轻简式烟田苗期揭膜机的设计

武艳平,汪 洋,胡 杰,李晓贤,何培祥

(西南大学 工程技术学院,重庆 400715)

0 引言

烟草是我国重要的经济作物之一,是一种喜温作物,由于地膜覆盖具有保温保墒保湿的作用,在烟草种植中得到了广泛应用[1]。地膜覆盖在烟草种植过程中有重要作用,既除去了在烟草大田栽培的中耕除草环节,又可提高地温,从而促进土壤中微生物的活动,加强了土壤中有机质和部分养分的释放,提高了肥料的利用率,改善了土壤的养分状况,保持土壤疏松,减少病虫和杂草危害,进而促进烟草根系和烟株的生长发育,使烟草成熟期提早10天左右,明显提高了烟叶品质[2]。但是,地膜覆盖后,由于土壤环境条件在各生育阶段的变化规律不同,地膜对烟草品质除了上述正效应影响还伴随着负效应影响。现有研究指出:在烟草作物全生育期进行地膜覆盖栽培,将在一定程度上导致某些病虫害加重、烟株根系发育不良等问题。在烟株生长中后期,土壤温度往往过高,而湿度不足,如果不及时揭去地膜,易使土壤板结、通气不良,过高的土壤温度会对根系造成伤害[3];且地膜会阻挡来自空气中的降雨,不利于肥料溶解转化和烟苗吸收,影响烟株后期生长;加之地膜在田间难以降解,污染土壤,对农作物危害很大[4-7]。因此,有研究人员提出,在烟草种植过程中,随着温度升高和烟株对水分的要求不同,应及时揭膜以保证烟草的正常生长。

1 结构与工作原理

轻简式烟田苗期揭膜机的机械结构如图1所示。

1.工作开关 2.扶手 3.锥形揭膜机构 4.集膜机构

该机主要包括锥形揭膜传动机构、揭膜电机、集膜机构、控制器、行走轮、扶手、工作开关、机架和锂电池。其整体设计在功能系统上主要包括揭膜系统和行走系统:揭膜系统在机构上主要包括锥形揭膜机构、揭膜传动机构、揭膜电机和集膜机构;行走系统在机构上主要包括行走轮及其组件。揭膜系统实现的功能有固定地膜、卷膜及卸膜。由于要求揭膜机在垄沟行进时同时收两侧烟垄地膜以提高生产率,因此在揭膜机两侧均匀设置了两组锥形揭膜机构。锥形揭膜机构主要由锥形卷膜辊、卡膜盘、传动轴和法兰盘组成。法兰盘连接并固定锥形卷膜辊于传动轴上,锥形卷膜辊其外径自靠近机架一端向外逐渐减小,使卷膜辊的外表面具有锥面,便于快速卸下缠绕在卷膜辊上的地膜,并无需更换辊筒,既提高了工作效率,又无需准备备用辊筒,从而减小了整个设备或操作人员的负载,简化了操作,降低了劳动强度。由于揭膜机揭膜时两侧地垄上的地膜状态不同,造成两侧锥形揭膜机构的工况有所不同,导致不能使用同一个动力同时驱动两侧的锥形揭膜机构,因此设置了两个揭膜电机分别独立驱动两个锥形揭膜机构。

揭膜电机通过揭膜传动系统驱动揭膜机构转动揭膜。揭膜传动机构主要由主同步带轮、同步带和从同步带轮组成,从同步带轮与传动轴刚性连接,从而实现揭膜电机驱动传动轴转动,即驱动锥形卷膜辊转动揭膜。锥形卷膜辊一端连接卡膜盘,卡膜盘上设有用于固定地膜的卡膜口,在揭膜之前,操作人员先将覆盖在烟垄上的地膜端部卡入卡膜口,使其被可靠地限位,从而保证了揭膜机在地膜回收初期的可靠运行。

行走系统的作用为支撑其余构件并使揭膜机行走。双行走轮具有更高的稳定性和操控性,其余机构或组件皆安装在以行走轮为支撑的机架上。在行走轮的一侧设置了行走速度检测装置,主要由磁铁盘、小磁铁、霍尔传感器固定件及霍尔传感器组成。磁铁盘与行走轮刚性连接,霍尔传感器与磁铁盘盘面正对。当揭膜机启动时,霍尔传感器检测安装在磁铁盘上的小磁铁经过时间,控制系统从而准确、灵敏地判断揭膜机的工作状态并计算出行走轮的实时行走速度,实现揭膜电机的自动启停及对操作人员行走速度的报警提示,提高了人机交互性。

2 硬件电路设计

控制系统总体硬件电路如图2所示。

揭膜机揭膜时,揭膜电机恒扭矩驱动锥形卷膜辊转动揭膜,从而近似恒拉力揭膜,可通过控制电机电流使揭膜电机输出恒扭矩。由于地膜的使用情况、厚度、强度等因素不同,其拉断力不尽相同。为了使揭膜机揭膜时能可靠地揭起不同强度的地膜,可设置揭膜机的揭膜拉力。

通过检测揭膜电机的电流,控制系统根据电流与揭膜拉力之间的关系可计算出相应的揭膜拉力。控制系统将检测的揭膜电机电流反馈给单片机,可实现对揭膜电机的闭环控制,从而增加控制的精准度。电机电流选用电流令。当电池电压达到要求时,主程序将检测工作开关是否闭合,若工作开关断开,主程序将关掉单片机的PWM模传感器ACS712检测电流大小。由于左右两侧揭膜电机独立控制,需要分别检测其电流值,因此电路设计时采用了2块电流传感器ACS712。ACS712由5 V电压供电,通过IP+引脚和IP-引脚串联于被测电路中,被测电流经IP+引脚输入和IP-引脚输出。IP+和IP-之间设置了1个霍尔元件,电流从霍尔元件附件流过时,电信号转换为磁信号,并经过后续信号还原及放大由VIOUT引脚输出1个电压信号。

