甘蔗种防破芽切断装置的设计研究

黄才贵，蒋正忠，李岩舟，马晓丽

（1.南宁学院机电与质量技术工程学院，广西 南宁 530200；2.广西大学机械工程学院，广西 南宁 530000）

1 引言

我国是甘蔗生产的大国，甘蔗种植规模排名世界第三，种植面积达到2300万亩，产糖量占92%以上[1-2]。但我国甘蔗户均种植面积相比于国外美国、巴西、古巴等，还比较少，而且土地规模小[3]。广西的甘蔗种植面积位居全国第一，所占比例超过全国的60%，是我国最大的甘蔗和食糖生产中心，是广西优质和特色产业[4-5]。甘蔗产业已经成为广西区域性的优势和支柱产业之一，直接影响着到广西经济的发展。

目前，国内外的甘蔗种植机械化技术不断发展和推广，我国正在研发的甘蔗种植机械功能也逐步齐全，实现一定程度的甘蔗种植机械化[6]。如文献[7]设计的基于电阻式应变片的甘蔗种切割防伤芽系统，虽然达到良好实验效果，但实际安装使用困难且易损坏。尽管如此，目前的甘蔗种植的甘蔗种防破芽切断技术并不成熟，如破芽率过高等，在甘蔗种植的实际应用相对较少。现有甘蔗种切断装置的切断方式主要为等段长切断，虽然切断效率高，但由于同一根甘蔗上长短不一的茎节，必然会造成部分种芽被切到而破碎。此外，蔗种切断装置在蔗种切断进给输送过程当中，由于摩擦、挤压等原因容易使得种芽破损，导致甘蔗种种植后难以保证甘蔗的发芽率，影响产量。归结蔗种切断过程中蔗种种芽易破损来源主要为：切断位置不准确导致直接切到种芽位置；种芽在切断输入过程中与传送部件发生摩擦、碰撞或挤压导致破损；在切断后的蔗种收集或者落入种箱中的磕碰、撞击导致种芽破损。基于此，旨在设计一种防破芽的甘蔗种切断装置，解决蔗种切断时破芽率高的问题，为后续甘蔗种植的发芽率和成活率提供保障，以满足甘蔗种植的农艺要求。

2 总体结构方案及工作原理

本装置由甘蔗输送机构、种芽位置检测系统、切断控制系统以及机架等组成，如图1所示。

图1 整机总体结构Fig.1 Overall Structure

甘蔗输送机构主要包括驱动电机、同步传动带、上辊架和下辊架，每个辊架之间铰接有若干个输送辊，下辊架和上辊架相互平行安装。种芽位置检测系统主要由高精度的直线位移传感器采集到甘蔗外形信号，传送到单片机进行对比分析。切断控制系统主要由单片机控制板、电磁阀、气缸以及供电电源组成。

装置工作时，甘蔗通过下辊架和上辊架后，进入到直线位移传感器的检测滚动探头下方时，突出的甘蔗茎节部位或种芽则顶住检测滚动探头，使得检测滚动探头上移，此时直线位移传感器则将检测到的信号传送到单片机和计算机进行分析，对电压变化率的计算对比，若电压变化率突变则可确定种芽位置，以便切断时避开种芽，然后单片机发出切断信号到电磁阀，则驱动气缸进行切刀的切割作用。切断过程中，由于切断刀和直线位置传感器的安装位置是在甘蔗进给的轴向方向上错开一段距离的，此距离小于甘蔗单段的长度，一般为甘蔗单段的长度的一半左右，所以切刀切断时保证不会切刀种芽位置。同时，所采集到的电压信号也输送到计算机的上位机进行显示，显示的上位机为LabVIEW编写的电压监控系统，通过上位机的监控系统可直观显示采集电压的变化情况，即直观显示蔗种种芽的具体位置，以便进行快速分析。

3 检测切断控制方案设计

3.1 切断控制方法分析

3.1.1 单芽段切断控制方法

设甘蔗茎节或种芽位置从做左到右的编号为1，2，3，…，i，切刀的位置以传感器的位置为原点，向左移动的距离x即为切刀的具体位置，甘蔗向左进给的速度为v，如图2所示。切断控制方法的步骤如下：

