發(fā)布時(shí)間：2019-06-26所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:針對(duì)牧草種子丸化設(shè)備存在自動(dòng)化程度較低、丸化包衣品質(zhì)較差等問題，設(shè)計(jì)了牧草種子丸化包衣預(yù)混合實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，可有效提高丸化包衣品質(zhì)。該系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，集編程、傳感器等技術(shù)于一體，可根據(jù)給定種子量實(shí)時(shí)配比粉料量和藥液量，并同時(shí)在
摘要:針對(duì)牧草種子丸化設(shè)備存在自動(dòng)化程度較低、丸化包衣品質(zhì)較差等問題，設(shè)計(jì)了牧草種子丸化包衣預(yù)混合實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，可有效提高丸化包衣品質(zhì)。該系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，集編程、傳感器等技術(shù)于一體，可根據(jù)給定種子量實(shí)時(shí)配比粉料量和藥液量，并同時(shí)在混料室內(nèi)充分混合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)精確控制功能。以牧草種子丸化包衣為例，將預(yù)混合系統(tǒng)安裝前后進(jìn)行了對(duì)照試驗(yàn)，當(dāng)包衣時(shí)間同為20min時(shí)，安裝了預(yù)混合系統(tǒng)，其單籽率與丸化包衣合格率分別為92%、95%;而未安裝預(yù)混合系統(tǒng)，其單籽率與丸化包衣合格率分別為83%、90%。試驗(yàn)結(jié)果表明:在粉料與藥液進(jìn)入包衣鍋前進(jìn)行預(yù)混合，可有效降低多籽率，提高單籽率和丸化包衣合格率。研究結(jié)果可為小粒牧草種子丸化包衣提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞:丸化包衣;預(yù)混合;自動(dòng)控制;單片機(jī)
0引言
種子丸化包衣可以提高種子質(zhì)量，促進(jìn)種子萌發(fā)和植株生長(zhǎng)，改善種子的播種性能，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化精量播種。針對(duì)我國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)退化草原生態(tài)建設(shè)問題，對(duì)牧草種子進(jìn)行丸化包衣處理，將有助于加速退化草原的植被恢復(fù)與重建。因此，研發(fā)牧草種子丸化包衣設(shè)備，提高其自動(dòng)化程度，對(duì)于改善草原生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義[1-2]。
近年來，我國(guó)科技人員加快了種子丸化包衣設(shè)備的研發(fā)進(jìn)度，胡良龍等人在比較、借鑒國(guó)外先進(jìn)的種子包衣技術(shù)及控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新研究開發(fā)了5BY型種子包衣設(shè)備[3-4]。彭寶良等人系統(tǒng)地優(yōu)化了不同形狀種子的丸化加工工藝，研發(fā)了5WH-160型種子丸化包衣設(shè)備[5-6]。孫正等人設(shè)計(jì)的番茄種子包衣烘干系統(tǒng)，提升了設(shè)備的自動(dòng)化水平，初步解決了番茄種子包衣丸化的難題[7]。雖然通過不斷地改進(jìn)，我國(guó)種子丸化包衣技術(shù)水平取得到了顯著提升，但仍存在一些問題[8-9]。
例如，小粒不規(guī)則種子丸化包衣設(shè)備很少，且自動(dòng)化程度較低，不同品種種子丸化工藝參數(shù)不確定，丸化包衣多籽率高，單籽率與包衣合格率低等，這些都會(huì)導(dǎo)致丸化包衣作業(yè)質(zhì)量難以提高[10]。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了牧草種子丸粒化包衣預(yù)混合實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為控制核心，并結(jié)合變頻器、步進(jìn)電機(jī)和各種傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的實(shí)時(shí)精確控制。經(jīng)過預(yù)混合后的牧草種子表面可均勻地包裹上種衣劑，在包衣鍋內(nèi)丸粒化包衣時(shí)不易與鍋壁粘結(jié)，可有效降低多籽率，提高單籽率及丸粒化合格率。
1總體結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1總體結(jié)構(gòu)
牧草種子丸化包衣預(yù)混合系統(tǒng)主要包括種子定量供給裝置、藥液定量供給裝置、粉料定量供給裝置、種子與藥液和粉料實(shí)時(shí)混配裝置及其控制系統(tǒng)。
1.2工作原理
