基于LabVIEW的吊杯栽植器成穴阻力试验系统设计

陈彩蓉，郭 栋，胡 飞，武亚楠，於海明

(1.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；2.南京农业大学人工智能学院，江苏 南京 210031)

0 引言

中国蔬菜产量占世界蔬菜总产量的60%左右，是世界上最大的蔬菜生产国。育苗移栽与播种是两种互补的种植方式，育苗移栽种植对气候具有补偿作用，能充分利用光热资源，其经济效益和社会效益均十分显著。由于人工移栽对劳动力需求量大，难以适应大面积蔬菜种植的需求，制约了蔬菜生产的发展，因此实现机械化移栽作业成为我国蔬菜生产的迫切需要[1-3]。蔬菜机械移栽过程中普遍存在工作阻力大、耗能高等问题。入土成穴是旱地移栽作业的重要工序，也是移栽机受外力最大的作业阶段之一。吊杯栽植器作为移栽机直接与土壤接触的工作部件，其形状、尺寸及作业参数直接影响栽植器打穴栽植性能[4]。降低吊杯栽植器的成穴阻力，不仅可以节能降耗，还可以降低与之配套拖拉机的功率要求，有利于减轻对田间土壤的压实，因此研究吊杯栽植器的入土成穴性能对提高栽植质量和效率具有重要的意义[5-6]。

本文以吊杯入土成穴力学特性测量为目标，基于LabVIEW软件开发吊杯栽植器成穴阻力试验系统，可以实现对吊杯成穴阻力、电机转速和扭矩等数据的实时监测及相关数据的储存，可为吊杯栽植器的优化设计提供试验平台与技术支撑。

1 系统总体结构与工作原理

吊杯栽植器成穴阻力试验系统主要由栽植装置和成穴阻力测量系统两部分组成，如图1所示。栽植装置由驱动机构、吊杯栽植器和机架等部分组成。成穴阻力测量系统主要由直流电机、电机驱动器、传感器、数据采集卡、承载机构及计算机等组成。压力传感器安装在承载机构上，承载机构上放有土槽；直流电机与扭矩传感器连接，扭矩传感器的另一端通过链条与栽植机构相连，吊杯栽植器安装在栽植机构末端。试验时，电机动力经过扭矩传感器、链条传到栽植机构，驱动吊杯完成入土栽植作业。吊杯入土过程中，土槽下的压力传感器将土槽所受到的力传输到电脑，根据作用力与反作用力的关系，实现吊杯栽植器成穴阻力的测量；同时，扭矩传感器将扭矩数据通过串口通信模块传输到电脑。操作者可以通过控制电机转速实现对栽植频率的调节，更换不同吊杯可以测试吊杯的尺寸参数、栽植频率等作业参数对吊杯栽植器入土成穴力学性能的影响。

1.吊杯栽植器 2.压力传感器 3.测力仪表 4.PC 5.承载机构6.土槽 7.栽植机构

成穴阻力测量系统主要作用是根据吊杯入土试验要求，利用计算机发出控制信号，驱动电机带动吊杯按设定的栽植频率运动，并将传感器数据传送到计算机中。测量系统分为硬件、软件两大部分。硬件部分主要包括压力传感器、扭矩传感器、数据采集卡和PC等；软件部分通过LabVIEW进行程序编写，通过串口通信模块、数据采集卡进行传感器数据的读取，实现栽植过程成穴阻力、驱动扭矩和转速等数据的实时在线监测。

2 系统硬件设计

2.1 压力传感器

压力传感器用来测量吊杯栽植器入土成穴阻力的变化，要求传感器动态响应频率高，适合动态测量。系统选用DYZ-101型柱式压力传感器，采用高精度电阻应变片作为传感器敏感元件，量程0～500 N，灵敏度2.0±0.05 mV/V，非线性≤±0.03%FS。该传感器结构紧凑、综合精度高，适合长期动态压力测量。选用德森特D056测力仪表作为压力传感器的配套仪表，具有信号精密放大、变送输出、数据通信、内部稳压、线性补偿和温度补偿等功能，可以较好地满足系统要求。D056测力仪表有RS485、RS232两个串口，支持Modbus-RTU、ASCII主动上传和HEX快速主动上传3种通信协议。

2.2 扭矩传感器

扭矩是反映驱动轴运行状态的重要参数，移栽机工作负荷较大，环境复杂，实现扭矩的实时、精准测量，可以为栽植器成穴阻力和驱动扭矩对应关系的研究提供依据，同时对于监测移栽机传动系统动态特性、降低故障率具有重要意义。扭矩传感器选用大洋DYN-200型动态扭矩传感器，通过在传感器轴上粘贴应变片实现扭矩在线测量。扭矩传感器集成仪表功能，主要由应变信号采集、放大电路、A/D转换、数据通信和稳压电源等模块组成，支持扭矩、转速数据分别输出；配有RS232、RS485接口，可直接与计算机通讯。扭矩传感器支持仪表主动上传、Modbus-RTU和ASCII主动上传3种通信协议。将传感器数据输出方式设为RS485通信配转速频率输出方式，扭矩、转速数据输出互不干扰，大大提高了系统抗干扰性能，也保证传输数据的稳定性与实时性。

