CN114651638B - 一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式 - Google Patents

一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式，包括微控制器、气泵、传感器、穴盘、针孔气吸式播种滚筒。所述的微控制器作为整体信号处理核心；所述的气泵为针孔气吸式播种滚筒提供正、负压；所述的传感器包括检测流水线速度的速度传感器、检测穴盘的行程开关、检测播种滚筒的角度传感器；所述的穴盘是装有土壤基质并压穴后的72孔黑色聚乙烯吸塑育苗穴盘；所述的播种滚筒是针孔气吸式播种滚筒。本发明解决了针孔气吸式播种滚筒难以精准控制的问题，可以实现针孔气吸式播种滚筒吸附的种子准确的落在穴盘的穴孔里。具有成本低、播种率高、重播率低、自动化程度高、准确率高等优点。

Description

一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式
技术领域
本发明属于蔬菜育苗装置技术领域，具体涉及一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式。
背景技术
随着目前可耕地面积的减少，居民对蔬菜需求量的增加，传统的蔬菜种植方式已经无法满足居民的基本需求。蔬菜育苗流水线是响应国家农业现代化建设号召、结合实际生产需要而诞生的一款蔬菜种植机械设备。蔬菜育苗流水线可以弥补传统蔬菜种植的规模小、产量低、效率低、精度低等一系列不足。
但是以往的蔬菜育苗流水线所采用的播种滚筒千差万别，随着实际工程技术的发展和实际作用效果显示，针孔气吸式播种滚筒的工作效果日渐显著。但是这种播种滚筒控制难度大、要求播种的精度高、涉及机电一体化技术。目前现有技术对针孔气吸式播种滚筒的控制方式，播种滚筒的转速不能随育苗流水线传送带速度的变化而自动跟踪变化，并且播种精度不高，重播和漏播现象比较严重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒的控制方式。通过传感器检测相关数据，并上传至微控制器，微控制器通过控制步进电机转动的速度和角度，实现精准控制播种滚筒转动的角度和速度。解决了现有技术中控制难度高、控制精度低的问题，具有成本低、算法精准、重播率低、播种率高、控制精度高等优点。经过实验验证，控制精度达到毫米级。
本发明提供了如下的技术方案：
一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精确控制方式，包括以下步骤：
刚接通电源时，角度传感器检测针孔气吸式播种滚筒当前角度值，并且把检测到的角度值上传至微控制器里。微控制器判断播种滚筒当前的角度，计算出实际角度与设定初始角度值的差值，并将这个角度差值转换为步进电机的脉冲数量，此过程即自动初始化角度过程。完成角度初始化过程后，针孔气吸式播种滚筒需要再完成自动初始化吸附种子的过程；
当育苗流水线传送带达到设定值时，与传送带传动轴同轴转动的速度传感器检测当前育苗流水线传送带的实际速度值，并把该速度值上传至为控制器。控制器把当前育苗流水线传送带的实际速度值，通过一定关系转化为步进电机的脉冲宽度，来实现播种滚筒上吸附种子的线速度与流水线传送带上育苗穴盘的速度相匹配；
行程开关安装在育苗流水线上，并且在针孔气吸式播种滚筒下方的指定位置，用来检测育苗流水线传送带上的带有土壤基质压穴后的育苗穴盘。当有育苗穴盘触发行程开关时，行程开关向微控制发送高电平信号；当没有穴盘触发行程开关时，行程开关向微控制器发送低电平信号；
当装有土壤基质压穴后的育苗穴盘触发行程开关时，微控制器向步进电机驱动器下达控制指令，驱使步进电机以上述计算出的脉冲数量、脉冲宽度转动，从而实现对针孔气吸式播种滚筒的精准控制。
优选的，针孔气吸式播种滚筒完成自动初始化角度、自动初始化吸附种子两个过程，通过公式(1)计算得出完成两个过程步进电机需要的脉冲数量，公式(1)为：
y＝y1+y2 (1)
其中y是步进电机为完成自动初始化角度、自动初始化吸附种子两个过程共需要的脉冲数量；y1是步进电机为了实现角度初始化，需要转动的脉冲数量；y2是步进电机完成自动初始化吸附种子，需要转动的脉冲数量。
