大蒜湿地自走式覆膜机的研究与设计

刘领涛

【摘 要】针对大蒜湿地自走式覆膜机对覆膜的特殊要求，结合国内外实际情况和常规技术，对该自走式覆膜机的整体造型、机械结构和控制系统进行研究设计。机械部分实现了对自走式覆膜机整体结构、覆膜轮等主要零部件的分析及设计；控制系统采用ARM单片机作为控制核心，通过直流伺服驱动器驱动伺服电机，同时配备了两个编码器实时监测覆膜机和地膜释放的速度，实现了覆膜机行走速度的稳定、可调，提高了覆膜的效率和可靠性。

【关键词】自走式；湿地覆膜机；ARM单片机

中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.009

【Abstract】According to the special requirements of garlic wetland self-propelled film mulching machine， combined with the actual situation at home and abroad and conventional technology， the overall modeling， mechanical structure and control system of the self-propelled film mulching machine were studied and designed. The mechanical part realizes the analysis and design of the integral structure of the self-propelled Film-covering machine and the main parts such as the Film-covering wheel.The control system uses ARM single chip microcomputer as the control core， and drives the servo motor by DC servo driver.At the same time， it is equipped with two encoders to monitor the speed of film mulching machine and film release in real time.The running speed of film mulching machine is stable and adjustable， and the efficiency and reliability of film mulching are improved.

【Key words】Self propelled；Wetland laminating machine；ARM single chip microcomputer

0 引言

為了使大蒜在种植后发芽效率更高、后期生长的更快、减少杂草的大量生长、在北方更好的越冬，我国种植大蒜的地域绝大部分都对大蒜进行湿地覆膜。覆膜的最佳时机是在刚刚种上大蒜且进行了第一次灌水后。传统的覆膜方法目前有两种，一种是人工用切板进行覆膜，这种方法效率低下且质量千差万别、与人工覆膜技术密切相关；另一种覆膜方法是半自动覆膜，利用手推车，但是需要人踩在刚刚覆了膜的湿地上，这样很容易对刚刚铺上的地膜造成破坏，同时会影响大蒜的出芽率。基于目前的这两种覆膜方法的缺点，本文利用直流伺服电机做动力、以ARM单片机为控制系统的核心，研究并设计了一款结构紧凑、经济性好、效率高、全自动、湿地自走式覆膜机。

1 覆膜机整体结构的研究与设计

覆膜机整体结构由车架、悬架、地膜支撑杆、车轮、直流伺服电机、编码器、蓄电池及电控箱等部分组成，机器整体结构如图1所示。车轴1的一端各装设一个编码器，地膜支撑杆的一端装设一个编码器，这两个编码器分别采集覆膜机的行走速度信号和地膜旋转的速度信号，两个速度信号经过比对后若在允许范围内，则覆膜机可在接收到启动信号后在直流伺服电机的驱动下行驶工作。蓄电池及电源控制箱安装在车架的正中心靠后10CM的位置，这样可以保障覆膜机在工作中保持稳定、平衡。悬架5可以根据所覆膜土地地势的倾斜度进行角度调节（如A向视图所示），角度调节范围在±10°范围。

2 覆膜机车轮的研究与设计

覆膜机车轮由压膜轮毂、切地膜轮沿两部分组成，如图2所示。为了保障覆膜机在压地膜过程中不切坡地膜，切地膜轮沿采用尼龙材料制成，并由切地轮沿的中心部位间隔60—80S喷射水雾在轮沿和地膜之间，这样解决了轮沿和地膜偶尔粘结的问题，具体时间可以根据实际土地的湿润状态进行选择。压膜轮毂采用不锈钢材料制成，防止在使用过程中因生锈导致机器运转不稳定的现象。经过试验验证，整个覆膜机车轮的重量控制在1.3Kg-1.5Kg之间为宜。