2.3 数据采集卡

采用NI公司的USB-6009多功能数据采集卡，它提供了8路模拟量输入通道(14位，48 kS/s)，12路数字I/O线，2路模拟量输出通道(150 Hz)和一个32位计数器。根据采集卡提供的端口，将动态扭矩传感器输出的转速信号连接到计数器输入端口PFI0。

2.4 直流电机驱动模块

采用110BL168S150-430型直流无刷电机和ZM-6545A型无刷驱动器作为栽植装置的动力源，通过调节直流电机的转速即可实现栽植频率的调节。110BL168S150-430型直流无刷电机主要参数：额定功率1.5 kW，额定转矩4.8 N·m，额定电压48 V，额定转速3 000 r/min。ZM-6545A型无刷驱动器采用新型PWM技术，具有控制电机正反转、快速制动等功能，提供过热保护、过压保护，具有操作简单、振动小、噪声低和运行平稳等优点。PWM调速技术具有调速灵活、调速精度高和抗干扰能力强的特点，鉴于PWM调速的精准性、稳定性和便捷性，采用PWM技术进行直流电机转速控制。

移栽机作业时栽植机构一般工作在中低速、高扭矩的工作状态，需要在直流电机和栽植机构驱动轴之间增加减速器来降速增扭。根据电机转速范围和栽植频率的要求，选用传动比为24的减速器。

3 系统软件设计

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是实验室虚拟仪器集成开发平台的简称，它是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一。LabVIEW在数据采集与仪器控制方面具有显著优势，虚拟仪器架构(Virtual Instrument Software Architecture，VISA)实现了I/O接口的无关性需求，通过调用NI-VISA库函数并配置不同的设备参数，就可实现各种I/O接口仪器通用程序的设计[7-8]。

采用LabVIEW编写系统监测软件，通过串口通信、USB-6009数据采集卡，将成穴阻力、扭矩和转速等数据传输到PC机，实现对栽植过程吊杯栽植器成穴阻力、扭矩及转速实时数据采集、显示和存储等功能。软件系统主要由参数设置、数据采集和数据存储3个模块组成。

(1)参数设置模块：进行串口资源分配，设置波特率、数据位和校验位等串口通信参数。

(2)数据采集模块：实现PC机与传感器、数据采集卡的通信，将传感器数据传输到LabVIEW中。

(3)存储管理模块：以波形图、数值等形式实时显示、存储数据。

3.1 串口通信设置

LabVIEW通过NI-VISA接口函数读取压力传感器、扭矩传感器发送的数据[9-10]。NI-VISA函数位于LabVIEW的Instrument I/O模板的Serial子面板，主要包括串口通信初始化、读、写等操作的一些函数。按照相应的顺序配置串口操作参数，设定端口号、波特率和奇偶校验位等信息，并与测力仪表、扭矩传感器的通信参数保持一致[11-12]。

3.2 人机界面设计

人机交互界面主要分为参数设置和数据显示两部分，参数设置部分主要根据系统资源进行串口通信参数选择，数据显示部分以数值、曲线的形式显示实时获取的传感器数据。

3.3 数据采集模块

成穴阻力、扭矩和转速数据是通过分别调用D056型测力仪表、DYN-200N型动态扭矩传感器的数据实现实时监测的。D056型测力仪表设置成ASCII主动发送通信模式，波特率19 200 bps。仪表按照设定的最小间隔主动发送一个7位的ASCII码值(包括小数点和负号显示共计6位)，当数据不足6位时用空格表示(20H)，最后一位为回车符(0DH)。成穴阻力采集LabVIEW程序如图2所示。

图2 成穴阻力采集程序

为保证串口通信的速度和稳定性，扭矩传感器通信协议设置成ASCII主动上传模式，只发送实时扭矩数据，波特率38 400 bps。扭矩采集LabVIEW程序如图3所示。

图3 扭矩采集程序

DYN-200N传感器的转速信号采用脉冲方式发送，扭矩传感器轴转动一周输出60个脉冲，通过USB-6009数据采集卡计数器功能配合移位寄存器实现转速测量，转速采集程序如图4所示。

图4 转速采集程序

4 系统试验

为验证吊杯栽植器成穴阻力试验系统的性能，搭建了室内试验平台，如图5所示，主要由栽植装置、吊杯栽植器和成穴阻力测量系统等部分组成。该系统可以通过调节直流电机转速实现栽植频率的设置，成穴阻力、扭矩、转速等数据可实时显示在LabVIEW前面板上，如图6所示。

1.扭矩传感器 2.直流电机 3.栽植机构 4.吊杯栽植器 5.土槽 6.阻力测量平台 7.调速器 8.PC

图6 试验系统界面

5 结束语

采用压力传感器、扭矩传感器和数据采集卡，完成了基于LabVIEW的吊杯栽植器成穴阻力试验系统的设计，实现了栽植过程中吊杯栽植器成穴阻力、扭矩和转速等信息实时显示、存储等功能。测试结果表明，系统监测效果良好，能够满足吊杯栽植过程成穴阻力监测的实际需求，可为吊杯栽植器的优化设计提供依据。