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牧草種子丸化包衣預混合實時控制系統的設計

發布時間:2019-06-26所屬分類:農業論文瀏覽:1

摘要:針對牧草種子丸化設備存在自動化程度較低、丸化包衣品質較差等問題,設計了牧草種子丸化包衣預混合實時控制系統,可有效提高丸化包衣品質。該系統以單片機作為控制核心,集編程、傳感器等技術于一體,可根據給定種子量實時配比粉料量和藥液量,并同時在

  摘要:針對牧草種子丸化設備存在自動化程度較低、丸化包衣品質較差等問題,設計了牧草種子丸化包衣預混合實時控制系統,可有效提高丸化包衣品質。該系統以單片機作為控制核心,集編程、傳感器等技術于一體,可根據給定種子量實時配比粉料量和藥液量,并同時在混料室內充分混合,實現了實時精確控制功能。以牧草種子丸化包衣為例,將預混合系統安裝前后進行了對照試驗,當包衣時間同為20min時,安裝了預混合系統,其單籽率與丸化包衣合格率分別為92%、95%;而未安裝預混合系統,其單籽率與丸化包衣合格率分別為83%、90%。試驗結果表明:在粉料與藥液進入包衣鍋前進行預混合,可有效降低多籽率,提高單籽率和丸化包衣合格率。研究結果可為小粒牧草種子丸化包衣提供參考依據。

  關鍵詞:丸化包衣;預混合;自動控制;單片機

現代農業

  0引言

  種子丸化包衣可以提高種子質量,促進種子萌發和植株生長,改善種子的播種性能,有利于實現機械化精量播種。針對我國北方干旱半干旱地區退化草原生態建設問題,對牧草種子進行丸化包衣處理,將有助于加速退化草原的植被恢復與重建。因此,研發牧草種子丸化包衣設備,提高其自動化程度,對于改善草原生態環境具有十分重要的意義[1-2]。

  近年來,我國科技人員加快了種子丸化包衣設備的研發進度,胡良龍等人在比較、借鑒國外先進的種子包衣技術及控制技術的基礎上,自主創新研究開發了5BY型種子包衣設備[3-4]。彭寶良等人系統地優化了不同形狀種子的丸化加工工藝,研發了5WH-160型種子丸化包衣設備[5-6]。孫正等人設計的番茄種子包衣烘干系統,提升了設備的自動化水平,初步解決了番茄種子包衣丸化的難題[7]。雖然通過不斷地改進,我國種子丸化包衣技術水平取得到了顯著提升,但仍存在一些問題[8-9]。

  例如,小粒不規則種子丸化包衣設備很少,且自動化程度較低,不同品種種子丸化工藝參數不確定,丸化包衣多籽率高,單籽率與包衣合格率低等,這些都會導致丸化包衣作業質量難以提高[10]。針對上述問題,設計了牧草種子丸粒化包衣預混合實時控制系統,以單片機為控制核心,并結合變頻器、步進電機和各種傳感器技術,實現了整個裝置的實時精確控制。經過預混合后的牧草種子表面可均勻地包裹上種衣劑,在包衣鍋內丸粒化包衣時不易與鍋壁粘結,可有效降低多籽率,提高單籽率及丸粒化合格率。

  1總體結構與工作原理

  1.1總體結構

  牧草種子丸化包衣預混合系統主要包括種子定量供給裝置、藥液定量供給裝置、粉料定量供給裝置、種子與藥液和粉料實時混配裝置及其控制系統。

  1.2工作原理

  試驗時,種子由風送裝置從儲料桶送至料斗內,通過調節錐形閥門啟閉控制下料量;上料位傳感器和下料位傳感器實時監測料斗內物料情況,稱重傳感器采集稱重盤內種子質量信息。當種子下落到稱重盤的同時撥盤電機帶動撥盤轉動使種子下落到種、液混合室內;分流板的作用是分散種子,使其均勻地下落到藥液混合室內。

  高壓泵將藥液送到噴頭進行霧化,在種子下落過程中與霧化的藥液進行接觸,使藥液在種子表面成膜,待成膜的種子下落到種、粉混合室內,粉料經星型喂料器送至噴頭開始進行噴粉,成膜的種子與藥粉充分混合,隨后下落到與之相連的包衣鍋內。混料室和粉液管道之間各連有控制閥門和高壓噴頭,使粉液以霧化的形式存在于混料室中,更利于種子和藥液及藥粉充分混合,提前讓種子在混料室內預混合,可以防止其在包衣鍋內粘結而增加丸化多籽率。

