全自动蔬菜移栽机的设计与试验

全自动蔬菜移栽机的设计与试验
杨丽莎1,2,邵检江3
(1.湖南大学,长沙 410011;2.湖南工业职业技术学院信息工程学院,长沙 410208;3.广东交通职业技术学院,广州 510800)
摘 要:目前,蔬菜移栽机主要是半自动形式,工作效率相对较低。为此,设计了一种基于单片机控制的全自动的蔬菜移栽机,通过单片机系统实现对蔬菜幼苗的取苗、喂苗与载苗的自动控制,可有效节省人力。根据实际设计需求确定了穴盘实际距离和规格的设计参数:宽28cm,长64cm,穴和穴中部的距离是4cm,穴盘高度是3cm,穴边距是2.5cm,穴盘的规格为90穴。自动移栽机控制系统选用STC89C52RC单片机作为系统的控制中心,使用苗龄是61天类型的“早红一号”辣椒穴盘苗开展移栽试验。“早红一号”平均的苗高是16.52cm,拖拉机速度是1.2km/h。试验结果显示:取苗成功概率98.52%,喂苗成功概率95.56%,栽植过程中设置的频率为56株/min,空穴概率5.56%,倒伏概率2.96%,栽植成功概率91.48%。
关键词:蔬菜栽培;自动化栽培;STC89C52RC单片机
中图分类号:S223.94       文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)01-0052-05
0 引言
20世纪初,美日德等国家便开始针对蔬菜幼苗移栽机械化进行研究,成功研制出通过人工取喂苗方式进行移栽的机械[1-3];到20世纪中期便已研制出半自动化的移栽机,并将其应用在世纪生产当中[4-6]。我国针对移栽机的研制工作起步相对较晚,主要是根据发达国家已有的机具进行仿制与改进,技术较为落后[7-8],虽然对劳动强度有所降低,提高了移栽效率与成功率,但还需人工的取喂苗,对移栽机效率起到一定的制约作用[9-12]。为此,设计了一种基于单片机控制的全自动移栽机,能够有效地提高移栽效率,降低人力成本与劳动强度。
1 总体设计
1.1 送盘机构设计
蔬菜移栽作业时,人工将存在秧苗的穴盘送至装置上,利用穴盘的传送设备进行位置输送,等候进行下个阶段的作业。以往的移栽过程基本都是利用人工来进行位置的输送,利用输送带将穴盘运送到等候区,等着下个环节的作业;在等待时间内,利用移栽设
收稿日期:2019-06-19
基金项目:广东省科学技术厅自筹经费类科技计划项目(2017ZC0358)作者简介:杨丽莎
(1980-),女,长沙人,副教授,(E-mail)fenshuyu13@163.com。
通讯作者:邵检江(1982-),男,广东肇庆人,实验师,(E-mail)fen shuyu13@163.com。备中的摄像头来对穴盘进行记录,再确定位置;把不同的穴孔当作是标记符号,对上传的图片进行有效处理,得到盘穴的实际情况,最后进行信息编码与储存。在蔬菜的培育中,若是无缺苗信息就可以采取常规的栽培;若反馈的信息有缺苗的情况,具体的缺苗位置可以传输上位机上,根据上位机的实际情况给出相应的措施。输送结构如图1
所示。
图1 输送机构
Fig.1 Conveyingmechanism
设备的安装过程:首先在机架上安装轴承,然后在轴承的上部安装辊子,将辊子和电机连接;在两个辊子上分别安置输送带,需使停放板和输送带有着共同的方向,两者之间还要有3~5mm的距离。控制系统要对电机进行有效的调控,以实现满足需求的定时输出;然后,在输送设备上进行输送,主要的目标就是
把穴盘送至符合的位置,还应通过停放板将其导正,送至等候区域,等待作业的下一步开展。1.2 穴盘定位和穴盘夹紧
穴盘定位的平面机构由x向螺母、x向丝杆、x向伺服、导轨、机架、y向伺服、y向丝杆、穴盘和y向螺杆组成,如图2所示。在y向螺母上部固定驱动臂,进行穴盘的夹紧和定位。x
与y两个方向上的位置布置依据钵苗和穴盘的距离由移动的电机掌控,实现精准定位,
奶报箱达到精准栽培的效果。
图2 穴盘定位设备
Fig.2 Holediskpositioningequipment
穴盘被送至准确位置后,确保穴盘的固定程度和培育的质量。穴盘夹紧设备由螺母、夹紧手臂、丝杆、支杆、滑道、电动机和定位设施等组成,如图3所示。移栽设备中穴盘夹紧是非常重要的部分,也是成功移栽的必要条件。夹紧设备设计的滑道为圆弧过渡,在穴盘的输送和夹紧的过程中,下端要时刻保持水平的状态,以实现穴盘的导正,
顺利完成移栽。
图3 穴盘夹紧设备
Fig.3 Holediskclampingequipment