优选的，针孔气吸式播种滚筒完成角度自动初始化过程，通过公式(2)计算得出步进电机的脉冲数量，公式(2)为：
其中y1是步进电机为了实现角度初始化，需要转动的脉冲数量；n是针孔气吸式播种滚筒齿轮数与步进电机齿轮数传动比；N是步进电机驱动器设置的步数；b是角度传感器转一周对应的最大数字量；a是针孔气吸式播种滚筒针孔气吸口总行数；i是角度传感器检测到的当前的播种滚筒对应的针孔气吸口行数；x是角度传感器检测到的数字量。
优选的，针孔气吸式播种滚筒完成自动初始化吸附种子过程，通过公式(3)计算得出步进电机的脉冲数量，公式(3)为：
其中y2是完成自动初始化吸附种子过程，需要转动的脉冲数量；n是针孔气吸式播种滚筒齿轮数与步进电机齿轮数传动比；N是步进电机驱动器设置的步数；a是针孔气吸式播种滚筒针孔气吸口总行数。
优选的，速度传感器与育苗流水线传送带同轴转动，通过公式(4)计算得育苗流水线传送带的实际速度值，公式(4)为：
其中v是传送带的实际速度值，单位为米每秒，m/s；d是育苗流水线按传送带传动轴的直径，单位为米，m；t是育苗流水线传送带传动轴转一周所用的时间，单位为秒，s。
优选的，针孔气吸式播种滚筒自动跟踪流水线传送带实际速度，通过公式(5)计算得步进电机脉冲宽度与传送带实际速度值间关系，公式(5)为：
其中h是步进电机的脉冲宽度，单位为微秒，μs；R是针孔气吸式播种滚筒的半径，单位为米，m；v是传送带的实际速度值，单位为米每秒，m/s；N是步进电机驱动器设置转动一周的步数，单位为个。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用步进电机带动针孔气吸式播种滚筒，通过微控制器直接控制步进电机驱动器，来间接控制针孔气吸式播种滚筒。通过控制步进电机转动所需要的脉冲数量和脉冲宽度，间接控制针孔气吸式播种滚筒转动的角度和速度，极大的提高了控制精度。经过实验验证，控制精度达到毫米级；
(2)本发明可以自动完成初始化角度、初始化吸附种子两个过程，节省人力成本、降低整条设备安装调试难度。使得整条蔬菜育苗流水线设备更加智能化、自动化，也降低了设备使用者的使用难度；
(3)本发明可以使针孔气吸式播种滚筒，自动跟踪育苗流水线传送带，从而保证使用者可以任意调节育苗流水线传送带的速度值，降低设备使用者的门槛。
附图说明
图1是本发明中控制方式的结构示意图；
图2是本发明的电路接线图；
图3是本发明中控制方式的流程图；
图4是本发明中使用的针孔气吸式播种滚筒的结构示意图；
图5是本发明中使用的针孔气吸式播种滚筒安装导气板结构示意图；
图4中标记为：1、气体腔室；2、针孔气吸口；3、针孔气吸式播种滚筒；4、种槽；5、种子铲板。
图5中标记为：1、针孔气吸式播种滚筒安装导气板；2、大气导气孔；3、正压导气孔；4、负压导气孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精确控制方式，包括微控制器、速度传感器、育苗流水线传送带、行程开关、步进电机驱动器、步进电机、针孔气吸式播种滚筒、气泵、角度传感器、装有土壤基质压穴后的育苗穴盘；
速度传感器的转轴与蔬菜育苗流水线传送带的传动轴相连，两者实现同轴转动。速度传感器的信号线与微控制器相应端口连接，用于把测量的数据上传至微控制器；
行程开关传感器与微控制器相连，用于检测流水线传送带上是否有穴盘到达指定位置，并把检测结果上传至微控制器；
微处理器用于接收速度传感器上传的流水线传送带的实际速度值，并把实际的速度值通过公式转换为此时步进电机的脉冲宽度。微控制器还用于接收角度传感器上传的播种滚筒的实际角度值，并把实际的角度值通过公式转换为步进电机需要的脉冲数量。微控制器还接收行程开关的检测信号，当有育苗穴盘触发安装在指定位置的行程开关时，行程开关的常闭信号引脚向与之相连的微控制器发送高电平信号，当没有育苗穴盘触发行程开关时，行程开关的常闭信号引脚向与之相连的微控制器发送低电平信号。
气泵为针孔气吸式播种滚筒提供正、负压。正压用于吹掉针孔气吸口的种子，以防止针孔气吸口堵塞；负压用于把种子吸附在针孔气吸口，来实现播种。
装有土壤基质压穴后的育苗穴盘是12行6列72孔的空黑色聚乙烯吸塑育苗穴盘，经过装填土壤基质、压穴后的待播种的育苗穴盘。