图2 单芽段蔗种切断系统模型Fig.2 Model of Seed-Cutting System of Sugarcane with Single Bud

（1）参数获取：传感器采集对应的甘蔗茎节或种芽位置信息，并记录采集的每个位置的时刻ti(i=1，2，3…)，将信息传递到控制器进行分析计算。

（2）控制量计算：计算切刀向左移动的距离x，尽量确保切断的位置处于Si的中间，x计算的依据为：

式中：Si—欲切割部位的每相邻甘蔗茎节或种芽位置距离；v—甘蔗进给的速度；ti—每个位置的时刻；ti+1—相邻下一个位置的时刻。

（3）控制执行：控制器根据切刀向左移动的距离x位置信息，控制切刀快速移动到x位置点，并实现切割动作。必须检测到第二个茎节的时间点时才能发生第一次切割动作，之后的每个检测位置点均发生切割动作。完成第一次切割之后，继续根据以上的步骤执行切割控制，直到检测信号断开位置。

3.1.2 双芽段切断控制方法

设甘蔗茎节或种芽位置从做左到右的编号为1，2，3，…，i，切刀的位置以传感器的位置为原点，向左移动的距离x即为切刀的具体位置，甘蔗向左进给的速度为v，如图3所示。切断控制方法的步骤如下：

图3 双芽段蔗种切断系统模型Fig.3 Model of Seed-Cutting System of Sugarcane with Double Bud

（1）参数获取：传感器采集到对应的甘蔗茎节或种芽位置信息，并记录采集的每个位置的时刻ti(i=1，2，3…)，将信息传递到控制器进行分析计算。

（2）控制量计算：计算切刀向左移动的距离x，尽量确保切断的位置处于K（i-1）/2的中间，x计算的依据为：

式中：K(i-1)/2—欲切割部位的每相邻甘蔗茎节或种芽位置距离；v—甘蔗进给的速度；ti—每个位置的时刻；ti-1—相邻上一个位置的时刻。

（3）控制执行：控制器根据计算所得的切刀向左移动的距离x位置信息，控制切刀快速移动到x位置点，并控制切刀实现快速切割动作。由于是双芽段切割控制，种芽必须间隔两个才能进行切割，则此情况实行切割控制必须是检测到第三个茎节的时间点时才能发生第一次切割动作，能发生切割的时间点对应的位置分别为3，5，7，…。在完成第一次切割之后，继续根据以上的步骤执行切割控制，直到检测信号断开位置。

3.2 系统硬件设计

直线位移传感器采用的是KTRA-5L型，滚动探头检测行程为5mm，其线性精度为（±%FS）0.03%，解析度的理论值无限小，工作速度10m/s，重复性精度为0.01mm，工作温度范围为（-45～+70）℃，输出的信号为电压信号（0～5）V，正好符合采集的电压范围要求，所以不需要进行电压放大操作。

硬件电路设计原理图，如图4所示。系统采用的主控制器是AT89C52单片机，该单片机内部具有RAM和可多次擦写的PEROM，使其能满足开发人员的多次擦写要求［8］。要实现采集的模拟电压信号能够传到单片机，需要将模拟电压信号转换为数字信号，本设计选择的转换芯片为AD转换器芯片TLC548。

图4 硬件电路设计原理图Fig.4 Schematic of Hardware Circuit Design

所检测到的信号进行分析计算，判断出种芽的轴向位置之后，需要驱动电磁阀来控制气缸进而驱动切断刀进行切断和收回动作。本设计需要用到继电器来控制电磁阀的换向和驱动电机的开停工作，当执行切断动作时需要保证驱动电机的工作停止，当甘蔗完成切断之后则驱动电机继续开启工作将甘蔗往前输送，本设计选用2个继电器均为1路5V带光电隔离的继电器。

3.3 系统软件设计

控制系统所设计的程序采用C语言进行编程，主要包括系统初始化、I/O检测、外部中断低电平有效、判断电压变化率是否达到阈值、发出切断控制信号等。运行过程中，将检测到的直线位移传感器电压信号进行计算分析，与所设定的电压变化率阈值进行对比，若大于设定的阈值则判断为甘蔗种芽轴向的具体位置，同时控制切断刀执行切断动作。系统程序流程图，如图5所示。