图4为滑道机构。在穴盘的夹紧手臂上安装塑料滑轮和滑道进行全面接触,在滑道的内部运动。在穴盘的夹紧手臂的尾端有导向角,在定位过程中具有导向作用。滑道由直线与弧线两段组成,弧线尾端有夹紧手臂时,手臂将会被抬起,在夹紧手臂运转到直线阶段时,
夹紧手臂直接对穴盘进行夹紧。
图4 滑道机构Fig.4 Slidemechanism
夹紧支杆的两侧都有方向节,其一端和夹紧手臂连接,另外一端和夹紧螺母连接,通过电动机进行滑道运动。
1.3 穴盘栽植的定位
穴盘定位设备由齿轮、齿条及电机组成,如图5所示。在有定位的需求时,齿条伸出,齿条的背面和穴盘的定位有着直角的布局,夹紧手臂在夹紧的过程中,完成定位和夹紧工作,同时穴盘在工作台上移动。穴盘栽培完成后,齿条回缩,夹紧手臂放松,穴盘互相间的顶出互换,送至输送带,
基盘设施收集。
图5 穴盘定位设备
Fig.5 Holebasinpositioningequipment
2 主要结构和参数的计算
拖曳声纳
2.1 移栽株距的确定
穴盘是根据蔬菜实际技术进行严格设计的,穴盘规格为高30mm、长640mm、宽280mm、中心距40mm、边距25mm。
若想实现速度快、质量高的移栽,就要实现整盘秧苗良好栽植。以辣椒为例,其栽植条件是地温在15℃之上最佳,若是栽植过早会出现地表温度低、成熟过程长,严重的话可能造成秧苗冻死现象,严重影响作物产量。对辣椒幼苗而言,生长7片真叶后就进入定植期。定植距离是根据蔬菜品种和肥料确定。早熟品种行距是50~54cm,株距是23~26cm,每穴里含有1株植物;晚熟品种的行距是60~67cm,株距是50~60cm;肥料多的栽培稀疏一点,肥料少的可以适当缩小株
距。针对早熟品种加以设计,行距设定为50~54cm,株距23~26cm。一般,栽植期是辣椒苗处
于7~8叶期间,辣椒秧的高度大概15~20cm,占地直径大概是10~15cm。2.2 同步带与带轮确定
同步带传动形式和传动比相比其他传动方式更为精准,基本上不存在滑差,实现恒定速度比较容易,具备传动稳定、吸取震能及降低噪音等优势,多数的传动效益可以达到99%。PU材料有着弹性小和精度高及拉强大的性质,且是当前应用率较高的材料,此设计中输送带与基盘输送带均采用了PU材料。要想实现快速传送就要使用节距大的同步带,采用型号为14M的同步带。通过上文所述,最终确定HTD14M型号为本次设计所选。
同步带在运载穴盘过程中,依据穴盘准备位置托板和送盘机构的安装,满足工艺结构的需求,实现了传输稳定和夹紧手臂的运动协调,还有传输效益更高的效果。所以,
D不能过大,穴盘装载完成后,D要大于12cm,最终选择30-14M作为本移栽机的带轮。2.3 电机选型
送盘集盘与同步带间的受力情况如图6
所示。
图6 送盘集盘与同步带受力情况Fig.6 Forceondisksetandsynchronousbelt
送盘工作是单一的不断运动的工作过程,送盘下个环节作业是把盘送到准确的部位,并断开输送设备,在这环节中有一段空余的时间。利用这段时间开展相应的准备工作,人工把苗盘送至输送带上,把苗盘送至集盘架上。
选择减速机型号为P
S090型,步进电动机的型号为:86BYG350CH-SAKSHL-0301,送盘集盘步进电动机驱动电压为2
20AC,同步带的转速为n1=60v
π
D=42r/min式中 v—同步带具有的线速度(mm/s);
 D—带轮节圆直径(mm)。
因配有1∶
10的减速机,因此送盘集盘伺服电机转速为42r/min,依据送盘集盘步进电动机的频距特
性,伺服电机可以满足作业需求,且集盘输送带是处于苗盘空载的情况下工作,因此能满足其需求。2.4 基于C52单片机的控制系统设计
在控制系统中,共有6个不同动作,即集盘动作、X方向移盘、送盘动作、夹紧动作、夹紧打开及Y方向移盘,6个不同的动作分别由不同的电机完成,电机编号分别是Mquantumas
1、M6、M3、M5、M2、M4。选择C52单片机作为整个系统的控制核心。2.4.1 控制系统设计
控制系统由C52单片机、直流电机、小车、直流电源、发光二极管与光栅传感器组成。所有环节都由直流电机提供动能;光栅设备记录速度,在记录的同时C52单片机对相应的电机进行控制,促使M1~M6可以有秩序地运行;整个栽培过程都会通过C52单片机清晰地显示在液晶屏上;在设备终端设置小灯,利用小灯的闪烁程度说明栽培的状况。
控制系统中的步进电机驱动芯片L298N具有非常重要的地位。光栅记录和速度采集完成后,转达给C52单片机最后进行有效的处理。全部的电路都是通过接口连接完成电路连接,电路工作过程中遵循的设计顺序是:①采集;②处理;③控制执行;④输出。2.4.2 控制装置测试