試驗(yàn)時(shí)，種子由風(fēng)送裝置從儲(chǔ)料桶送至料斗內(nèi)，通過調(diào)節(jié)錐形閥門啟閉控制下料量;上料位傳感器和下料位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)料斗內(nèi)物料情況，稱重傳感器采集稱重盤內(nèi)種子質(zhì)量信息。當(dāng)種子下落到稱重盤的同時(shí)撥盤電機(jī)帶動(dòng)撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)使種子下落到種、液混合室內(nèi);分流板的作用是分散種子，使其均勻地下落到藥液混合室內(nèi)。
高壓泵將藥液送到噴頭進(jìn)行霧化，在種子下落過程中與霧化的藥液進(jìn)行接觸，使藥液在種子表面成膜，待成膜的種子下落到種、粉混合室內(nèi)，粉料經(jīng)星型喂料器送至噴頭開始進(jìn)行噴粉，成膜的種子與藥粉充分混合，隨后下落到與之相連的包衣鍋內(nèi)。混料室和粉液管道之間各連有控制閥門和高壓噴頭，使粉液以霧化的形式存在于混料室中，更利于種子和藥液及藥粉充分混合，提前讓種子在混料室內(nèi)預(yù)混合，可以防止其在包衣鍋內(nèi)粘結(jié)而增加丸化多籽率。
2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
牧草種子丸化包衣預(yù)混合實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件和軟件兩部分組成。
2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該硬件部分主要由單片機(jī)、傳感器組和驅(qū)動(dòng)模塊等組成。核心控制器選用STC12C5A60S2單片機(jī)，其速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)快8～12倍;工作電壓為3.5～5.5V;單片機(jī)內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路;支持ISP和PWM;自帶2路UART和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)。其還具有過熱關(guān)機(jī)鎖存、過壓保護(hù)鎖定及欠壓關(guān)閉等功能。選擇單片機(jī)作為控制核心既可保證快精準(zhǔn)的運(yùn)算，又可以針對(duì)強(qiáng)干擾場(chǎng)合的電機(jī)進(jìn)行控制，且其引腳資源豐富有利于外設(shè)控制和數(shù)據(jù)讀取[11]。
2.1.1傳感器模塊
傳感器模塊包含上、下料位傳感器模塊、稱重傳感器模塊和流量監(jiān)測(cè)模塊。料斗內(nèi)有種子時(shí)，上料位傳感器發(fā)出信號(hào)，撥盤轉(zhuǎn)動(dòng)下料，延時(shí)數(shù)秒開始供液，繼續(xù)延時(shí)數(shù)秒開始供粉;料斗內(nèi)無種子時(shí)，下料位傳感器發(fā)出信號(hào)，風(fēng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等各部件依次停止工作。上、下料位傳感器采用LJC18A3-B-Z/BX型電容式接近開關(guān)，其工作電壓為DC6～36V，檢測(cè)距離1～10mm可調(diào)。
液流檢測(cè)計(jì)的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)流體管道中藥液的情況。選用CYG3002型高精度壓力控制開關(guān)，準(zhǔn)確度為0.5級(jí)，過載壓力為兩倍滿量程，溫度漂移≤±0.5%FS/℃，穩(wěn)定性最大不超過±0.2%FS/年。其具有體積小、穩(wěn)定性高和靈敏度高等特點(diǎn)。由于牧草種子很輕，為了保證供種的精確性，選擇量程為0～1kg、精度0.01g的高精度雙孔懸臂應(yīng)變式稱重傳感器，其綜合誤差<0.05%F.S，靈敏度為0.8±0.1mV/V，激勵(lì)電壓5～10V，過載能力達(dá)到150%F.S。
其具有精度高、易加工、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊及抗偏載能力強(qiáng)等特點(diǎn);但由于傳感器輸出信號(hào)的電壓幅度非常小，且易受外部噪聲干擾，所以選用A/D轉(zhuǎn)換器HX711對(duì)稱重傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理[12]。電容C1、C2和HT7350組成的穩(wěn)壓電路，將電源電壓穩(wěn)定到5V，為信號(hào)調(diào)理電路提供標(biāo)準(zhǔn)恒定的工作電源，P2.0口和P2.1口分別連接IIC時(shí)鐘和數(shù)據(jù)控制端口。
2.1.2驅(qū)動(dòng)模塊
