基于单片机的机采棉除杂系统优化喂料控制
2014-08-12张洪洲张亚江张风旗等
张洪洲+张亚江+张风旗+等
摘要：随着新疆南疆地区机采棉除杂系统自动化的发展，传统的喂料方法已经不能满足农业设备自动化发展的需要，因此研究设计了一种基于单片机的机采棉除杂系统的优化喂料装置。喂料系统主要由图像采集设备、数据传输装置、数据处理、决策部件、放大电路、电机变频调速等部分组成，主要原理是通过调节电压量来控制变频器，进而控制电机转速，最终实现优化喂料控制。优化的喂料系统简单方便、效果良好。
关键词：单片机；除杂系统；优化喂料；控制
中图分类号： S24；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0387-02
收稿日期：2013-11-20
基金项目：国家自然科学基金（编号：11242012）。
作者简介：张洪洲（1982—），男，吉林长春人，硕士，讲师，主要从事智能检测与控制、农业自动化与信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。作为我国长绒棉的主产区，新疆地区棉花种植中普遍采用的铺膜、地膜对农田造成了很严重的污染。近年来，新疆棉区棉花的采收基本都是使用采棉机，随着籽棉中混入的地膜等杂质含量的增加，棉花的质量受到了严重影响[1-2]。因此在棉花加工过程中的除杂工序尤为重要，在除杂清选过程中，喂料的控制直接影响到除杂清选的效率和质量。传统的喂料方式采用输送机恒速进料，没有达到自适应喂料的要求和优化控制[3-6]。为了提高机采棉除杂的效率，同时寻求一种简单、快速、稳定的优化喂料控制方法，本研究着重介绍一个新型的基于单片机的优化喂料控制系统，本系统对于改进现有的喂料方法和促进新疆地区机采棉除杂清选的技术进展有重要的意义。
1系统组成及工作原理
1.1设计思路
在机采棉除杂清选的过程中，常采用输送机进料，用转速很高的电机恒速运转，这样就会致使清选设备出现堵塞、清选效果不佳、能源的浪费等现象。因此可以通过对机采棉除杂设备的在线监控，根据实时信息来控制电机的转速，进而控制进料量，实现自适应控制，从而优化喂料的控制。本研究依据这些生产实践的经验和理论推导，利用单片机、变频器控制电机转速等原理[7-10]，设计了一个优化喂料的控制系统。
1.2工作原理与系统结构
本研究针对现有的机采棉除杂系统喂料的特点与国家节能减排的要求，提出了一种以单片机为核心的优化喂料控制系统的设计方案。该系统主要由在线监控模块、计算机、总线、单片机、模拟信号调试模块、变频器控制模块、速显模块等部分组成，系统结构框架见图1。系统启动时，单片机程序初始化，电机低速运转并缓满加速，输送带将机采棉送至喂料口；计算机在线监测机采棉的除杂状态，并将采集来的状态信息作相应处理，再将该数据存入存储设备并作出相应的决策；计算机通过RS232总线协议将该决策指令发送到单片机，单片机接到指令后，即输出相应的数字信号，经数模转换后，通过放大调试将该模拟量输入变频器，从而控制电机的转速，同时将电机的转速等信息在显示屏上显示出来。
2系统单元设计
2.1状态信息监测部分
状态信息监测部分主要由计算机、状态信息采集装置、数据存储器组成。先用高速摄像头连续采集机采棉除杂状态信息，经计算机处理后，将信息存储；同时计算机将处理后的信息数据送入单片机，单片机作出相应的决策。
2.2决策与执行部分
决策与执行单元主要由单片机、数模转换模块、电机转速控制模块、显示模块等组成。工作时，单片机接收计算机发送来的数据，并根据此数据进行查表，输出相应的数据量；经数模转换再放大至0～10 V范围，送入变频器模拟量输入端子，变频器控制电机的转速，同时显示电机转速。
