基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置

单 昱，郝传柱

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

草莓种植大多数是在地垄上载苗，一垄有几十米甚至几百米长，人工栽苗必须蹲在或深弯腰站在两个地垄之间的沟里，存在工作效率低、人工成本高的问题。传统的育苗中，无论是扦插苗还是播种实生苗，都存在一些先天不足。因为苗床多次的反复使用，频繁重茬，导致土壤根结线虫危害。播种的实生苗，由于种子直播田间，后期间苗、分级工序频繁拔出、移栽，极大影响小苗的存活率。基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置，可以解决人工栽苗工作效率和成活率低的问题，提高草莓的产量。使用基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置，可以加快栽苗速度、减少人工的使用、降低成本。

1 研发背景

目前，国内草莓种植主要是采用人工方式或借助一些简单的机械，存在工作效率低、人工行走不方便等缺陷。

虽然各种草莓栽苗装置在不断改进和优化，但并没有研发出自动化机械装置，主要是在改进一些辅助工具，这些工具虽然在装置结构、原理、适合的工作环境等方面获得了一定的进展，研发设计出的辅助工具适合于不同的工作环境，但未能解决耗费大量劳动力的问题，且这些工具普遍精度低、效率低，对于各种种植行业范围无针对性，因此并不适合用于草莓栽苗。

国外草莓种植面积较少，不太需要自动种植技术，虽然有一款半自动移栽苗机器，但由于体积大、成本高，且不适于在大棚内的地垄上作业，不适合用于我国的草莓种植行业。

2 基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置

2.1 设计意义

目前国内的草莓栽苗机以人工为主，几乎没有机械自动产品，技术更新的速度慢，存在的问题较为突出且无相关解决技术：①工作环境是否对机器工作过程产生一定的影响；②材料的选型、传感器的选择、机械结构外形设计等；③各环节之间的配合，以解决缺栽，漏栽，重复栽苗的问题；④出现故障时能否及时报警。

基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置操作简单、实用性强，且针对目前存在的问题给出了解决方案：①具有自主投苗与自动栽苗的功能，可代替人工，解决人工栽苗与行走的不便之处，提高工作效率、降低成本；②运行稳定、操作简单；③可以控制栽苗间距与栽苗深度，提高栽苗成活率，增加产量；④具有原材料缺苗、过载、漏栽等报警功能；⑤采用纸钵育苗的方式。

2.2 设计内容

本装置涉及单片机技术及控制原理、电机控制与应用、自动旋转装置等多个技术领域。基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置的工作过程实现了全自动化，操作简单，在缺苗、过载、漏栽等工作异常或故障时报警。

利用电机的驱动带动车轮运行，在一定速度下，位移箱与旋转漏盘及时补充草莓苗供应栽苗器的工作。与此同时，旋转漏盘与移栽器的配合要合理，否则容易出现过载或漏苗现象，导致供应不足，栽苗器中安装感应器，一旦发生漏苗立即停车并报警。

装置功能：

（1）具有自动投苗与自动移栽的功能，由人机界面控制选择工作模式，设置位移速度、栽苗深度。并且纸钵方式实现自动化生产，包括播种、插条的自动扦插等工序，对于大规模育苗企业，可以极大降低种植成本，提高种苗的一致性和质量。

（2）具有手动与自动两种工作模式，手动工作模式下，可控制某一工作环节单独运行；实现漏苗的补栽。

（3）自动工作模式时，工作过程实现自动化，通过人机界面设置工作速度。

（4）具有原材料缺苗、过载、漏栽等报警功能。

2.3 操作流程

基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置的主要操作流程：首先将纸钵放入位移箱中，再将备好的草莓苗放入箱中，装置启动后，位移箱开始匀速向旋转漏盘中不断送入草莓苗。且每个纸钵都带有纸钵孔，在送苗的过程中，自动剪割装置将纸钵剪断，带有纸钵的草莓苗漏入与栽苗器连通的白色漏盘上，白色漏盘底部的盘盖被顶开，草莓苗进入栽苗器。栽苗器是钢铁材料的爪形结构，在草莓苗进入栽苗器时会自动向下插入泥土并张开，以保证草莓苗完好无损地精准栽种，待草莓苗栽入地垄后，栽苗器自动收回并对栽种的草莓苗进行填土。循环此程序，完成所有草莓苗的全自动化栽种。

2.4 自动旋转装置

基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置利用电机的驱动带动车轮自主向前运行，并可自由转向，主要依靠自动定心型转子自动平衡装置，此装置结构简单、工作可靠、成本低廉、不需提供外部能源，并且能够对转子不平衡进行自动调节。旋转机械的振动问题一直是机械行业的重要课题，特别是现代旋转机械的转子转速不断提高，直接影响旋转机械工作效率和可靠性的振动问题更为突出。解决这一问题的有效方法是对其旋转部分进行高精度的动静平衡，通过改变转子本身的质量分布使其主惯性轴与旋转轴相重合，从而降低旋转机械的振动，使草莓栽苗装置工作状态更加平稳。

自动定心型转子自动平衡装置根据所采用的自由移动补偿质量的形式分为滚球式、摆锤式和充液式。它们都是根据柔性转子和弹性支承的特性而设计，不需要外部专门提供能量，利用系统响应所形成的能量来驱动平衡质量的运动，从而达到减振效果。

经过查阅资料得知，滚球式减振效果最好，在没有摩擦力的理想情况下，滚球可以使转子达到完全平衡，振动将被完全消除，自动平衡装置的减振倍数将达到无穷大，可以达到低成本高效益的目的。

滚球式自动平衡装置的特点：

（1）滚球式自动平衡装置在高速状态下能很好地起到平衡作用，不管偏心量大小，也不需要使用者调试和控制，平衡作用自动发挥，而且在一定条件下能完全平衡。

（2）滚球的滚动摩擦因数将影响球的安定位置，进而成为影响残余振幅的决定性参数。可选用光滑、质硬的材料制造滚道和球，以减小摩檫因数。

（3）滚球的黏性阻力系数会影响最大振幅和自激振动的程度，但与残余振幅无关，因此可取较大的黏性阻力系数以减少最大振幅和自激振动。

（4）滚球式自动平衡装置不能使用于低速和共振状态。

3 结语

基于单片机控制的地垄式草莓栽苗装置具有以下优点：

（1）具有自主投苗与自动栽苗的功能，提高工作效率、降低成本。

（2）可以控制栽苗间距与栽苗深度，提高成活率，增加产量。

（3）具有原材料缺苗、过载、漏栽等报警功能。

（4）采用纸钵方式栽苗，相比传统方式，缩短出圃时间，提高经济效益。

（5）更容易分级和移栽，分级不伤苗更利于机械化，且移栽无需去掉外层纸张，环保降解。

该装置操作简单，可以自由调节机器的高度与宽度以满足各种地笼的需要，但还有许多需要改进的地方。由于目前国内的草莓栽苗几乎没有使用自动机械，且技术更新的速度较慢，因此不能忽略工作环境对机器工作过程产生的影响，以及机器所用材料的选型、各种传感器的选择等都要依据不同地域进行调整，以达到预期效果。