如图4所示，是针孔气吸式播种滚筒的左视图，标记1是气体腔室，与标记2针孔气吸口相连。如图5所示，是针孔气吸式播种滚筒安装导气板，标记4是负压导气孔，该孔与气泵的负压相通。当图4里标记1的气体腔室与负压导气孔相通的时候，对应的气体腔室里的气体为一定气压的负压，对应气体腔室连接的针孔气吸口吸附种子，并随着播种滚筒转动。
如图5所示，是针孔气吸式播种滚筒安装导气板，标记2是大气导气孔，该孔与大气相通。当图4里标记1的气体腔室与大气导气孔相通的时候，对应的气体腔室里的气体为大气，对应气体腔室连接的针孔气吸口吸附的种子由于没有了吸力，便在自身重力的作用下掉落入刚好到达的育苗穴盘种穴里。如果种子没有掉落，此时将会由图4里标记5铲板来铲掉播种滚筒上的种子。
如图5所示，是针孔气吸式播种滚筒安装导气板，标记3是正压导气孔，该孔与气泵正压相通。当图4里标记1的气体腔室与正压导气孔相通的时候，对应的气体腔室里的气体为正压，对应气体腔室连接的针孔气吸口向外部吹气，吹掉堵塞在针孔气吸口的堵塞物。
如图3所示，一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式，包括以下步骤：
步骤一、设备刚上电时，微控制器里程序进行初始化。针孔气吸式播种滚筒完成自动初始化角度、自动初始化吸附种子两个过程，具体的：
设备刚通上电时，微控制器里程序进行初始化操作。角度传感器采集此时播种滚筒的实际角度值，并把此时的角度值上传至微控制器里。微控制器把此时的角度值与设定的初始角度值作对比，判断是否达到初始角度值。若此时刚好是初始角度值，则进行自动初始化吸附种子的过程。若此时不是初始角度值，则播种滚筒转动相应的角度来到达初始角度位置，然后再进行自动初始化吸附种子的过程。自动初始化角度过程需要的脉冲数量通过公式(1)计算得出，公式(1)为：
其中y1是步进电机为了实现初始化角度，需要转动的脉冲数量；n是针孔气吸式播种滚筒齿轮数与步进电机齿轮数传动比；N是步进电机驱动器设置的步数；b是角度传感器转一周对应的最大数字量；a是针孔气吸式播种滚筒针孔气吸口总行数；i是角度传感器检测到的当前的播种滚筒对应的种针孔气吸口数；x是角度传感器检测到的数字量。
自动初始化吸附种子过程需要的脉冲数量通过公式(2)计算得出，公式(2)为：
其中y2是完成自动初始化吸附种子过程，需要转动的脉冲数量；n是针孔气吸式播种滚筒齿轮数与步进电机齿轮数传动比；N是步进电机驱动器设置的步数；a是针孔气吸式播种滚筒针孔气吸口总行数。
步骤二、速度传感器检测蔬菜育苗流水线传送带的实际速度值，并把传送带实际速度值上传至微控制器。
速度传感器的转轴与蔬菜育苗流水线传送带的传动轴相连，两者实现同轴转动。速度传感器的信号线与微控制器相应端口连接，用于把测量的数据上传至微控制器。育苗流水线传送带的实际速度值通过公式(3)计算得出，公式(3)为：
其中v是传送带的实际速度值，单位为米每秒，m/s；d是育苗流水线按传送带传动轴的直径，单位为米，m；t是育苗流水线传送带传动轴转一周所用的时间，单位为秒，s。
步骤三、行程开关传感器检测是否有育苗穴盘到达指定位置，并把检测结果上传至微控制器。微控制器根据行程开关传输来的不同的电信号，来判断是否要驱动针孔气吸式播种滚筒转动。
当育苗流水线传送带上有育苗穴盘触发行程开关时，行程开关的常闭引脚向与之相连的微控制器传输高电平信号。当育苗流水线传送带上没有育苗穴盘触发行程开关时，行程开关的常闭引脚向与之相连的微控制器传输低电平信号。微控制器根据相应引脚高低电平，来判断是否要驱动针孔气吸式播种滚筒转动。
步骤四、基于步骤二中，速度传感器检测到育苗流水线传送带实际速度值。微控制器根据上传的实际速度值，计算出此时驱动步进电机所需要的脉冲宽度。
步进电机脉冲数量决定步进电机转动的角度，而步进电机的脉冲宽度决定着步进电机的转速。为了实现针孔气吸式播种滚筒表面吸附的种子能够精确的播种入育苗穴盘种穴里，除了要对育苗流水线传送带上的带有土壤基质压穴后的育苗穴盘进行精准的位置检测外。还要实现从播种开始时，播种滚筒上吸附的种子的线速度，与育苗流水线传送带上行走的育苗穴盘速度一致。这样才能保证后续播种滚筒上的吸附的种子都能准确的下落到穴盘上对应的种穴里。根据流水线传送带的实际值，通过公式(4)计算播种滚筒对应的步进电机脉冲宽度，公式(4)为：