3 电控系统硬件研究与设计

3.1 电控系统的整体硬件设计

系统设计重点为主控板和红外线发射及接收器，电控系统的整体硬件设计如图3所示。主控板以 ARM7 S3C44B0X为控制核心，实现对系统各部分的综合控制。红外线接收模块包括光电转换放大器和解调电路，红外线发射器采用脉冲宽度调制方案，将指令数据通过载波信号进行调制，信号传输稳定 ，能够满足本系统设计需求。

S3C44B0X为三星公司推出的16/32位ARM7处理器，通过提供全面的、通用的片上外设，S3C44B0X大大减少了系统中除处理器以外的元器件配置，从而大大降低系统的成本。电源系统采用可以充电的蓄电池进行供电，系统主控板采用核心板+底板设计方式，核心板为S3C44B0X最小工作系统，方便后期系统移植与扩展。底板设计根据大蒜湿地覆膜机控制的实际需求对 S3C44B0X 进行硬件扩展。

3.2 红外发射器设计

由于指令数据时间周期较长，信号频率很低，直接发射传送效率和距离受限，抗干扰性差，因此，必须采用二次调制方式，将指令数据通过载波信号进行调制，形成较高频率的复合信号，在通过红外发射二极管产生红外线发射出去。

红外编码有很多种方式，本设计采用脉冲宽度调制方案，如图4所示。这种遥控码具有以下特征：以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。 红外遥控发射原理如图所示。

3.3 红外线接收端设计

接收端主要包括红外接收模块和解调单片机，如图5所示。其中，红外线接收模块包括光电转换放大器和解调电路。当红外线发射信号进入模块后，在其输出端得到原先的数字控制编码，再经过单片机解码程序进行解码，便知按下那个键，实现相应输出。输出口1连接蜂鸣器系统，每成功接收到信号，蜂鸣器发出一声响声。

4 电控系统软件设计

软件设计是在ADS1.2的集成开发环境下采用 C 语言编写的，可以在Windows系统下运行，主控系统流程图如图6所示。整个系统的软件主要分以下几部分：主控制程序、LCD程序、键盘限位指示灯扫描程序、脉冲发生程序、高速计数程序、485通讯程序、看门狗和 RTC程序等。系统主控制程序完成系统（硬件和软件）的初始化、输入口扫描、输出口控制、485通讯和中断服务程序。485通讯程序完成包括伺服驱动器起停控制程序，电流、扭矩信息反馈程序等。与直流伺服驱动器使用MODBUS协议进行通讯，可以进行驱动器的控制输入、运转状态的监控、参数设定值的读取/写入等。RTC利用32.768kHz的外部晶振提供时钟源，备用电源供电，使用时只要正确设置 RTC的各个寄存器即可，程序包括SetTime（）、SetDay（）、Set Week（）3个设置函数。

5 结语

本文设计了以三星公司ARM7芯片S3C44B0X为控制核心，利用直流伺服电机作为动力源，并设计了相应的软件系统，研究设计了经济性好、效率高、全自动、湿地自走式覆膜机。实现了0～2m/s的行驶速度可调，并设计了前进启动、后退启动、停止、紧急停车、轮沿雾水等功能，能够满足大蒜湿地覆膜的使用要求。本设计对于提高国产大蒜湿地覆膜机的技术水平，减轻蒜农（工作人员）劳动强度，降低覆膜机制造成本具有一定的意义。经过实践，基于该设计的大蒜湿地自走式覆膜机具有较强的经济性、功能性和可靠性，能夠在保证可靠性的同时高效地进行生产作业。

【参考文献】

[1]宋宇，陈无畏，黄森仁.车辆悬架多刚体动力学分析及 PID控制研究[J].农业机械学报，2004，35（1）：4-7.

[2]单片机接口模块应用与开发实例详解，薛小玲，刘志群，贾俊荣，编著.北京航空航天大学出版社.

[3]麦山、皮佑国1基于单片机的协议红外遥控系统1电子技术，1998（5）：22-24.