基于嵌入式的玉米脱粒装置控制系统设计

刘红艳，张明伟

(济源职业技术学院 机电工程系，河南 济源 454650)

0 引言

机械化是农业现代化的基础，玉米脱粒装置可快速将玉米籽粒和芯棒进行分离，不仅可以有效提高机械化作业效率，而且也大大改善了玉米收获及初加工过程的工作环境，有效降低了劳动强度，还可以大大降低人工成本和时间成本。本文以玉米脱离装置为研究对象，采用ARM和模糊控制技术，设计了基于嵌入式的玉米脱粒装置控制系统，对降低整个作业的劳动强度、提高工作效率具有重要意义。

1 玉米脱粒机整体结构设计

一般玉米脱粒机需求主要有：①完成粒、梗分离，脱粒深浅可以控制；②入料口处配有链条进给装置，入料快捷方便；③玉米剥净率程度高、低破碎率低；④刀具使用寿命长。其主要功能分析如图1所示。

图1 玉米脱粒机功能分析图

为了设计满足农业生产需求，玉米脱粒机主要由入料口、转动轴座、主轴、传动带、钉齿脱粒滚筒轴、电机、栅格式筛选板、出粒板、钢筋、半圆铁条和出料口组成，如图2所示。

1.入料口 2.转动轴座 3.主轴 4.大带轮 5.传动带 6.电机 7.小带轮 8.机架 9.栅格式筛选板 10.钢筋 11.半圆铁条 12.钉齿 13.钉齿条 14.圆盘 15.螺栓 16.出料口图2 玉米脱粒机整体结构图

为了实现玉米脱粒机结构的最优化，本文采用电力作为动力来源，电动机安装在机器右下角，固定在脱粒机的机梁上，以最大限度地节省空间。玉米脱粒机主要部分的介绍如下：

1)入料口。入料口是玉米棒进入脱粒机的唯一入口，与机器上盖连在一起，由1cm的钢板制作，入料部位与玉米眼钉齿脱粒滚筒轴相切。入料口的作用是通过该部件将未带皮的玉米棒填入机体，并保证玉米棒不会被飞溅出来，能够顺利进入到脱粒装置内，完成脱粒过程。入料口结构示意如图3所示。

2)脱粒装置。脱粒装置包括钉齿脱粒滚筒轴和栅格式筛选板两部分。其主要流程为：未带皮的玉米棒进去脱粒装置中，在钉齿脱粒滚筒轴的作用下完成脱粒，接下来玉米粒从栅格式筛选板进行简单的筛选，然后落入到下滑板，从出料口排出。

3)筛选装置。筛选装置由一块栅格式筛选板构成，其主要功能有两个：①栅格式筛选板之间存在一定的缝隙，可以将玉米粒和芯棒分开，并从不同的出口排出；②在钉齿脱粒滚筒轴带着玉米棒转动时，卡住玉米棒，以便滚筒轴快速、稳定地完成脱粒作业。栅格式筛选板结构示意如图4所示。

图3 入料口结构示意图

图4 栅格式筛选板结构示意图

4)机架。玉米脱粒机机架主要包括机梁、出料口和下滑板等部件，是整个机器的支撑，负责承担机身和加工农产品的所有质量。由于机架所承重力大，因此机架必须稳定，确保机器在正常作业过程中不会出现晃动或倒塌等。

2 脱粒装置模糊控制系统设计

2.1 脱粒装置控制系统设计要求

1)钉齿脱粒滚筒轴转速。钉齿脱粒滚筒轴转速主要由电动机功率决定，本文设计的正常转速为750r/min。

2)钉齿转速。钉齿脱粒滚筒轴正常转动时，钉齿条的钉齿也会跟着转动，该转速受钉齿脱粒滚筒轴转速和钉齿半径的影响，即

(1)

其中，V为钉齿转速；Nz为钉齿脱粒滚筒轴转速；D为钉齿两端轴心距。将各参数值带入式(1)，计算得出钉齿转速为9.42m/s。

3)电动机功率。假设玉米脱机机器正常工作时的功率为Pw，该功率由阻力和各参数进行计算，即

(2)

根据钉齿脱粒滚筒轴的设计参数可知，每个钉齿受力为40N，在正常脱粒作业中一般会有两条钉齿条对玉米进行打击操作，故其所受力为

F=N·M·Z

(3)