揭膜机的行走速度可由霍尔传感器测出。揭膜机行走轮轮侧安装了磁铁盘,盘上均布着12个小磁铁,当小磁铁经由霍尔传感器时会产生一个霍尔脉冲信号,单片机可通过检测单位时间内小磁铁的通过个数即霍尔脉冲信号个数,或者计时相邻两个霍尔脉冲信号之间的时间,从而计算出行走轮的转速。

揭膜机除了电源开关,还需设置工作开关,以给控制系统下达工作指示。单片机通过检测引脚的高低电平信号决定是否启动电机工作。工作开关断开时,开关检测引脚为高电平;工作开关接通时,开关检测引脚为低电平。

锂电池是揭膜机控制系统和揭膜电机的供电电源,因此控制系统需要实时监控锂电池的电压,以判断锂电池剩余电量状态。当检测到电池电压过低时,控制系统需要提示用户电量不足,并不进行后续工作。电池电压采用电阻分压检测(见图2),R13和R14接入电池,通过检测电池在R14上的分压即可转换为电池电压;单片机通过A/D模块检测R14的电压值,选择的模数转换通道为RB5/AN11,电容C8是滤波电容。

在多种情况下,揭膜机需要向操作人员进行报警提示,如当控制系统上电后,工作指示灯亮,表明系统的正常状态;当电池电压过低时,蜂鸣器鸣叫,工作指示灯闪动,提示用户电池电量不足;当操作人员推动揭膜机揭膜时,控制系统会检测其行走速度,若行走速度不在设置范围内,控制系统会以蜂鸣器鸣叫和工作指示灯闪烁的不同频率,提示用户。

3 软件程序设计

轻简式烟田苗期揭膜机的控制系统的主要功能有揭膜机揭膜拉力设置、揭膜电机恒流控制、行走速度检测及其操作指示、电池欠压保护及其报警提示等。控制系统的主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图

控制系统上电后,主程序首先对单片机PIC18F23K22进行初始化,初始化后的每次主程序循环都要清看门狗WDT;接下来主程序调用电池电压检测子程序检测电池电压,并决定程序是否继续进行和做出电池欠压保护和报警提示相关指令。当电池电压达到要求,主程序将检测工作开关是否闭合,若工作开关断开,主程序将关掉单片机的PWM模块,使揭膜电机停机;若开关闭合主程序将允许INT2外部中断和TMR0中断,以检测揭膜机的行走速度。然后主程序调用揭膜拉力设置检测子程序,控制系统获得操作人员设置的揭膜拉力后,将使能PWM模块,使揭膜电机保持驱动状态;接下来主程序调用电流检测子程序对左右两侧的揭膜电机的输出电流分别进行采样检测,并分别将采样值送至恒流控制子程序中的相关寄存器。在恒流控制子程序中,控制系统将对电流采样值进行计算处理来调节PWM的占空比,从而实现对揭膜电机的恒流控制。主程序最后调用行走快慢报警提示子程序,根据中断服务程序测出的行走速度对操作人员进行提示,然后进入下一个主程序循环。

4 试验结果与分析

验数据表如表1所示。

表1 恒扭矩试验数据表

揭膜机揭膜时,揭膜电机通过恒扭矩驱动锥形卷膜辊揭膜,从而实现以近似恒拉力揭膜的目的,以保证可靠、揭膜而不断膜。因此,在揭膜机整机试验之前,需要单独测试揭膜机控制系统的恒扭矩控制性能,以测试其恒扭矩控制精准度。由于揭膜电机恒扭矩输出由控制系统恒流控制程序实现,在进行揭膜机恒扭矩控制试验时需要设置并检测揭膜电机电流。恒扭矩试验时将地膜缠绕在揭膜机锥形卷膜辊上,在不同的电流设定值下启动揭膜电机,测试揭膜拉力和揭膜电机电流及PWM的占空比。试验的主要设备有:揭膜机样机、数字测力计、数字示波器、直流电流表。

由表1的数据可得到设置电流与PWM占空比及设置电流与理论揭膜拉力和实际揭膜拉力的趋势,如图4所示。由图4可知:当设置电流增大,PWM的占空比和揭膜拉力皆呈近似线性比例增大,而控制系统即是通过调节PWM的占空比使揭膜电机电流恒定在设置值,从而使揭膜电机恒扭矩驱动锥形卷膜辊,使之以近似恒拉力揭膜。

图4 设置电流趋势

5 结论

1)设计了一种轻简式烟田苗期揭膜机,包括揭膜系统、控制系统和行走系统。揭膜系统实现揭膜和卸膜功能,主要由锥形卷膜辊、揭膜电机、揭膜传动机构、卡膜盘和集膜机构组成。控制系统实现对两侧揭膜电机的独立控制,使揭膜电机恒扭矩驱动锥形卷膜辊,使其达到不损坏膜而可以揭膜的作用。行走系统提供支撑和移动功能,使其平稳行走。

2)揭膜机恒扭矩试验表明:揭膜机平均恒扭矩控制误差为5.02%,揭膜性能较好,能实现残地膜回收。