双行打塘机械及配套自动计数装置研发与应用

闫 鼎 陈 健 陈兆英 许成悦 王玉亮 窦玉青

（1上海烟草集团有限责任公司，上海 200082；2山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 271018；3中国农业科学院烟草研究所，山东青岛 266101）

我国烟草种植规模庞大，云南是我国烟草种植第一大省。当地在烟苗移栽环节推广膜下小苗移栽[1-3]，即在烟苗长至5 cm左右时，将其适时栽到烟田地垄上的塘穴，塘穴直径约30 cm、深度约20 cm、穴间距约60cm、行距120cm。栽完后小苗距地面约1.5cm，然后进行浇水、施肥、不覆土、覆膜，以有效保持土壤水分、提高地温，促进烟株生长发育，提高烟叶产量和质量[4]。

当前烟农大多使用背负式手提开穴机，人工定位开穴，穴距及塘穴尺寸一致性差，劳动强度大，效率低；采用单行开穴机械装置，每次行程只能开出单行地垄的塘穴，工作效率较低，无法对打塘数量自动计数。为此，本文研制了双行打塘机械装置及配套自动计数装置。自动计数装置一般由单片机、计数传感器和显示屏组成，该机械装置挂接在起垄机械尾部，可完成起垄打塘复合作业，以单片机为核心的自动计数装置可对打塘开穴数目自动计数，进一步提高作业效率和作业质量。

1 双行打塘机械及配套自动计数装置设计

1.1 整体结构

双行打塘机械主要包括牵引机架、双行打塘机架、驱动装置和平行四边形打塘装置，具体如图1所示。双行打塘机械由四轮拖拉机悬挂牵引，拖拉机行进过程中，由地轮通过链条传动驱动轴转动，通过摇臂滑道驱动平行四边形连杆架带动双行作业铁铲总成做交替上下的周期运动，实现双行打塘作业。

图1 双行打塘机械装置整体结构

1.2 自动计数装置设计

双行打塘机械自动计数装置采用STC8F2K16S2单片机开发双行打塘作业自动计数系统，如图2所示，其可以对地垄上完成的双行打塘数目进行分别计数。该自动计数装置通过平行四边形作业机构1和平行四边形作业机构2上安装的计数传感器分别进行打塘数目计数；实际打塘作业时，拖拉机行进过程中，通过地轮驱动平行四边形作业机构的移动边（加装打塘铁铲）上下移动，实现打塘作业，每打塘作业1次，即加装打塘铁铲的边下移上移1次，完成1次打塘作业，作业计数系统自动记录1次。

图2 单片机打塘作业自动计数系统工作原理

1.2.1 硬件设计。双行打塘作业自动计数系统硬件总体设计如图3所示，该硬件系统以STC8F2K16S2单片机为核心外接清零按键、计数传感器1、计数传感器2、HX1838红外接收器和OLED液晶显示器等硬件。

图3 打塘作业自动计数系统硬件总设计

（1）单片机系统。双行打塘机械自动计数装置选用STC8F2K16S2单片机，开发板实物如图4（a）所示，单片机管脚如图4（b）所示。该单片机是超高速8051内核（1T），比传统8051快12倍以上，指令代码完全兼容传统8051，16个中断源，4级中断优先级，工作电压为 2.0～5.5 V，工作温度为-40～85℃，所有GPIO均支持准双向口模式、强推免输出模式、开漏输出模式和高阻输入模式。

图4 STC8F2K16S2开发板

（2）计数传感器模块。计数传感器选用LJ18A3-8-Z/BX-5V NPN常开型接近传感器，如图5所示。工作电压为5VDC，输出模式为NPN常开型，感应距离为8 mm，感应物体为金属，保护结构符合IEC标准，等级在IP65以上，内置智能芯片，抗干扰性能强，稳定性强，频率响应快，使用寿命长。

图5 计数传感器

（3）显示模块。显示模块选用3.2 cm IIC总线接口的OLED显示屏，如图6所示。该模块分辨率为128×64 像素，可视角度大，工作电压为 3.3～5.0 V，功耗低、使用寿命长。

图6 OLED显示屏

1.2.2 自动计数软件系统设计。双行打塘机械自动计数软件系统流程如图7所示。当双行打塘机械装置行进作业时，2个作业铁铲交替上下运动，分别在烟田双行地垄中打出间隔相同的塘穴，并自动记录左行数目、右行数目和总数目，计数结果在OLED显示屏上分成3行数据显示，可以按清零按钮进行计数清零，方便下一次工作计数。

图7 双行打塘机械自动计数软件系统流程

2 安装调试与应用

2.1 安装调试

双行打塘机样机的机械装置挂载在双行起垄机械尾部，如图8所示，可以实现双行起垄与打塘复合作业。双行打塘机械通过地轮驱动的2个平行四边形机构进行打塘作业，2个平行四边形机构的前边上分别设计安装2个打塘铁铲，拖拉机在前进过程中，2个工作铁铲在平行的2行地垄上方轮流进行打塘作业，可同时完成2行地垄打塘作业，提高打塘作业效率和作业质量。

图8 双行打塘机样机

双行打塘机械自动计数装置如图9（a）所示，计数装置显示效果如图9（b）所示。

在文山州天星镇烟田进行了双行打塘机样机田间试验，如图10所示，其中：图10（a）为双行起垄打塘作业效果，图10（b）为打塘开穴效果。以四轮拖拉机为牵引动力的悬挂式烟田双行精确打塘装置，可以满足烟田打塘的尺寸、穴距和行距要求，还能对打塘数目进行计数，作业效率比单行打塘装置高。

2.2 应用验证

在文山州烟区试验田对双行打塘机械及配套自动计数装置进行调查，以当地常规人工打塘为对照，评价打塘机械所开烟穴的直径、穴距、深度，统计机械打塘数量。如表1所示：双行打塘机械及配套自动计数装置的计数精度为99.8%；烟田双行打塘机械比单行打塘机械效率高，打塘后成穴的直径、穴距、穴深更大、一致性更好。双行打塘机械及配套自动计数装置计数准确，可以减工增效，具有推广价值。

3 结语

双行打塘机械及配套自动计数装置在单行烟田打塘装置的基础上进行研发，一次行程可同时开出2行塘穴，比单行打塘装置效率高，可以满足烟田打塘的尺寸、穴距和行距要求，可以对打塘数目进行计数，可记录每行打塘数量和总打塘数量。双行打塘机械及配套自动计数装置操作方便、智能高效，能精确打塘，精准计数，在云南烟区有进一步推广使用的价值。