驅(qū)動(dòng)模塊主要包含步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、變頻器驅(qū)動(dòng)模塊和控制閥驅(qū)動(dòng)模塊。預(yù)混合過程中，粉料供給由星型喂料器內(nèi)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)撥料盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過風(fēng)機(jī)將粉料送至出風(fēng)口，再經(jīng)粉料管道傳送至混料室內(nèi)。由于步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度固定，粉料總質(zhì)量一定，所以每次下落的粉料質(zhì)量一定，可通過利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿從而帶動(dòng)包衣鍋在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，完成任意角度設(shè)定的任務(wù)。經(jīng)多次試驗(yàn)后，最終確定每轉(zhuǎn)動(dòng)一步下落的粉料量。
步進(jìn)電機(jī)采用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器選用升級(jí)版TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。試驗(yàn)選用的步進(jìn)電機(jī)固有步距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器最高可實(shí)現(xiàn)32細(xì)分，在32細(xì)分下步距角為0.05625°，可精確調(diào)節(jié)撥料盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
其中，P1.0口控制使能信號(hào)，P1.1口控制方向信號(hào)，P1.2口控制脈沖信號(hào)，分別通過EN-、DIR-和PUL-接入。驅(qū)動(dòng)器采用共陽(yáng)極接線方法，將EN+、DIR+和PUL+連接到控制系統(tǒng)的+5V電源，通過中斷延時(shí)程序改變輸出脈沖，輸出的脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)隨著不同的脈沖信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。藥液供給由電機(jī)帶動(dòng)計(jì)量泵從貯藥桶精確取液，再經(jīng)流體管道送至混料室。
工作原理:通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速使泵的輸出流量發(fā)生變化，從而達(dá)到通過改變流體泵源的排量來調(diào)節(jié)回路中的流量、進(jìn)行容積式控制的效果。在此回路中，泵輸出的流體直接進(jìn)入執(zhí)行元件，沒有溢流和節(jié)流損失，具有效率高、發(fā)熱少等特點(diǎn)[13]。
選用型號(hào)為VFD015M21A-A型變頻器，采用多重防護(hù)技術(shù)能顯著提高整機(jī)的抗干擾能力。其輸出頻率最高達(dá)到400Hz，載波頻率可達(dá)15kHz，內(nèi)置PID回授控制，并具有自動(dòng)滑差補(bǔ)償功能，可通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，有效控制取液量。
2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
牧草種子丸化包衣預(yù)混合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序模塊、傳感器采集模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、變頻器控制模塊，以及串行通訊模塊幾大部分。采用C語(yǔ)言對(duì)軟件程序進(jìn)行編寫，并使用編碼器Keil-μVision5將寫好的程序編譯為機(jī)器碼。
在系統(tǒng)自動(dòng)工作過程中，主程序首先完成硬件及各傳感器的初始化工作，延時(shí)一段時(shí)間后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行供種;當(dāng)上料位傳感器發(fā)出信號(hào)時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)撥片轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)稱重傳感器采集的信息顯示達(dá)到預(yù)設(shè)所需質(zhì)量時(shí)，進(jìn)行供粉、供液等一系列操作，直到完成整個(gè)預(yù)混合過程。
3結(jié)論
1)設(shè)計(jì)牧草種子丸化包衣預(yù)混合裝置，并以STC12C5160S2單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)預(yù)混合裝置的自動(dòng)控制功能。
2)對(duì)牧草種子是否進(jìn)行預(yù)混合過程進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果表明:當(dāng)整個(gè)丸化包衣時(shí)間相同時(shí)，經(jīng)過預(yù)混合的牧草種子丸化包衣單籽率為92%，合格率為95%;未經(jīng)過預(yù)混合的牧草種子丸化包衣單籽率僅為83%，合格率為90%。因此，加入預(yù)混合裝置并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以提高牧草種子丸化包衣合格率與單籽率。
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