单片机（MCU）选用51系列STC89C52RD，双排直插式封装，8 kB的flash、512 B的RAM、2 kB的内部程序存储器即能满足控制的需要[3]。变频器选用泰科GT3000系列，型号为G4T0015。电机选用通用型三相异步电机，供电电压380 V，功率1.5 kW，采用星型接法。显示模块采用4位共阳数码显示。
3软件及参数设计与分析
在Keil软件下，采用汇编语言编程实现单片机的所有控制决策命令，生成.Hex文件烧录到单片机中。图2为单片机程序流程图。
泰科GT3000变频器有9种频率通道供选择，在本设计中选用无级调速方式控制电机的转速。相关参数设定见表1。
参数号参数名称设定值P0.01频率给定通道选择VIP0.04运行方向设定正转P0.08电机的额定电压380 VP0.13加速方式选择曲线加减速P0.16加减速时间3 sP0.19上限频率50 HzP0.20下限频率0 HzP0.30电机的额定功率1.5 kWP0.31电机的额定速度1 440 r/minP0.32电机的额定功率因数0.95
通过编程自适应控制电机的缓停缓启、快停快启、稳定加速、由快到慢、由慢到快等功能。在本试验中，输送机喂料平稳，精度高，效果良好。
4结论
本研究设计的优化喂料控制系统结构简单，可用性强，系统稳定性、可靠性高，实现了电机的无级调速自适应控制，进而达到优化喂料的效果，可以为后续的研究提供可行性参考。
参考文献：
[1]田新椿，赵勇生. 对支持新疆棉花产业发展的思考[J]. 农业发展与金融，2011（12）：69-70.
[2]张若宇，坎杂，江英兰，等. 农业机器人在新疆兵团农业生产中的应用前瞻[J]. 农机化研究，2006（9）：29-32.
[3]张鑫. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.
[4]乔东凯. 基于PLC和变频器控制异步电动机转速的研究[J]. 机械与电子，2008（7）：71-72，80.
[5]冯和平，赖华，梁菲玲. 基于变频器的主轴控制系统设计[J]. 云南大学学报：自然科学版，2009，31（增刊2）：288-290.
[6]王丽萍. 交流电机调速方法[J]. 机械管理开发，2009，24（4）：40-41.
[7]胡玉红. 异步电机交流调速技术应用研究与发展[J]. 科技风，2009（4）：77.
[8]苟加志，包明. 浅谈电机调速技术[J]. 渝州大学学报：自然科学版，2001，18（3）：72-75.
[9]朱世钊. 电机调速系统的最优PID控制参数方法[J]. 桂林电子科技大学学报，2009，29（1）：30-34.
[10]景晓渝. 交流调速控制综述[J]. 硅谷，2011（23）：11-12.
摘要：随着新疆南疆地区机采棉除杂系统自动化的发展，传统的喂料方法已经不能满足农业设备自动化发展的需要，因此研究设计了一种基于单片机的机采棉除杂系统的优化喂料装置。喂料系统主要由图像采集设备、数据传输装置、数据处理、决策部件、放大电路、电机变频调速等部分组成，主要原理是通过调节电压量来控制变频器，进而控制电机转速，最终实现优化喂料控制。优化的喂料系统简单方便、效果良好。
关键词：单片机；除杂系统；优化喂料；控制
中图分类号： S24；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0387-02
收稿日期：2013-11-20
基金项目：国家自然科学基金（编号：11242012）。
作者简介：张洪洲（1982—），男，吉林长春人，硕士，讲师，主要从事智能检测与控制、农业自动化与信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。作为我国长绒棉的主产区，新疆地区棉花种植中普遍采用的铺膜、地膜对农田造成了很严重的污染。近年来，新疆棉区棉花的采收基本都是使用采棉机，随着籽棉中混入的地膜等杂质含量的增加，棉花的质量受到了严重影响[1-2]。因此在棉花加工过程中的除杂工序尤为重要，在除杂清选过程中，喂料的控制直接影响到除杂清选的效率和质量。传统的喂料方式采用输送机恒速进料，没有达到自适应喂料的要求和优化控制[3-6]。为了提高机采棉除杂的效率，同时寻求一种简单、快速、稳定的优化喂料控制方法，本研究着重介绍一个新型的基于单片机的优化喂料控制系统，本系统对于改进现有的喂料方法和促进新疆地区机采棉除杂清选的技术进展有重要的意义。