图5 系统程序流程图Fig.5 System Program Flow Chart

4 上位机监测系统设计及测试

上位机监控系统采用的是LabVIEW作为开发平台。Lab-VIEW作为专门的虚拟仪器设计开发平台，是美国NI公司推出的图形化编程软件，编程容易上手、易于理解，并且该编程软件具备丰富的函数资源库和分析的子程序案例。对所开发的设备可以进行参数设定、数据及波形显示、数据保存等[9]。系统设计过程可以直接调用第三方驱动函数，使得开发的过程更加便捷，大大提高了开发的效率，缩短周期[10]。

为了能够对甘蔗种输送切断过程中对种芽位置的实时监测，设计了基于LabVIEW上位机监测系统，监测系统的界面，如图6所示。

图6 基于LabVIEW上位机监控系统Fig.6 Upper Computer Monitoring System Based on LabVIEW

上位机监测系统所采集的直线位移传感器电压，是通过与单片机进行串口通讯获取的数据。电压波形图显示的是直线位移传感器检测到的电压信号，此电压信号则反映的是甘蔗轴向表面的形状，包括甘蔗表面的附着物，从此波形图可初步判断甘蔗的径节位置。梯度波形图则显示的是直线位置传感器所检测到电压信号的变化率，通过电压变化率进一步确认甘蔗径节和种芽的轴向位置。同时，在电压波形图和梯度波形图也设置有实时的数据显示值，分别为实时电压和实时梯度。

当用户配置好串口后，点击启动按钮即可进行数据采集。程序的设计主要采用顺序结构为主体，内部设计有条件结构、while循环等。具体上位机监控系统的程序设计流程图，如图7所示。

图7 上位机监控系统的程序设计流程图Fig.7 The Program Design Flow Chart of the Upper Computer Monitoring System

5 性能实验及分析

对所设计的防破芽切断装置进行实验分析，切断的蔗种为双芽段，取新台糖22号甘蔗种来作为样本，一共进行10组实验，每组的实际种芽数量为500个，通过实验记录种芽识别的实际数量以及蔗种切断破芽的数量，试验结果，如表1所示。

表1 试验结果Tab.1 The Test Results

从以上的实验数据分析结果可看出，系统中种芽检测的平均个数为490.6，准确率高达98.12%，说明了蔗种种芽识别系统的检测准确度高，可靠性强，能有效识别种芽的具体位置，为蔗种做进一步切断提供良好的控制基础信号；种芽切割完好率高达99.10%，说明了蔗种切断过程中的效果极佳，伤芽率很低，说明此切断系统的可靠性极高，能有效防止切断的破芽情况；从总体上看，整个系统去除漏检和伤芽之后，种芽切割准确率达到97.24%，可信度高，说明了整个系统包括自检测种芽模块和蔗种切断模块的联合工作可靠性很高，可满足良好的防破芽切断操作。

6 结论

所设计的甘蔗种防破芽切断装置，可准确的自动检测和识别甘蔗种的种芽轴向位置，这使得蔗种切断时很好的避开了种芽位置，从而避免或减少蔗种种芽在蔗种切断时的破损。经过对所设计的装置进行实验研究与分析得知，种芽识别的准确率高达98.12%，种芽切割完好率高达99.10%，整个系统的种芽切割准确率达到97.24%，真正解决了蔗种切断时破芽率高的问题，可直接影响着甘蔗后期成长的发芽率和成活率。总体来说，整个系统的自检测种芽模块、蔗种切断模块和监测模块的联合工作可靠性很高，解决了蔗种切断时破芽率高的问题，为后续甘蔗种植的发芽率和成活率提供保障，以满足甘蔗种植的农艺要求。若相关配套技术更加成熟，将可应用在广西、海南等重要甘蔗种植基地，切实提高甘蔗的产量，进一步增强蔗农经济效益。广西作为我国甘蔗种植的重点大省，种植面积位居全国第一。甘蔗产业已经成为广西区域性的优势和支柱产业之一，该技术直接影响着到广西经济的发展，总体的市场需求量大，拥有良好的应用前景。