试验装置根据设计的连接方式进行安装,光栅安装在小车的轴上,是对小车的轴转动数进行有效记录。在C52单片机的计算模式中计算得到实际行进距离,能有效控制载苗时间节点和载苗电机的启动,以及载苗电机的正转、反转、关闭。
此装置展示的输出效果是通过液晶灯的方式来实
现,不同的液晶灯代表着不同的状态,不同电机实际作用如表1所示。依据电机的实际情况对程序进行配置,通过程序运行来提高移栽效果。电机分配如图7所示。
表1 电机名称及其作用Table1 Motornameanditsfunction
电机名称
实际作用
M1夹紧电机把钵盘移动到工作区并夹紧
M2移盘电机(纵向)实现纵向的移盘M3移盘电机(横向)
实现横向的移盘M4夹紧电机栽植完成把夹紧装置打开M5驱动电机(输盘)输送钵盘至等待区域M6
驱动电机(集盘)信用卡催收系统
把钵盘收集到集盘区域
图7 电机分配
Fig.7 Motorallocation
3 全自动蔬菜移栽机田间试验和创新点3.1 田间试验
3.1.1 试验材料与试验方法
2018年5月6—7日,在吉林农业大学试验田中进行了移栽性能试验。准备阶段:试验田已经完成翻整,地表面平整,铺设滴灌带与地膜。使用大棚对“早红一号”辣椒苗进行培育,育苗的时间范围是2018年4月6日—5月7日之间,苗龄是61天,平均的苗体高度是16.52cm;基质是采用草炭、蛭石及珍珠岩以相同比例融合制成,含水率是24%~32%之间。
根据机械行业有关标准和规定,对穴盘苗的性能进行验证,且进行移栽试验。试验过程中,移栽机的实际速度要控制在1.2km/h,选取3盘辣椒穴盘苗开展不间断的移栽试验。试验的过程中还要对每盘的株数进行有效的记录;最后,还要分别对移栽的苗数进行记录,包括喂苗成功株数、空穴数、移栽成功株数和倒伏数等,并对试验的结果进行分析。
取苗成功率指的是取苗、带苗与投苗均成功。移栽成功率按照如下公式进行计算,即
SF
-N
MS
-N
FF
-N
LD
SF
-N
MS
式中 S
—移栽成功率(%);
 N
SF
—移栽总数(个);
 N
MS
—空穴数(个);
 N
FF
蒸汽吹灰器—取苗失败次数(株);
 N
LD
伤苗数(株)。
值得注意的是:蔬菜幼苗在移栽过程中,叶子被刺破或者是单片叶子脱落并不会对幼苗生长带来严重的影响,因此在试验过程中伤苗情况只对主茎折断这一种情况加以考虑。
3.1.2 试验结果分析
自动移栽机的取喂性能试验与移栽性能试验结果分别如表2和表3所示。由表中数据能够看出:取苗的成功率是98.52%,喂苗的成功概率是95.56%,栽植过程中移植频率是56株/min,空穴的率是5.56%,倒伏率是2.96%,栽植成功概率是91.48%。
表2 蔬菜移栽机取喂性能试验结果
Table2 Performancetestresultsofvegetabletransplanter
试验
次数
穴盘
株数
/株
取苗成功
株数
/株
取苗
成功率
/%
喂苗成功
株数
/株
喂苗
成功率
/%1908998.898796.672908897.788695.563908998.898594.44平均值9098.5295.56
表3 蔬菜移栽机移栽性能试验结果统计
Table3 Statisticsoftransplantingperformanceofvegetabletransplanter
试验次数移栽速度
/km·h-1
移植频率
/株·min-1
空穴数
/个
空穴率
/%
倒伏株数
/株
倒伏率
/%
移栽成功株数
/株
移栽成功率
/%
11.25655.5611.118493.3321.25744.4433.338392.2231.25566.6744.448088.89平均值-565.562.9691.48
3.2 创新点
自动蔬菜移栽机采用夹取式、顶杆式及下出苗式方法把苗通过导管送入栽培沟,各有优点和缺点。夹取式:很容易对苗和对根产生伤害,对苗体质要求更高,会出现因苗脱落造成取苗失败。顶杆式:虽然对苗体与苗根没有较大的影响,但会使输送过程变得复杂,钵苗送达的过程中能够实现完全的定位,准确把钵苗放置在栽培器中。下出苗式:既不会对苗体和苗
根造成伤害,且工作过程也比较简单,送达的位置也很标准。因此,可以把移栽装置的发展方位和趋势进行有效的融合,取得每项方式的优势,在使用这类方式时还可以直接把钵苗运到导管中。
