持扭矩、轉速數據分別輸出；配有RS232、RS485接口，可直接與計算機通訊。扭矩傳感器支持儀表主動上傳、Modbus-RTU和ASCII主動上傳3種通信協議。將傳感器數據輸出方式設為RS485通信配轉速頻率輸出方式，扭矩、轉速數據輸出互不干擾，大大提高了系統抗干擾性能，也保證傳輸數據的穩(wěn)定性與實時性。

2.3 數據采集卡

采用NI公司的USB-6009多功能數據采集卡，它提供了8路模擬量輸入通道(14位，48 kS/s)，12路數字I/O線，2路模擬量輸出通道(150 Hz)和一個32位計數器。根據采集卡提供的端口，將動態(tài)扭矩傳感器輸出的轉速信號連接到計數器輸入端口PFI0。

2.4 直流電機驅動模塊

采用110BL168S150-430型直流無刷電機和ZM-6545A型無刷驅動器作為栽植裝置的動力源，通過調節(jié)直流電機的轉速即可實現栽植頻率的調節(jié)。110BL168S150-430型直流無刷電機主要參數：額定功率1.5 kW，額定轉矩4.8 N·m，額定電壓48 V，額定轉速3 000 r/min。ZM-6545A型無刷驅動器采用新型PWM技術，具有控制電機正反轉、快速制動等功能，提供過熱保護、過壓保護，具有操作簡單、振動小、噪聲低和運行平穩(wěn)等優(yōu)點。PWM調速技術具有調速靈活、調速精度高和抗干擾能力強的特點，鑒于PWM調速的精準性、穩(wěn)定性和便捷性，采用PWM技術進行直流電機轉速控制。

移栽機作業(yè)時栽植機構一般工作在中低速、高扭矩的工作狀態(tài)，需要在直流電機和栽植機構驅動軸之間增加減速器來降速增扭。根據電機轉速范圍和栽植頻率的要求，選用傳動比為24的減速器。

3 系統軟件設計

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)平臺的簡稱，它是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一。LabVIEW在數據采集與儀器控制方面具有顯著優(yōu)勢，虛擬儀器架構(Virtual Instrument Software Architecture，VISA)實現了I/O接口的無關性需求，通過調用NI-VISA庫函數并配置不同的設備參數，就可實現各種I/O接口儀器通用程序的設計[7-8]。

采用LabVIEW編寫系統監(jiān)測軟件，通過串口通信、USB-6009數據采集卡，將成穴阻力、扭矩和轉速等數據傳輸到PC機，實現對栽植過程吊杯栽植器成穴阻力、扭矩及轉速實時數據采集、顯示和存儲等功能。軟件系統主要由參數設置、數據采集和數據存儲3個模塊組成。

(1)參數設置模塊：進行串口資源分配，設置波特率、數據位和校驗位等串口通信參數。

(2)數據采集模塊：實現PC機與傳感器、數據采集卡的通信，將傳感器數據傳輸到LabVIEW中。

(3)存儲管理模塊：以波形圖、數值等形式實時顯示、存儲數據。

3.1 串口通信設置

LabVIEW通過NI-VISA接口函數讀取壓力傳感器、扭矩傳感器發(fā)送的數據[9-10]。NI-VISA函數位于LabVIEW的Instrument I/O模板的Serial子面板，主要包括串口通信初始化、讀、寫等操作的一些函數。按照相應的順序配置串口操作參數，設定端口號、波特率和奇偶校驗位等信息，并與測力儀表、扭矩傳感器的通信參數保持一致[11-12]。

3.2 人機界面設計

人機交互界面主要分為參數設置和數據顯示兩部分，參數設置部分主要根據系統資源進行串口通信參數選擇，數據顯示部分以數值、曲線的形式顯示實時獲取的傳感器數據。

3.3 數據采集模塊

成穴阻力、扭矩和轉速數據是通過分別調用D056型測力儀表、DYN-200N型動態(tài)扭矩傳感器的數據實現實時監(jiān)測的。D056型測力儀表設置成ASCII主動發(fā)送通信模式，波特率19 200 bps。儀表按照設定的最小間隔主動發(fā)送一個7位的ASCII碼值(包括小數點和負號顯示共計6位)，當數據不足6位時用空格表示(20H)，最后一位為回車符(0DH)。成穴阻力采集LabVIEW程序如圖2所示。

圖2 成穴阻力采集程序

為保證串口通信的速度和穩(wěn)定性，扭矩傳感器通信協議設置成ASCII主動上傳模式，只發(fā)送實時扭矩數據，波特率38 400 bps。扭矩采集LabVIEW程序如圖3所示。

圖3 扭矩采集程序

DYN-200N傳感器的轉速信號采用脈沖方式發(fā)送，扭矩傳感器軸轉動一周輸出60個脈沖，通過USB-6009數據采集卡計數器功能配合移位寄存器實現轉速測量，轉速采集程序如圖4所示。

圖4 轉速采集程序

4 系統試驗

為驗證吊杯栽植器成穴阻力試驗系統的性能，搭建了室內試驗平臺，如圖5所示，主要由栽植裝置、吊杯栽植器和成穴阻力測量系統等部分組成。該系統可以通過調節(jié)直流電機轉速實現栽植頻率的設置，成穴阻力、扭矩、轉速等數據可實時顯示在LabVIEW前面板上，如圖6所示。

1.扭矩傳感器 2.直流電機 3.栽植機構 4.吊杯栽植器 5.土槽 6.阻力測量平臺 7.調速器 8.PC

圖6 試驗系統界面

5 結束語

采用壓力傳感器、扭矩傳感器和數據采集卡，完成了基于LabVIEW的吊杯栽植器成穴阻力試驗系統的設計，實現了栽植過程中吊杯栽植器成穴阻力、扭矩和轉速等信息實時顯示、存儲等功能。測試結果表明，系統監(jiān)測效果良好，能夠滿足吊杯栽植過程成穴阻力監(jiān)測的實際需求，可為吊杯栽植器的優(yōu)化設計提供依據。