1系统组成及工作原理
1.1设计思路
在机采棉除杂清选的过程中，常采用输送机进料，用转速很高的电机恒速运转，这样就会致使清选设备出现堵塞、清选效果不佳、能源的浪费等现象。因此可以通过对机采棉除杂设备的在线监控，根据实时信息来控制电机的转速，进而控制进料量，实现自适应控制，从而优化喂料的控制。本研究依据这些生产实践的经验和理论推导，利用单片机、变频器控制电机转速等原理[7-10]，设计了一个优化喂料的控制系统。
1.2工作原理与系统结构
本研究针对现有的机采棉除杂系统喂料的特点与国家节能减排的要求，提出了一种以单片机为核心的优化喂料控制系统的设计方案。该系统主要由在线监控模块、计算机、总线、单片机、模拟信号调试模块、变频器控制模块、速显模块等部分组成，系统结构框架见图1。系统启动时，单片机程序初始化，电机低速运转并缓满加速，输送带将机采棉送至喂料口；计算机在线监测机采棉的除杂状态，并将采集来的状态信息作相应处理，再将该数据存入存储设备并作出相应的决策；计算机通过RS232总线协议将该决策指令发送到单片机，单片机接到指令后，即输出相应的数字信号，经数模转换后，通过放大调试将该模拟量输入变频器，从而控制电机的转速，同时将电机的转速等信息在显示屏上显示出来。
2系统单元设计
2.1状态信息监测部分
状态信息监测部分主要由计算机、状态信息采集装置、数据存储器组成。先用高速摄像头连续采集机采棉除杂状态信息，经计算机处理后，将信息存储；同时计算机将处理后的信息数据送入单片机，单片机作出相应的决策。
2.2决策与执行部分
决策与执行单元主要由单片机、数模转换模块、电机转速控制模块、显示模块等组成。工作时，单片机接收计算机发送来的数据，并根据此数据进行查表，输出相应的数据量；经数模转换再放大至0～10 V范围，送入变频器模拟量输入端子，变频器控制电机的转速，同时显示电机转速。
单片机（MCU）选用51系列STC89C52RD，双排直插式封装，8 kB的flash、512 B的RAM、2 kB的内部程序存储器即能满足控制的需要[3]。变频器选用泰科GT3000系列，型号为G4T0015。电机选用通用型三相异步电机，供电电压380 V，功率1.5 kW，采用星型接法。显示模块采用4位共阳数码显示。
3软件及参数设计与分析
在Keil软件下，采用汇编语言编程实现单片机的所有控制决策命令，生成.Hex文件烧录到单片机中。图2为单片机程序流程图。
泰科GT3000变频器有9种频率通道供选择，在本设计中选用无级调速方式控制电机的转速。相关参数设定见表1。
参数号参数名称设定值P0.01频率给定通道选择VIP0.04运行方向设定正转P0.08电机的额定电压380 VP0.13加速方式选择曲线加减速P0.16加减速时间3 sP0.19上限频率50 HzP0.20下限频率0 HzP0.30电机的额定功率1.5 kWP0.31电机的额定速度1 440 r/minP0.32电机的额定功率因数0.95
通过编程自适应控制电机的缓停缓启、快停快启、稳定加速、由快到慢、由慢到快等功能。在本试验中，输送机喂料平稳，精度高，效果良好。
4结论
本研究设计的优化喂料控制系统结构简单，可用性强，系统稳定性、可靠性高，实现了电机的无级调速自适应控制，进而达到优化喂料的效果，可以为后续的研究提供可行性参考。
参考文献：
[1]田新椿，赵勇生. 对支持新疆棉花产业发展的思考[J]. 农业发展与金融，2011（12）：69-70.
