机采棉荷电系统优化控制
2014-09-02张洪洲张风旗张亚江等
张洪洲 张风旗 张亚江等
摘要：针对采用静电方法清选机采棉过程中机采棉荷电不均匀、荷电效果不佳等现实问题，设计了一种基于单片机控制的机采棉荷电系统。通过软件编程分别实现了静电输出电压缓慢和快速达到设定的最大阈值的控制转换。结果表明，静电输出电压缓慢地达到设定的最大阈值比快速地达到最大阈值的荷电效果好，有利于保证棉花的品质；系统平稳，效果良好。
关键词：机采棉；荷电；优化控制；静电
中图分类号： S126；S225.91+1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0409-02
收稿日期：2013-11-23
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。机采籽棉中含有地膜、三丝、残壳和粉尘等杂质[1-5]。新疆南部地处沙漠，受沙尘等环境因素影响，机采棉中杂质含量相对较高。棉花中混入杂质不仅影响棉农收益，也对棉花深加工造成了很大的影响，对棉纺织企业造成了巨大的经济损失[6-8]。目前，国内外棉花清选主要采用机器视觉技术、机械气流原理和静电分离方法[7-10]。机器视觉技术利用数码相机对异性纤维进行检测，再利用高速空气流将异性纤维吹出，以达到清选的效果。静电分离方法主要是针对剔除籽棉中的地膜，是将机采棉在高压电场下进行荷电，使机采棉带上电荷，根据带电荷的差异实现清选[10]；但这种方法在荷电过程中会出现荷电不均匀、荷电效果不佳等问题，直接影响清选效果。为了提高静电分离法除杂的效率，寻求一种简单、实用的荷电方法，本研究着重介绍一种采用单片机控制的机采棉荷电优化控制系统，对改进现有的荷电方法和促进静电分离法机采棉除杂清选的发展有重要的意义。
1系统构成及工作原理
1.1设计思想
将机采棉放入荷电箱体，箱体的4个竖棱内侧装有静电棒，4个静电棒并联接在静电发生装置输出口，通过对输出电压的控制，进而实现对静电棒作用距离的控制。依据以上分析和推导，利用单片机、改装的静电发生装置设计一个荷电优化控制系统。
1.2工作原理与系统结构
针对现有的机采棉静电分离方法清选的特点，提出了一种以单片机为核心的机采棉荷电控制系统设计的方案，该系统由荷电箱、静电棒、静电发生装置、单片机、数模转换、键盘、显示模块、信号放大模块等部分组成（图1）。启动时，单片机程序初始化，静电发生器输出电压为0 V，静电棒不释放电荷，由键盘输入静电发生器最大输出电压，自动步进电压值，步进时间间隔；单片机根据设定的值做出相应的决策，输出相应的数字信号，经数模转换，再经放大处理后，使控制信号达到静电发生器匹配的输入量，最后静电发生器输出相应的高压，并在发生器上显示出实际输出的高压值；同时在单片机控制部分的实时显示屏上显示出高压的理论值。
2系统设计
2.1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、信号放大模块、显示模块、静电发生器等组成。工作时，处理器接收由键盘键入的阈值、步进电压值、步进时间间隔等数据，根据接收来的数据进行换算，做出决策，输出相应的数字量；该数字信号经数模转换再放大至0～12 V范围，送入静电发生器模拟量输入端口，静电发生器产生1 ∶5 000的高压信号；同时显示出预设值和实际值。
静电发生装置由BM101型静电器改装而成。BM101型静电器的静电棒能够产生+/-离子，其装置有一根坚固的器棒裹着离子针，并连接高压电源，当电压达到或高于4 kV，它会令静电棒周围空气充满离子，电压越高，有效范围越大，输出正或负的高压电幅值可达25 kV，并且可连续调节输出大小。通过静电产生棒产生大量的带有正或负电荷的气团，由于同性电荷相斥，这些电荷气团会向四周扩散，引起与之相近的物体带电。通过增加内部充放电电容，使静电发生装置的输出电压幅值达到60 kV。将原有的电位器调节输出电压方式改为单片机控制的数控可调方式。
单片机（MCU）选用51系列STC89C54RD，内部有 8 KB 的flash、512 B的RAM、2 KB的ROM，能够满足控制的需要[11]。显示模块采用2×16位LCD1602液晶显示。
2.2软件设计
用Proteus软件进行仿真，实现控制系统的各项功能，反复调试，直至各参数达到理想值为止。
4结论
本研究设计的机采棉荷电控制系统稳定性强、易于控制；步进电压和阈值电压可以自行设定，可选性强；可以根据需要选择相应的参数组合，进而实现荷电的优化；为静电分离法清选机采棉的研究提供了一个可行性参考。
参考文献：
[1]王吉奎，付威，王卫兵，等. SMS-1500型秸秆粉碎与残膜回收机的设计[J]. 农业工程学报，2011，27（7）：168-172.