其中，N为每个钉齿受力所受的力(N)；M为参与的钉齿数量，一共有7个；Z为钉齿条数，一共有2条。根据各参数值，可以算出F=560N。

计算得出Pw=5.28kW，因此需要选择5.5kW的电动机。

2.2 模糊控制系统设计

2.2.1 模糊控制系统构成框架

模糊控制系统是一种将模糊数学和理论控制技术相结合的自动控制系统，具备一般的数字控制结构体系。该系统结构框架如图5所示。

图5 系统结构框架图

模糊控制系统一般包括模糊控制器、传感器、执行机构、被控对象和交互接口等4个部分。

1)模糊控制器：主要负责对输入量的模糊化，并通过计算推理控制输出量的计算处理等。

2)交互接口：主要负责输入输出信号的A/D、D/A的转换。A/D转换电路是将传感器采集到模拟量转换为数字量；D/A转换电路则是将ARM的GPIO管脚输出的数字量转化成能够驱动控制执行机构的模拟量。

3)广义对象：主要包括执行机构和被控对象。

4)传感器：主要负责执行机构和被控对象的输出信号的采集。

2.2.2 嵌入式模糊控制器的设计

以钉齿脱粒滚筒轴转速为控制对象，其功耗计算表达式为

(4)

其中，ω为滚筒轴的角速度；J为滚筒轴转动惯量；r为滚筒轴半径；N为机器正常作业时发动机的功率；a、b分别为摩擦力和空气阻力；f为摩擦系数；γ为谷草比；λ为玉米粒出口速度和滚筒轴转速之比；q为玉米的喂入量。

因此，设定滚筒角速度为控制器的输入信号，玉米喂入量和电机转速为输出控制量。

本文采用微处理器作为模糊控制器的核心，结合软件编程实现对整个系统的计算和控制。为了方面ARM控制器实现模糊控制算法，本文采用二维控制结构。嵌入式模糊控制器结构如图6所示。

图6 嵌入式模糊控制器结构

3 玉米脱粒控制系统设计

3.1 控制系统硬件设计

玉米脱粒控制系统硬件它主要包括ARM嵌入式构成的模糊控制器、流量传感器、转速传感器、ADC、人机交互界面、电压检测、电机驱动电路和报警电路等，如图7所示。

1)ARM嵌入式模糊处理器。本研究采用ATMEL公司的AT91SAM9261处理器为核心控制器，该芯片扩展和集成了DSP指令集和Jazelle Java 加速器，是一款性能卓越的工业级嵌入式处理器。其具备的功能有：①主时钟频率高达190MHz，处理速度快；②集成了LED控制器，支持BW模式，支持TFT-LCD和STN-LCD；③集成了JTAG-ICE和UART调试通道系统等多个调试接口，方便开发人员开发和调试。

2)电机驱动电路。电机驱动电路由D/A转换电路、运放和变频电路构成，如图8所示。D/A转化电路将AT91SAM9261处理输出的数字信号转换为模拟量，然后由OP07运算放大器对信号进行放大。最后，OP07放大的后模拟型号去驱动变频器，进而实现对电动机转速的控制。

图7 玉米脱粒控制系统硬件结构图

图8 电机驱动电路

3.2 控制系统软件设计

玉米脱粒控制系统的软件操作流程如下：①开机自检→②电压检测→③设定系统控制参数→④检测滚筒角转速。系统采用C语言模块化设计，主要包括主程序、定时中断程序、转速检测程序、流量检测程序、显示程序及模糊控制器算法等。系统主程序流程如图9所示。

4 试验与结果分析

为了验证玉米脱粒装置控制系统的可行性、稳定性和可靠性，对该系统进行了实际生产试验。试验过程中，采用手工喂入的方式，将玉米出皮后匀速喂入。试验进行3次，喂入量分别是4.0、4.5、5.0kg/s。玉米脱粒装置控制系统工作界面如图10所示，试验结果如表1所示。

图9 系统主程序流程图

图10 玉米脱机控制系统显示界面

试验序号喂入量/kg·s-1脱离率/%破碎率/%14.097.680.4424.597.150.4635.098.200.53

试验中，3次试验的玉米籽粒脱离率在97%以上，成功率非常高，破碎率在0.53%以下，效率较高。另外，随着喂入量的加大，玉米籽粒脱离率逐渐提高，且破碎率逐渐提高，说明喂入量直接影响机器的脱离率和破碎率。测试结果表明：该玉米脱粒装置控制系统实现了预期的功能，稳定性和效率较高，对实现玉米脱粒作业具有重要意义。

5 结论

针对玉米脱粒作业需求，以玉米脱离装置为研究对象，设计了基于嵌入式的玉米脱粒装置控制系统。与传统脱粒装置相比，该装置将嵌入式系统和模糊控制技术相结合，形成了一种ARM模糊处理器，可以根据喂入量改变电机转速，实现了玉米脱粒的变速控制。试验表明：玉米籽粒脱离率97%以上，成功率高，破碎率0.53%以下，效率较高，符合系统设计要求。