基于XS128单片机控制的蜂蜜采集系统研制

郭志远，邢 进，姜继瑜

（滨州学院 机电工程学院，山东 滨州 256603）

0 引 言

我国的蜂蜜生产长期处于纯手工生产状态。传统采收蜂蜜采用油画笔、刮浆板或刮浆笔等工具手工挖刮[1]，操作烦琐，费工费时，效率低。近年来，我国乃至世界蜂业界研究者投入了大量资金和人力，致力于取浆机器的研发，或采用离心原理、或采用真空吸取原理[2]、或采用榨压法等，采集到的蜂蜜不但自然块状被破坏，而且保鲜功能受到了严重影响[3]，同时采集设备复杂，不便维护和运输，大都未能成功投入实际生产。为了解决蜂蜜高质量采集问题，研发一种功能齐全、效率较高、稳定安全且成本低的蜂蜜采集设备成为紧迫任务。本文设计了基于XS128单片机控制的蜂蜜采集系统，实现了人机交互，且操作简单，填补了市场空白。

1 蜂蜜采集系统整体方案设计

蜂蜜采集系统的整体设计流程，如图1所示。当操作者使用该系统时，可根据具体工作情况，控制运动的方向，调整运行的距离。比如，模式1——启动工作开关，单片机发出指令控制水平方向上的运动，运动到预先程序化的位置，变换为竖直方向的上下运动，且共同锁定工作台位置，然后提取机构[4]提取工作台上存储蜂蜜的蜡碗，将蜂蜜移入瓶中，完成工序。再如，模式2——根据液晶显示器提供的工作信息触动按键，此信号传给单片机判断哪个键被按下以及运动方式如何。若水平移动，根据被按下的按键复位和置位相应的步进电机[5]，电机带动机械装置工作，使提取机构完成水平移动；如果是竖直移动，则通过步进电机将提取机构下降到指定位置，再通过按键进一步控制推杆电机工作完成对蜂蜜的提取。

2 蜂蜜采集系统机械结构研制

蜂蜜采集系统机械结构如图2所示，主要由整体支架、传动机构、升降机构、提取机构、动力系统、控制系统以及辅助部件组成。整体支架采用40 mm×40 mm方形钢管焊接而成，保证系统的稳定性，并为其他系统提供支撑。传动机构分为两部分：由步进电机和丝杠[6]组成，实现步进电机控制丝杠转动；由导轨和滑块组成，实现提取机构在丝杠带动下完成水平方向的运动。升降机构分为两部分：由步进电机、纵向丝杠及法兰铜柱等组成的升降传动系统，为提取机构运动提供动力；由光轴和滑块组成的机构，通过丝杠转动带动提取机构实现上升和下降的功能。提取机构固定在升降机构[7]的前端，由推杆电机和类注射器组成，通过推杆电机与类注射器连接。当电机运动时，将带动类注射器推杆完成对蜂蜜的提取和推出。动力系统由2个独立步进电机驱动器和24 V高性能蓄电池组成，为蜂蜜自动采集装置在工作时提供充足的动力。

图1 蜂蜜采集系统整体设计流程

图2 蜂蜜采集系统机械结构图

2.1 支架结构

支架结构由底端支架和蜡碗锁定支架组成。其中，底端支架（图3）采用铝合金方形管焊接而成。四脚着地的接触方法，便于其平稳地与地面接触，从而增加装置的稳定性。蜡碗锁定支架为木质材料，内侧开有固定深度的凹槽，支架上有专门锁定蜡碗的插销，目的是将蜡碗嵌入凹槽并用插销固定，便于蜂蜜的采集，如图4所示。

图3 底端支架

图4 蜡碗锁定支架

2.2 传动机构

传动机构主要由步进电机、丝杠、导轨和滑块等组成。其中，步进电机和横向丝杠组合在一起，导轨和滑块组合在一起。传动机构[8]所用的步进电机和横向丝杠（图5）由联轴器连接，通过控制电的正反向来控制电机的正反转；通过给定额定脉冲信号来控制电机的旋转角度。导轨和滑块的配合，通过丝杠转动带动滑块在导轨上运动，实现提取机构在水平方向上运动。

图5 传动机构

2.3 升降机构

升降机构（图6）主要由步进电机、纵向丝杠、光轴、滑块和法兰铜柱等构成。当电机工作时，丝杠带动滑块实现上升和下降，从而带动提取机构完成与蜡碗的配合。

2.4 提取机构

提取机构（图7）主要是由推杆电机、紧固板、提升板、类注射器和集成板等部件组成。当启动提取机构时，推杆电机伸缩，带动类注射器里的抽拉杆，将蜂蜜从蜡碗转移到类注射器。当里面收集满时，再将其推入前端的收集瓶中。

图6 升降机构

图7 提取机构

3 蜂蜜采集系统各部件选型

蜂蜜采集控制系统以XS128单片机为主控芯片，通过继电器控制步进电机的运动；其他辅助部件包括12864液晶显示屏、稳压模块和矩阵键盘等。通过按键控制整个系统的工作，通过液晶屏幕实时显示系统的工作状态，方便快捷，简单易操作。

3.1 XS128单片机

XS128单片机的外部数据存储器足够容纳所有应用程序代码和数据，支持ICC环境下的C语言和汇编，可设置单步全速断点运行方式，查阅变量RAM、Xdata等数据，更适合嵌入式应用。此外，XS128单片机电路板空间大、外围部件少。

3.2 显示模块

显示模块选用12864液晶显示，显示字符多、功耗低、体积小，且人机界面良好，能实时反映系统的当前状态。

3.3 按键模块

按键模块采用具有提示功能的3×4贴片式键盘设计电路。为了减少I/O口的占用，键盘通常将按键排列成矩阵形式。键盘中的每条水平线和垂直线在交叉处不直接相连，而是通过一个按键相连接。这样在由N条水平线和M条垂直线，最多可以有N×M个按键，大大减少了对于芯片I/O的占用。

4 功 能

基于XS128单片机控制的蜂蜜采集系统采用高性能蓄电池供电，利用步进电机精确定位，通过智能控制模块将设备工作状态预先编程，通过碰撞开关实现终止运行，从而将蜂蜜的提取和收集集成到一个操作平台，且数据显示和多重保护同时实现，人机交互良好。

5 结 论

基于XS128单片机控制的蜂蜜采集系统应用机电一体化技术，突破了传统提取蜂蜜的模式，实现了电气控制部分智能控制机械结构，完成蜂蜜收集系统的自动化、批量化。本系统操作简单，灵活性强，节能环保，大幅提高了蜂蜜提取效率，适合山地及平原的狭小空间。同时，最大化保证蜂蜜原生态及新鲜度，填补蜂产业链中采集环节高效智能化市场空白，对满足蜂农需求、促进我国蜂蜜产业发展有一定的推进作用。