[2]张学军，吴成武，王旭东，等. 残膜分离筛机构的运动仿真与分析[J]. 农业工程学报，2007，23（7）：113-116.
[3]赵海军，史建新. 残膜回收工艺探讨[J]. 中国农机化，2004（6）：68-71.
[4]郏东耀，丁天怀. 棉花中异性纤维的多光谱检测[J]. 清华大学学报：自然科学版，2005，45（2）：193-196.
[5]瞿鑫，丁天怀. 皮棉中异性纤维骨架快速提取算法[J]. 农业机械学报，2010，41（6）：177-181.
[6]张馨，李道亮，杨文柱，等. 高分辨率棉花异性纤维彩色图像的快速分割方法[J]. 农业机械学报，2011，42（1）：159-164，192.
[7]汪海涛，朱邦太，李勋. 基于机器视觉的棉纺异纤清除系统[J]. 河南科技大学学报：自然科学版，2009，3（1）：14-17，110.
[8]李碧丹，丁天怀，郏东耀. 皮棉异性纤维剔除系统设计[J]. 农业机械学报，2006，37（1）：107-110.
[9]郭俊先，应义斌，成芳，等. 皮棉表面多类异性纤维的高光谱图像检测[J]. 农业工程学报，2010，26（10）：355-360.
[10]郭淑霞，坎杂，张若宇，等. 机采籽棉残膜静电分离装置分离试验[J]. 农业工程学报，2011，27（增刊）：6-10.
[11]张鑫. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.endprint
摘要：针对采用静电方法清选机采棉过程中机采棉荷电不均匀、荷电效果不佳等现实问题，设计了一种基于单片机控制的机采棉荷电系统。通过软件编程分别实现了静电输出电压缓慢和快速达到设定的最大阈值的控制转换。结果表明，静电输出电压缓慢地达到设定的最大阈值比快速地达到最大阈值的荷电效果好，有利于保证棉花的品质；系统平稳，效果良好。
关键词：机采棉；荷电；优化控制；静电
中图分类号： S126；S225.91+1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0409-02
收稿日期：2013-11-23
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。机采籽棉中含有地膜、三丝、残壳和粉尘等杂质[1-5]。新疆南部地处沙漠，受沙尘等环境因素影响，机采棉中杂质含量相对较高。棉花中混入杂质不仅影响棉农收益，也对棉花深加工造成了很大的影响，对棉纺织企业造成了巨大的经济损失[6-8]。目前，国内外棉花清选主要采用机器视觉技术、机械气流原理和静电分离方法[7-10]。机器视觉技术利用数码相机对异性纤维进行检测，再利用高速空气流将异性纤维吹出，以达到清选的效果。静电分离方法主要是针对剔除籽棉中的地膜，是将机采棉在高压电场下进行荷电，使机采棉带上电荷，根据带电荷的差异实现清选[10]；但这种方法在荷电过程中会出现荷电不均匀、荷电效果不佳等问题，直接影响清选效果。为了提高静电分离法除杂的效率，寻求一种简单、实用的荷电方法，本研究着重介绍一种采用单片机控制的机采棉荷电优化控制系统，对改进现有的荷电方法和促进静电分离法机采棉除杂清选的发展有重要的意义。
1系统构成及工作原理
1.1设计思想
将机采棉放入荷电箱体，箱体的4个竖棱内侧装有静电棒，4个静电棒并联接在静电发生装置输出口，通过对输出电压的控制，进而实现对静电棒作用距离的控制。依据以上分析和推导，利用单片机、改装的静电发生装置设计一个荷电优化控制系统。
1.2工作原理与系统结构
针对现有的机采棉静电分离方法清选的特点，提出了一种以单片机为核心的机采棉荷电控制系统设计的方案，该系统由荷电箱、静电棒、静电发生装置、单片机、数模转换、键盘、显示模块、信号放大模块等部分组成（图1）。启动时，单片机程序初始化，静电发生器输出电压为0 V，静电棒不释放电荷，由键盘输入静电发生器最大输出电压，自动步进电压值，步进时间间隔；单片机根据设定的值做出相应的决策，输出相应的数字信号，经数模转换，再经放大处理后，使控制信号达到静电发生器匹配的输入量，最后静电发生器输出相应的高压，并在发生器上显示出实际输出的高压值；同时在单片机控制部分的实时显示屏上显示出高压的理论值。
2系统设计
2.1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、信号放大模块、显示模块、静电发生器等组成。工作时，处理器接收由键盘键入的阈值、步进电压值、步进时间间隔等数据，根据接收来的数据进行换算，做出决策，输出相应的数字量；该数字信号经数模转换再放大至0～12 V范围，送入静电发生器模拟量输入端口，静电发生器产生1 ∶5 000的高压信号；同时显示出预设值和实际值。