[2]张若宇，坎杂，江英兰，等. 农业机器人在新疆兵团农业生产中的应用前瞻[J]. 农机化研究，2006（9）：29-32.
[3]张鑫. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.
[4]乔东凯. 基于PLC和变频器控制异步电动机转速的研究[J]. 机械与电子，2008（7）：71-72，80.
[5]冯和平，赖华，梁菲玲. 基于变频器的主轴控制系统设计[J]. 云南大学学报：自然科学版，2009，31（增刊2）：288-290.
[6]王丽萍. 交流电机调速方法[J]. 机械管理开发，2009，24（4）：40-41.
[7]胡玉红. 异步电机交流调速技术应用研究与发展[J]. 科技风，2009（4）：77.
[8]苟加志，包明. 浅谈电机调速技术[J]. 渝州大学学报：自然科学版，2001，18（3）：72-75.
[9]朱世钊. 电机调速系统的最优PID控制参数方法[J]. 桂林电子科技大学学报，2009，29（1）：30-34.
[10]景晓渝. 交流调速控制综述[J]. 硅谷，2011（23）：11-12.
摘要：随着新疆南疆地区机采棉除杂系统自动化的发展，传统的喂料方法已经不能满足农业设备自动化发展的需要，因此研究设计了一种基于单片机的机采棉除杂系统的优化喂料装置。喂料系统主要由图像采集设备、数据传输装置、数据处理、决策部件、放大电路、电机变频调速等部分组成，主要原理是通过调节电压量来控制变频器，进而控制电机转速，最终实现优化喂料控制。优化的喂料系统简单方便、效果良好。
关键词：单片机；除杂系统；优化喂料；控制
中图分类号： S24；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0387-02
收稿日期：2013-11-20
基金项目：国家自然科学基金（编号：11242012）。
作者简介：张洪洲（1982—），男，吉林长春人，硕士，讲师，主要从事智能检测与控制、农业自动化与信息化方面的研究。E-mail：309011160@qq.com。作为我国长绒棉的主产区，新疆地区棉花种植中普遍采用的铺膜、地膜对农田造成了很严重的污染。近年来，新疆棉区棉花的采收基本都是使用采棉机，随着籽棉中混入的地膜等杂质含量的增加，棉花的质量受到了严重影响[1-2]。因此在棉花加工过程中的除杂工序尤为重要，在除杂清选过程中，喂料的控制直接影响到除杂清选的效率和质量。传统的喂料方式采用输送机恒速进料，没有达到自适应喂料的要求和优化控制[3-6]。为了提高机采棉除杂的效率，同时寻求一种简单、快速、稳定的优化喂料控制方法，本研究着重介绍一个新型的基于单片机的优化喂料控制系统，本系统对于改进现有的喂料方法和促进新疆地区机采棉除杂清选的技术进展有重要的意义。
1系统组成及工作原理
1.1设计思路
在机采棉除杂清选的过程中，常采用输送机进料，用转速很高的电机恒速运转，这样就会致使清选设备出现堵塞、清选效果不佳、能源的浪费等现象。因此可以通过对机采棉除杂设备的在线监控，根据实时信息来控制电机的转速，进而控制进料量，实现自适应控制，从而优化喂料的控制。本研究依据这些生产实践的经验和理论推导，利用单片机、变频器控制电机转速等原理[7-10]，设计了一个优化喂料的控制系统。
1.2工作原理与系统结构
本研究针对现有的机采棉除杂系统喂料的特点与国家节能减排的要求，提出了一种以单片机为核心的优化喂料控制系统的设计方案。该系统主要由在线监控模块、计算机、总线、单片机、模拟信号调试模块、变频器控制模块、速显模块等部分组成，系统结构框架见图1。系统启动时，单片机程序初始化，电机低速运转并缓满加速，输送带将机采棉送至喂料口；计算机在线监测机采棉的除杂状态，并将采集来的状态信息作相应处理，再将该数据存入存储设备并作出相应的决策；计算机通过RS232总线协议将该决策指令发送到单片机，单片机接到指令后，即输出相应的数字信号，经数模转换后，通过放大调试将该模拟量输入变频器，从而控制电机的转速，同时将电机的转速等信息在显示屏上显示出来。
