基于单片机的芒果智能分拣系统优化设计

张力文（攀枝花学院机械工程学院，四川攀枝花，617000）

基于单片机的芒果智能分拣系统优化设计

张力文
（攀枝花学院机械工程学院，四川攀枝花，617000）

通过对芒果自动分拣设备功能需求、工序流程等方面的分析，设计了芒果自动分拣设备，建立了集传感器-单片机-驱动电机为一体的测控系统，实现了机电一体化技术原理及方法在小型农机自动化设备上的优化设计。针对芒果分拣设备智能化、便携化、成本低等要求，优化机械结构设计，并对进行测试实验，达到较为理想的预期效果。

优化设计；智能分拣；单片机；芒果

0 引言

采收后对芒果按大小、重量快速分拣，分级定价是果农脱贫增收的有效途径。攀枝花地区2016年芒果种植面积达30.6万亩，产量8.2万吨，产值预估超过6.2亿元。但由于芒果新鲜度十分重要，人工分拣耗时耗力，芒果的商品化处理率不到10%，大多不经分类就直接上市销售，品质良莠不齐。果农无论芒果品质好坏，只能以均价销售，损失惨重，甚至频频出现“劣币驱逐良币”的情境，高品质芒果市场一片空白，芒果产业的发展受到严重制约。

使用芒果分拣技术，可快速实现芒果优选与分级，打造攀枝花精品芒果品牌，拓宽销售渠道，提高攀枝花芒果品牌在省内外的市场竞争力，有效促进攀枝花本地果农增收致富。随着农业机械自动化技术的不断发展和广泛应用，研制芒果智能分拣设备在农村脱贫道路中得到了重视，果农增收致富局面指日可待。

目前，芒果智能分拣方式主要有以下两种。

（1）果农手工分拣

个体果农一般采用手工方式分拣芒果。长时间集中分选相似重量的芒果后，人工分选的效率极其低下，时常因为分拣时间过长损害芒果品质。手工分选严重依赖工人的自我判断，不同工人，甚至同一工人在不同时间，不同身体状态下所挑选的芒果均有较大差别，更加无法在芒果大小、质量、品种、等级方面做到科学化、标准化。与此同时，人力资源成本的不断上涨让此种分拣方式愈加不适应目前的市场经济。

（2）大型分拣流水线

目前已有的分拣装置多为大型机械自动化设备，适用于大型芒果分选工厂，设备价格昂贵，每台设备在3~10万元不等，一般果农无法承受。同时，大型分拣设备在分拣本地芒果时往往“水土不服”，伤果现象严重，分拣效果并不理想。

综上所述，需要从攀枝花地区实际情况出发，优化设计出一种新型的芒果智能分拣设备，降低人工成本，改善分拣效率和准确度。本文通过对芒果自动分拣设备功能需求、工序流程等方面的分析，设计了芒果自动分拣设备，建立了集传感器-单片机-驱动电机为一体的测控系统，实现了机电一体化技术原理及方法在小型农机自动化设备上的优化设计。

1 自动分拣系统方案设计

芒果智能分拣系统包括漏斗式自动上料部件、自适应调速传送、芒果智能分隔、智能称重模块、数据控制系统模块、伺服电机系统模块、分拣拨杆判别系统等7个流程，分别对应于7个系统设计模块。

分拣系统的总功能为实现芒果的重量、品质等级区分。芒果分拣系统创新设计的任务是根据农村合作社分拣任务的实际操作要求而提出的，该设备主要功能是完善及优化芒果分拣的快速高效，主要实现将芒果的品种、重量、质量区分成市场所需规格，属于完成动作功能的加工类机械产品。

2 芒果智能分拣设备的测控系统设计

针对芒果智能分拣设备的控制系统设计要求，以STC89C51单片机为核心，设计上料漏斗振动、压力传感器称重、自适应调速传送、拨杆分拣判别的控制电路，能够实现上料、称重、传送、分拣判别等功能，使设备的整个分拣过程有序、智能进行。

2.1 测控系统硬件总体设计

该设备自动控制及动力源系统采用MCU微处理器的系统控制电路，实现设备各功能模块的协调运行，设计方案如图1所示。测控系统硬件主要涉及五个方面：上料漏斗振动系统控制、自适应调速控制、传感器称重系统控制、拨杆智能判别系统控制、电源系统。通过编写控制系统软件，完成芒果智能分拣所需的工序流程。MCU微处理器通过串口方式接收上位机的工作指令，指令内容包括上料、传送、称重、分级等。MCU微处理器依照工作指令控制各模块有序工作，并通过串口将系统状态反馈至上位机。