静电发生装置由BM101型静电器改装而成。BM101型静电器的静电棒能够产生+/-离子，其装置有一根坚固的器棒裹着离子针，并连接高压电源，当电压达到或高于4 kV，它会令静电棒周围空气充满离子，电压越高，有效范围越大，输出正或负的高压电幅值可达25 kV，并且可连续调节输出大小。通过静电产生棒产生大量的带有正或负电荷的气团，由于同性电荷相斥，这些电荷气团会向四周扩散，引起与之相近的物体带电。通过增加内部充放电电容，使静电发生装置的输出电压幅值达到60 kV。将原有的电位器调节输出电压方式改为单片机控制的数控可调方式。
单片机（MCU）选用51系列STC89C54RD，内部有 8 KB 的flash、512 B的RAM、2 KB的ROM，能够满足控制的需要[11]。显示模块采用2×16位LCD1602液晶显示。
2.2软件设计
用Proteus软件进行仿真，实现控制系统的各项功能，反复调试，直至各参数达到理想值为止。
4结论
本研究设计的机采棉荷电控制系统稳定性强、易于控制；步进电压和阈值电压可以自行设定，可选性强；可以根据需要选择相应的参数组合，进而实现荷电的优化；为静电分离法清选机采棉的研究提供了一个可行性参考。
参考文献：
[1]王吉奎，付威，王卫兵，等. SMS-1500型秸秆粉碎与残膜回收机的设计[J]. 农业工程学报，2011，27（7）：168-172.
[2]张学军，吴成武，王旭东，等. 残膜分离筛机构的运动仿真与分析[J]. 农业工程学报，2007，23（7）：113-116.
[3]赵海军，史建新. 残膜回收工艺探讨[J]. 中国农机化，2004（6）：68-71.
[4]郏东耀，丁天怀. 棉花中异性纤维的多光谱检测[J]. 清华大学学报：自然科学版，2005，45（2）：193-196.
[5]瞿鑫，丁天怀. 皮棉中异性纤维骨架快速提取算法[J]. 农业机械学报，2010，41（6）：177-181.
[6]张馨，李道亮，杨文柱，等. 高分辨率棉花异性纤维彩色图像的快速分割方法[J]. 农业机械学报，2011，42（1）：159-164，192.
[7]汪海涛，朱邦太，李勋. 基于机器视觉的棉纺异纤清除系统[J]. 河南科技大学学报：自然科学版，2009，3（1）：14-17，110.
[8]李碧丹，丁天怀，郏东耀. 皮棉异性纤维剔除系统设计[J]. 农业机械学报，2006，37（1）：107-110.
[9]郭俊先，应义斌，成芳，等. 皮棉表面多类异性纤维的高光谱图像检测[J]. 农业工程学报，2010，26（10）：355-360.
[10]郭淑霞，坎杂，张若宇，等. 机采籽棉残膜静电分离装置分离试验[J]. 农业工程学报，2011，27（增刊）：6-10.
[11]张鑫. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.endprint
摘要：针对采用静电方法清选机采棉过程中机采棉荷电不均匀、荷电效果不佳等现实问题，设计了一种基于单片机控制的机采棉荷电系统。通过软件编程分别实现了静电输出电压缓慢和快速达到设定的最大阈值的控制转换。结果表明，静电输出电压缓慢地达到设定的最大阈值比快速地达到最大阈值的荷电效果好，有利于保证棉花的品质；系统平稳，效果良好。
关键词：机采棉；荷电；优化控制；静电
中图分类号： S126；S225.91+1 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0409-02
收稿日期：2013-11-23
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。机采籽棉中含有地膜、三丝、残壳和粉尘等杂质[1-5]。新疆南部地处沙漠，受沙尘等环境因素影响，机采棉中杂质含量相对较高。棉花中混入杂质不仅影响棉农收益，也对棉花深加工造成了很大的影响，对棉纺织企业造成了巨大的经济损失[6-8]。目前，国内外棉花清选主要采用机器视觉技术、机械气流原理和静电分离方法[7-10]。机器视觉技术利用数码相机对异性纤维进行检测，再利用高速空气流将异性纤维吹出，以达到清选的效果。静电分离方法主要是针对剔除籽棉中的地膜，是将机采棉在高压电场下进行荷电，使机采棉带上电荷，根据带电荷的差异实现清选[10]；但这种方法在荷电过程中会出现荷电不均匀、荷电效果不佳等问题，直接影响清选效果。为了提高静电分离法除杂的效率，寻求一种简单、实用的荷电方法，本研究着重介绍一种采用单片机控制的机采棉荷电优化控制系统，对改进现有的荷电方法和促进静电分离法机采棉除杂清选的发展有重要的意义。
