电动烟草打顶抑芽机控制系统研究

任震宇，刘宏博，韩小斌，李晓贤，何家成，何培祥

(1.西南大学 工程技术学院，重庆 400715；2.贵州省烟草公司遵义市公司，贵州 563000)

0 引言

烟草是以收获叶片为目的的经济作物[1]，打顶抑芽则是目前烟草种植生产过程中普遍应用且必不可少的农艺步骤[2]。烟草的打顶抑芽可有效增加叶片的有效叶面积，提高烟叶产量和质量[3-4]。

目前，我国打顶抑芽工作普遍采用人工完成，机械化打顶抑芽在我国还处于起步阶段，研究工作主要集中在高校。其中，最具代表性的是山东农业大学研制的3YDX-3打顶抑芽机[5]，其采用拱形机架结构，实现了打顶和施药等一体化功能。相比于国内，国外早已实现了烟草打顶抑芽和烟芽收集的机械化联合作业[6]，如美国早在1972年就已有专利保护了一种在农业机械上挂接式的打顶抑芽设备[7-8]。由目前国内外研究情况来看，大多数打顶抑芽机械体积都较大，适用于平原地区的大面积耕地，对于我国西南山地丘陵地区的起伏较大零散的耕地实用性较差[9]，因此研发一种体积小、质量轻，适用于山地丘陵地区的打顶抑芽装置具有重要的现实意义。基于上述情况，本项目组研制了一种电动烟草打顶抑芽机，可快速、有效地完成打顶、施药一体化工作。

1 整体机械结构

电动烟草打顶抑芽机主要由打顶系统和抑芽喷施系统组成，如图1所示。打顶系统主要集中在手持部分，包括剪切部件、驱动部件和机身。剪切部件将刀片固定在直线滑块机构上进行直线剪切运动，驱动部件采用电机，利用齿轮齿条进行直线驱动；机身有把手和控制开关，剪切部件位于机身前段，便于单手操作。抑芽喷施系统包括药箱、药泵、电磁阀、药管和喷头，药泵安装于药箱下端，药液通过药管输送到喷头进行喷施。药泵与喷头之间连接电磁阀，控制管路的导通和关闭，从而控制喷药时间及喷药量，喷头固定于剪切刀片下端，剪刀闭合时喷头喷药。

1. 剪切刀头 2.滑块 3.齿轮齿条 4.直线导轨 5.药箱 6.喷头 7.电机 8.控制开关 9.把手 10.药管 11.背带 12.电磁阀 13.控制盒 14.药泵 15.电池

2 控制系统设计

2.1 整机主要工作流程

人工打顶抑芽主要有两个步骤，即剪掉烟草顶端再喷施抑芽剂。该电动烟草打顶抑芽机要完成这两个步骤，需要细化为多步控制动作，主要工作流程为：首先操作人员触动工作开关，电机正向转动，剪刀闭合；剪刀到达闭合位置后，电磁阀打开，药液由喷头喷出，等待药液喷施完毕后电磁阀关闭，停止喷药；这时蜂鸣器鸣音提醒操作人员松开工作开关，电机反转，剪刀张开，剪刀到达初始位置，电机停止。如此完成一次工作周期，如图2所示。

图2 主要工作流程图

2.2 输入信号及输出控制项的确定

依据整机主要工作流程，确定输入信号及输出控制项。输入信号考虑剪刀有张开和闭合两个位置，因此需要剪刀位置信号；施药量要求在一定范围内可以调节，因此需要喷药量调节信号；为确保机器工作稳定性，需要电池电压信号；准备剪切动作要触发工作开关，需要工作开关信号。输出控制项首先考虑剪刀进行剪切运动，需要控制电机的正反转；施药时控制电磁阀开关，从而控制喷药量；为提高机器方便性，添加蜂鸣器和指示灯，给用户提示机器的工作状态。

2.3 控制系统结构

控制系统采用单片机进行输入信号的处理及控制信号的输出。输入信号包括工作开关信号、电池电压信号、喷药量调节信号、剪刀位置信号和电机过流信号等；输出控制包括电机、药泵、电磁阀、NFC无线通信模块、蜂鸣器及指示灯等。其中，电机通过电机驱动模块进行控制，药泵、电磁阀及蜂鸣器采用场效应管控制电路进行控制，指示灯由其相应的控制电路进行控制，NFC无线通信模块主要由相应的通讯完成。其整体结构示意图如图3所示。