图1 控制系统结构框图

2.2 拨杆智能判别系统

拨杆判别控制系统是分拣设备能否高效、准确分选芒果等级的关键，该系统由传感器测试模块、信号调理模块、数据处理模块、电源电路模块、步进电机模块组成，电气控制总体

方案如图2所示。

图2 电气控制总体方案

该系统研究涉及信号调理模块、电源电路模块、步进电机控制模块等几部分，其中信号调理模块和步进电机控制模块构成了拨杆智能判别系统的关键组成。

（1）信号调理模块

信号调理模块包含传感器数据传输电路设计、传感器信号的放大调理电路设计、数字信号与模拟信号的转换电路设计。信号采集部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号，而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。CPU对数据进行处理并且做出相应的判断，进而控制步进电机的旋转。

数据转换分为采样和幅度量化两阶段过程，数据转换处理流程如图3所示。

图3 数据转换处理流程图

（2）步进电机控制模块

拨杆智能判别系统对芒果分选的效果取决于步进电机的控制精度，本文采用7TPSM4210步进电机驱动器、以及42步进电机一体化装置驱动分选拨杆，其驱动方式为恒相电流PWM控制，可兼容3.3V-5V和12V-24V用户级。

如图4所示，本文采用的步进电机驱动电路由STC89C51单片机、7TPSM4210步进电机驱动器组成。以7TPSM4210步进电机驱动器为核心控制元件，利用创新性恒相电流PWM控制，实现对42步进电机一体化装置的精度控制。

图4 步进电机驱动电路框图

3 芒果智能分拣设备的机械结构设计

该装置包括农产品自动上料装置、农产品智能分隔装置、运料传送通道、称重模块、农产品等级分拣模块、防振装置、防伤果模块等工序流程，总体机械结构设计依照工序流程进行设计，总体机械结构方案如图5所示。

图5 机械结构方案图

分拣设备机械机构系统设计优化主要表现在传感器-电气控制系统称重结构和漏斗式振动上料结构两个方面。其一，传感器-电气控制系统称重结构，可以改善人工称重的高成本、低效率、低准确度问题，从图6中可以看出该装置传感器-电气控制系统称重部分的大体结构。

图6 机械结构主视图

其二，漏斗式振动上料结构，一方面漏斗式结构可改善现有大型分拣设备尺寸不合理、结构刚度强、对农产品损伤大的缺陷，另一方面振动型设计避免农产品上料堆积问题，实现高效上料流程。从机械结构俯视图中可以看出，该装置中漏斗振动自动上料主要机械结构设计，如下图7所示。

图7 机械结构俯视图

4 对比仿真性能试验

本文智能分拣设备性能试验主要从设备成本和分拣效率两该分布式系统通过主、从站的形式实现。从站实时采集设备终端信息，并通过现场总线上报给PLC主站。主站对实时采集的数据进行处理，将信息通过网络上报给远程控制中心并且通过现场总线给从站下达指令，进而实现对现场设备的控制。另外通过本地人机接口和远程控制中心，可对自动化监控系统的系统参数进行设置，同时监控整个系统的运行状态。

3.2 硬件组态

该自动化监控系统采用西门子PLC S7-300作为主站控制器，ET200S作为从站，触摸屏作为人机接口。另外，该系统的现场总线采用PROFIBUS DP总线网络结构，实现分布式采集和集中式处理。

主站是主控单元，实现自动化监控系统的系统控制功能，包括自动化运行、保护与报警等。从站的功能为采集现场数据，并执行主站控制器的命令驱动执行机构动作。

3.3 软件设计

控制系统软件程序采用西门子的Step 7软件进行设计。该程序采用梯形图语言，进行模块化的设计。该程序主要由以下功能模块：（1）自动控制模块；（2）数据采集模块；（3）系统设置模块；（4）保护与报警模块；（5）数据通信模块。

4 结论

箱式整流变电站自动化监控系统实时监控变电站的运行状态，对故障进行报警并记录，自动进行保护动作，提高了箱式整流变电站和维护的安全性和可靠性。集成该自动化监控系统的箱式整流变电站已在青岛公交公司投入运行，运行状态良好。

[1]周伟平, 姜华. 公交电车公司整流站电气控制网络系统[J].佳木斯大学学报, 2001,03: 78-80.

[2]梁宇宏, 杨炼条. 基于现场总线技术的变电站综合自动化系统[J]. 广东电力, 2000.04: 28-31,50.

[3]徐艳松, 朱联联, 王玉博, 张向前, 牛松森. 变电站综合自动化监控系统网络设计及应用[J]. 电器工业, 2014,10: 67-74.

Optimization design of mango intelligent sorting system based on MCU

Zhang Liwen
（School of mechanical engineering, Panzhihua University, Panzhihua Sichuan, 617000）

through the analysis of the mango automatic sorting equipment functional requirements, processes and other aspects of the design, the mango automatic sorting equipment, the establishment of a set of control system sensor - SCM - drive motor as a whole, realize the optimization design in the automation equipment of small agricultural machine on the principle and method of electromechanical integration technology. In order to meet the requirements of intelligent, portable and low cost, the mechanical structure design is optimized, and the test results are achieved.

optimization design; intelligent sorting; SCM; mango