2系统单元设计
2.1状态信息监测部分
状态信息监测部分主要由计算机、状态信息采集装置、数据存储器组成。先用高速摄像头连续采集机采棉除杂状态信息，经计算机处理后，将信息存储；同时计算机将处理后的信息数据送入单片机，单片机作出相应的决策。
2.2决策与执行部分
决策与执行单元主要由单片机、数模转换模块、电机转速控制模块、显示模块等组成。工作时，单片机接收计算机发送来的数据，并根据此数据进行查表，输出相应的数据量；经数模转换再放大至0～10 V范围，送入变频器模拟量输入端子，变频器控制电机的转速，同时显示电机转速。
单片机（MCU）选用51系列STC89C52RD，双排直插式封装，8 kB的flash、512 B的RAM、2 kB的内部程序存储器即能满足控制的需要[3]。变频器选用泰科GT3000系列，型号为G4T0015。电机选用通用型三相异步电机，供电电压380 V，功率1.5 kW，采用星型接法。显示模块采用4位共阳数码显示。
3软件及参数设计与分析
在Keil软件下，采用汇编语言编程实现单片机的所有控制决策命令，生成.Hex文件烧录到单片机中。图2为单片机程序流程图。
泰科GT3000变频器有9种频率通道供选择，在本设计中选用无级调速方式控制电机的转速。相关参数设定见表1。
参数号参数名称设定值P0.01频率给定通道选择VIP0.04运行方向设定正转P0.08电机的额定电压380 VP0.13加速方式选择曲线加减速P0.16加减速时间3 sP0.19上限频率50 HzP0.20下限频率0 HzP0.30电机的额定功率1.5 kWP0.31电机的额定速度1 440 r/minP0.32电机的额定功率因数0.95
通过编程自适应控制电机的缓停缓启、快停快启、稳定加速、由快到慢、由慢到快等功能。在本试验中，输送机喂料平稳，精度高，效果良好。
4结论
本研究设计的优化喂料控制系统结构简单，可用性强，系统稳定性、可靠性高，实现了电机的无级调速自适应控制，进而达到优化喂料的效果，可以为后续的研究提供可行性参考。
参考文献：
[1]田新椿，赵勇生. 对支持新疆棉花产业发展的思考[J]. 农业发展与金融，2011（12）：69-70.
[2]张若宇，坎杂，江英兰，等. 农业机器人在新疆兵团农业生产中的应用前瞻[J]. 农机化研究，2006（9）：29-32.
[3]张鑫. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.
[4]乔东凯. 基于PLC和变频器控制异步电动机转速的研究[J]. 机械与电子，2008（7）：71-72，80.
[5]冯和平，赖华，梁菲玲. 基于变频器的主轴控制系统设计[J]. 云南大学学报：自然科学版，2009，31（增刊2）：288-290.
[6]王丽萍. 交流电机调速方法[J]. 机械管理开发，2009，24（4）：40-41.
[7]胡玉红. 异步电机交流调速技术应用研究与发展[J]. 科技风，2009（4）：77.
[8]苟加志，包明. 浅谈电机调速技术[J]. 渝州大学学报：自然科学版，2001，18（3）：72-75.
[9]朱世钊. 电机调速系统的最优PID控制参数方法[J]. 桂林电子科技大学学报，2009，29（1）：30-34.
[10]景晓渝. 交流调速控制综述[J]. 硅谷，2011（23）：11-12.