其中h是步进电机的脉冲宽度，单位为微秒，μs；R是针孔气吸式播种滚筒的半径，单位为米，m；v是传送带的实际速度值，单位为米每秒，m/s；N是步进电机驱动器设置转动一周的步数，单位为个。
步骤五、当行程开关检测到有穴盘到达指定位置时，微控制器驱动步进电机驱动器，进而驱动针孔气吸式播种滚筒转动，并且此时播种滚筒转动的速度与育苗流水线传送带上穴盘的速度相匹配，实现无差跟踪。此处针孔气吸式播种滚筒为12行6列72孔，与育苗穴盘的12行6列72孔相一致。故播种滚筒转动一周，恰好完成一个育苗穴盘的播种过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式，其整体控制硬件包括：微控制器、速度传感器、行程开关、步进电机、步进电机驱动器、角度传感器、针孔气吸式播种滚筒、72孔黑色聚乙烯吸塑穴盘、蔬菜育苗流水线传送带、具有正负压功能的气泵；
所述的蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式，整条流水线在刚上电时，针孔气吸式播种滚筒需先实现自动初始化角度，再实现自动初始化吸附种子这两个过程；为完成以上两个过程，微控制器通过公式(1)计算两个过程共计需要的步进电机驱动器脉冲数量，公式(1)为：
y＝y1+y2 (1)
其中y是步进电机为完成自动初始化角度、自动初始化吸附种子两个过程共需要的脉冲数量；y1是步进电机实现角度初始化过程转动的脉冲数量；y2是步进电机实现自动初始化吸附种子过程转动的脉冲数量；
所述针孔气吸式播种滚筒自动初始化角度过程，与针孔气吸式播种滚筒同轴转动的角度传感器采集实时角度值对应的数字量，然后与设定的初始角度数字量进行对比，当实际角度值不等于设定的初始角度值时，步进电机自动转动相应的角度，以实现滚筒转到设定的初始角度位置；微控制器通过公式(2)计算步进电机具体转动角度对应的脉冲数量，公式(2)为：
其中y1是步进电机实现自动初始化角度过程转动的脉冲数量；n是针孔气吸式播种滚筒齿轮数与步进电机齿轮数传动比；N是步进电机驱动器设置的步数；b是角度传感器转一周对应的最大数字量；a是针孔气吸式播种滚筒针孔气吸口总行数；i是角度传感器检测到的当前的播种滚筒对应的针孔气吸口行数；x是角度传感器检测到的数字量；
所述针孔气吸式播种滚筒自动初始化吸附种子过程，当针孔气吸式播种滚筒完成自动初始化角度过程后，微控制器给步进电机驱动器相应数量的脉冲，步进电机驱动播种滚筒实现相应角度的转动，完成自动初始化吸附种子过程；微控制器通过公式(3)计算步进电机驱动器的脉冲数量，公式(3)为：
其中y2是步进电机完成自动初始化吸附种子过程，需要转动的脉冲数量；n是针孔气吸式播种滚筒齿轮数与步进电机齿轮数传动比；N是步进电机驱动器设置的步数；a是针孔气吸式播种滚筒针孔气吸口总行数；
所述的蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式，速度传感器与育苗流水线传送带传动轴同轴转动，检测育苗流水线传送带的速度；微控制器通过公式(4)计算得出育苗流水线上穴盘的实际速度值，公式(4)为：
其中v是传送带的实际速度值，单位为米每秒，m/s；d是育苗流水线按传送带传动轴的直径，单位为米，m；t是育苗流水线传送带传动轴转一周所用的时间，单位为秒，s；
所述的蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式，针孔气吸式播种滚筒的转速可以自动跟踪匹配育苗流水线传送带的速度，实现滚筒吸附的种子线速度与流水线上穴盘的速度一致；微控制器通过公式(5)计算速度匹配时对应的步进电机脉冲宽度，公式(5)为：
其中h是步进电机的脉冲宽度，单位为微秒，μs；R是针孔气吸式播种滚筒的半径，单位为米，m；v是传送带的实际速度值，单位为米每秒，m/s；N是步进电机驱动器设置转动一周的步数，单位为个。
2.根据权利要求1所述的蔬菜育苗流水线针孔气吸式播种滚筒精准控制方式，所述行程开关用来检测育苗流水线传送带上的育苗穴盘；行程开关安装在针孔气吸式播种滚筒下方的指定位置，当育苗流水线传送带上有育苗穴盘触发行程开关时，针孔气吸式播种滚筒开始转动，实现播种过程。
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