自动化移栽设备的发展方向应是双目识别的路线,苗手臂的选取也要应用仿生科学理论来制造机械的手臂,利用金属的骨架和耐磨性较强的原材料来制造夹苗指针,这样会降低对根系的伤害。
4 结论
1)设计根据电机的实际需求和满足条件进行参数的选择,对同步带的选用、电机的选用、有关计算及设备的配置,达到全自动蔬菜移栽机的设计要求。
发动机调速器2)试验结果表明:取苗成功率是98.52%,喂苗成功率是95.56%,空穴率是5.56%,倒伏率是2.96%,栽植成功率是91.48%。
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DesignandExperimentofAutomaticVegetableTransplanter
YangLisha1,2,ShaoJianjiang3
(1.HunanUniversity,Changsha410011,China;2.In
formationEngineeringCollegeofHunanInstituteofProfessionalTechnology,Changsha410208,China;3.GuangdongTransportationVocationalTechnologyCollege,Guangzhou510800,China)
Abstract:Aimingatthecurrentstage,thevegetabletransplanterismainlysemi-automatic,withrelativelylowworkingefficiency,afully-automaticvegetabletransplanterbasedonsingle-chipmicrocomputercontrolisdesigned.Accordingtotheactualdesignrequirements,thedesignparametersfordeterminingtheactualdistanceandspecificationofthediscare:width28cm,length64cm,thedistancebetweentheholeandthemiddleoftheholeis4cm,theheightoftheholediskis3cm,thedistancebetweentheholeedgeis2.5cm,andthespecificationofthediscis:90points.STC89C52RCisselectedforautomati
ctransplantercontrolsystem.Themachineiscontrolledasthecarrierinthesystemmode.Theac tualtransplantingexperimentwascarriedoutbyusing"ZaohongNo.1"chiliseedlingwith61dseedlingage.Theaverageseedlingheightof'ZaohongNo.1'was16.52cm,andthespeedthattractorsneededtocontrolwas1.2km·h.There sultsshowedthatthesuccessprobabilityofseedlingcollectionwas98.52%,thesuccessprobabilityofseedlingfeedingwas95.56%,andtheprobabilityof56plants/min,holessetintheplantingprocesswas5.56%.Theresultsshowedthatthesuccessprobabilityofseedlingcollectionwas98.52%,thesuccessprobabilityofseedlingfeedingwas95.56%,andthefrequencysetduringplantingwas5.56%.Theprobabilityoflodgingwas2.96%,andtheprobabilityofsuccessofplantingwas91.48%.
Keywords:vegetablecultivation;automaticcultivation;STC89C52RCsinglechipmicrocomputer

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