1系统构成及工作原理
1.1设计思想
将机采棉放入荷电箱体，箱体的4个竖棱内侧装有静电棒，4个静电棒并联接在静电发生装置输出口，通过对输出电压的控制，进而实现对静电棒作用距离的控制。依据以上分析和推导，利用单片机、改装的静电发生装置设计一个荷电优化控制系统。
1.2工作原理与系统结构
针对现有的机采棉静电分离方法清选的特点，提出了一种以单片机为核心的机采棉荷电控制系统设计的方案，该系统由荷电箱、静电棒、静电发生装置、单片机、数模转换、键盘、显示模块、信号放大模块等部分组成（图1）。启动时，单片机程序初始化，静电发生器输出电压为0 V，静电棒不释放电荷，由键盘输入静电发生器最大输出电压，自动步进电压值，步进时间间隔；单片机根据设定的值做出相应的决策，输出相应的数字信号，经数模转换，再经放大处理后，使控制信号达到静电发生器匹配的输入量，最后静电发生器输出相应的高压，并在发生器上显示出实际输出的高压值；同时在单片机控制部分的实时显示屏上显示出高压的理论值。
2系统设计
2.1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、信号放大模块、显示模块、静电发生器等组成。工作时，处理器接收由键盘键入的阈值、步进电压值、步进时间间隔等数据，根据接收来的数据进行换算，做出决策，输出相应的数字量；该数字信号经数模转换再放大至0～12 V范围，送入静电发生器模拟量输入端口，静电发生器产生1 ∶5 000的高压信号；同时显示出预设值和实际值。
静电发生装置由BM101型静电器改装而成。BM101型静电器的静电棒能够产生+/-离子，其装置有一根坚固的器棒裹着离子针，并连接高压电源，当电压达到或高于4 kV，它会令静电棒周围空气充满离子，电压越高，有效范围越大，输出正或负的高压电幅值可达25 kV，并且可连续调节输出大小。通过静电产生棒产生大量的带有正或负电荷的气团，由于同性电荷相斥，这些电荷气团会向四周扩散，引起与之相近的物体带电。通过增加内部充放电电容，使静电发生装置的输出电压幅值达到60 kV。将原有的电位器调节输出电压方式改为单片机控制的数控可调方式。
单片机（MCU）选用51系列STC89C54RD，内部有 8 KB 的flash、512 B的RAM、2 KB的ROM，能够满足控制的需要[11]。显示模块采用2×16位LCD1602液晶显示。
2.2软件设计
用Proteus软件进行仿真，实现控制系统的各项功能，反复调试，直至各参数达到理想值为止。
4结论
本研究设计的机采棉荷电控制系统稳定性强、易于控制；步进电压和阈值电压可以自行设定，可选性强；可以根据需要选择相应的参数组合，进而实现荷电的优化；为静电分离法清选机采棉的研究提供了一个可行性参考。
参考文献：
[1]王吉奎，付威，王卫兵，等. SMS-1500型秸秆粉碎与残膜回收机的设计[J]. 农业工程学报，2011，27（7）：168-172.
[2]张学军，吴成武，王旭东，等. 残膜分离筛机构的运动仿真与分析[J]. 农业工程学报，2007，23（7）：113-116.
[3]赵海军，史建新. 残膜回收工艺探讨[J]. 中国农机化，2004（6）：68-71.
[4]郏东耀，丁天怀. 棉花中异性纤维的多光谱检测[J]. 清华大学学报：自然科学版，2005，45（2）：193-196.
[5]瞿鑫，丁天怀. 皮棉中异性纤维骨架快速提取算法[J]. 农业机械学报，2010，41（6）：177-181.
[6]张馨，李道亮，杨文柱，等. 高分辨率棉花异性纤维彩色图像的快速分割方法[J]. 农业机械学报，2011，42（1）：159-164，192.
[7]汪海涛，朱邦太，李勋. 基于机器视觉的棉纺异纤清除系统[J]. 河南科技大学学报：自然科学版，2009，3（1）：14-17，110.
[8]李碧丹，丁天怀，郏东耀. 皮棉异性纤维剔除系统设计[J]. 农业机械学报，2006，37（1）：107-110.
[9]郭俊先，应义斌，成芳，等. 皮棉表面多类异性纤维的高光谱图像检测[J]. 农业工程学报，2010，26（10）：355-360.
[10]郭淑霞，坎杂，张若宇，等. 机采籽棉残膜静电分离装置分离试验[J]. 农业工程学报，2011，27（增刊）：6-10.
[11]张鑫. 单片机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.endprint