图3 控制系统结构图

3 硬件系统设计

单片机的选择主要考虑引脚个数和可靠性，选用Microchip公司的PIC18F13K22作为主控芯片，其有20个引脚、16MHz内部晶振、8K程序存储器[10]。

3.1 输入信号检测电路设计

3.1.1 剪刀位置信号检测电路设计

剪刀位置检测采用霍尔传感器A314E[11]，将磁铁固定在滑块底端，两个传感器分别固定于剪刀闭合张开两个极限位置，与滑块上磁铁位置相对应。这样，当剪刀闭合或张开时对应的霍尔传感器会产生电平变化信号，单片机依据这个信号可以判断剪刀位置。剪刀位置检测电路原理图如图4所示。图4中，两霍尔传感器信号线分别接到单片机RB4、RB5引脚上，单片机INT1引脚外接一个5V电源线，同时该引脚通过两二极管D1、D2与RB4、RB5引脚连接。当两霍尔传感器任意一个有电平变化时，中断引脚INT1随之发生电平变化，这样单片机能快速处理剪刀位置信号，也方便后续编程。

3.1.2 喷药量、开关及电源电压信号检测电路

喷药量检测电路原理图如图5(a)所示。其中，喷药量调节利用电位器R6的分压检测电路来实现，单片机引脚AN8通过AD(Analog-to-Digital)转换检测电位器R6分压变化。

开关信号检测电路原理图如图5(b)所示。其中，当开关k没按下时，单片机引脚RB6检测到的是电容C5上端的电压，为高电平；当开关k按下后，电阻R9、R10间的线路接地，此时引脚RB6为低电平，以此判断工作开关是否被按下。

电源电压检测电路原理图如图5(c)所示。其中，电阻R7、R8将电源电压VCC分压成单片机可检测的电压信号，输入单片机AN9引脚进行AD转换。

图4 剪刀位置检测电路原理图

图5 输入检测电路原理图

3.2 输出控制电路设计

3.2.1 电机驱动模块控制电路

所选用电机额定电压12V，输出功率17W；选用飞思卡尔公司的MC33886作为电机驱动芯片，其正常工作电压范围是5～40V，最大电流5A[12]。电机驱动芯片接线电路原理图如图6所示。

3.2.2 电磁阀、蜂鸣器及指示灯的控制电路设计

电磁阀和控制器电路原理图分别如图7(a)、(b)所示。其中，电磁阀线圈和蜂鸣器都为感性负载，并入D3、D4二极管进行续流，U1、U2为场效应管，控制引脚分别为单片机的RC0和RC1，R16、R17下拉电阻用于去除场效应管栅极与源极间由于电容效应产生的压差，确保场效应管工作的可靠性[13]；指示灯由单片机RC2引脚直接进行控制，如图7(c)所示。

图6 电机驱动芯片接线电路原理图

图7 输出控制电路原理图

4 试验分析

本文设计的控制系统应用于制作好的电动烟草打顶抑芽机样机上，对其进行喷药量准确性检测试验所用到的试验装置主要有电动烟草打顶抑芽机样机及多个小量程的量杯。

试验对电动烟草打顶抑芽机样机喷施量选取了11组设定值，从10～20mL每隔1mL进行1组试验，每组试验进行10次喷施，最后测得总药量，计算出平均每次喷施量、方差、标准差、喷药偏差及平均偏差等数据。试验结果如表1所示，偏差分析如表2所示。

由表1、表2的试验数据可知：该打顶抑芽机的每次实际喷药量均在设定值上下轻微波动，喷药量的平均偏差为2.26%，试验各个小组的方差与标准差变换较小(即每组测试的单次喷药量的波动较小)，满足设计要求。

表1 喷药量测试试验数据

表2 喷药量偏差分析

5 结论

1)设计的电动烟草打顶抑芽机的控制系统，以PIC18F13K22单片机为控制核心，辅以MC33886电机驱动控制芯片、霍尔传感器及多个外围电路，实现了该机械的半自动化，能够有效地协调各部件间的动作。同时，在机器的可靠性和安全性方面也进行了优化设计，如电池电压的实时检测、故障报警及剪刀能够在工作开关松开时及时张开等。该控制系统能够对机械的工作过程进行全方位的控制，同时为电路的可靠性提供了相应保障。

2)该设计使得电动烟草打顶抑芽机在喷药量的精准性及工作效率方面得到了显著提高。试验研究表明：该机械喷药量的平均偏差为2.26%，单次喷药量波动较小，有效提高了烟草质量，进一步推动了烟草农业机械化进程。