  2控制系統設計

  牧草種子丸化包衣預混合實時控制系統主要由系統硬件和軟件兩部分組成。

  2.1系統硬件設計

  該硬件部分主要由單片機、傳感器組和驅動模塊等組成。核心控制器選用STC12C5A60S2單片機,其速度比傳統8051單片機快8~12倍;工作電壓為3.5~5.5V;單片機內部集成MAX810專用復位電路;支持ISP和PWM;自帶2路UART和8路高速10位A/D轉換(250K/S)。其還具有過熱關機鎖存、過壓保護鎖定及欠壓關閉等功能。選擇單片機作為控制核心既可保證快精準的運算,又可以針對強干擾場合的電機進行控制,且其引腳資源豐富有利于外設控制和數據讀取[11]。

  2.1.1傳感器模塊

  傳感器模塊包含上、下料位傳感器模塊、稱重傳感器模塊和流量監測模塊。料斗內有種子時,上料位傳感器發出信號,撥盤轉動下料,延時數秒開始供液,繼續延時數秒開始供粉;料斗內無種子時,下料位傳感器發出信號,風機、步進電機等各部件依次停止工作。上、下料位傳感器采用LJC18A3-B-Z/BX型電容式接近開關,其工作電壓為DC6~36V,檢測距離1~10mm可調。

  液流檢測計的作用是實時檢測流體管道中藥液的情況。選用CYG3002型高精度壓力控制開關,準確度為0.5級,過載壓力為兩倍滿量程,溫度漂移≤±0.5%FS/℃,穩定性最大不超過±0.2%FS/年。其具有體積小、穩定性高和靈敏度高等特點。由于牧草種子很輕,為了保證供種的精確性,選擇量程為0~1kg、精度0.01g的高精度雙孔懸臂應變式稱重傳感器,其綜合誤差<0.05%F.S,靈敏度為0.8±0.1mV/V,激勵電壓5~10V,過載能力達到150%F.S。

  其具有精度高、易加工、結構簡單緊湊及抗偏載能力強等特點;但由于傳感器輸出信號的電壓幅度非常小,且易受外部噪聲干擾,所以選用A/D轉換器HX711對稱重傳感器輸出信號進行調理[12]。電容C1、C2和HT7350組成的穩壓電路,將電源電壓穩定到5V,為信號調理電路提供標準恒定的工作電源,P2.0口和P2.1口分別連接IIC時鐘和數據控制端口。

  2.1.2驅動模塊

  驅動模塊主要包含步進電機驅動模塊、變頻器驅動模塊和控制閥驅動模塊。預混合過程中,粉料供給由星型喂料器內步進電機帶動撥料盤轉動,通過風機將粉料送至出風口,再經粉料管道傳送至混料室內。由于步進電機每次轉動角度固定,粉料總質量一定,所以每次下落的粉料質量一定,可通過利用步進電機驅動蝸輪蝸桿從而帶動包衣鍋在水平面內旋轉,完成任意角度設定的任務。經多次試驗后,最終確定每轉動一步下落的粉料量。

  步進電機采用兩相四線步進電機,驅動器選用升級版TB6600步進電機驅動器。試驗選用的步進電機固有步距角為1.8°,驅動器最高可實現32細分,在32細分下步距角為0.05625°,可精確調節撥料盤轉動角度。

  其中,P1.0口控制使能信號,P1.1口控制方向信號,P1.2口控制脈沖信號,分別通過EN-、DIR-和PUL-接入。驅動器采用共陽極接線方法,將EN+、DIR+和PUL+連接到控制系統的+5V電源,通過中斷延時程序改變輸出脈沖,輸出的脈沖經驅動器驅動步進電機的各項繞組,從而驅動步進電機的運行,步進電機隨著不同的脈沖信號執行相應的動作。藥液供給由電機帶動計量泵從貯藥桶精確取液,再經流體管道送至混料室。

  工作原理:通過改變電機的轉速使泵的輸出流量發生變化,從而達到通過改變流體泵源的排量來調節回路中的流量、進行容積式控制的效果。在此回路中,泵輸出的流體直接進入執行元件,沒有溢流和節流損失,具有效率高、發熱少等特點[13]。

  選用型號為VFD015M21A-A型變頻器,采用多重防護技術能顯著提高整機的抗干擾能力。其輸出頻率最高達到400Hz,載波頻率可達15kHz,內置PID回授控制,并具有自動滑差補償功能,可通過變頻器調節電機轉速,有效控制取液量。

  2.2系統軟件設計

  牧草種子丸化包衣預混合控制系統的軟件設計主要包括主程序模塊、傳感器采集模塊、步進電機驅動模塊、變頻器控制模塊,以及串行通訊模塊幾大部分。采用C語言對軟件程序進行編寫,并使用編碼器Keil-μVision5將寫好的程序編譯為機器碼。

  在系統自動工作過程中,主程序首先完成硬件及各傳感器的初始化工作,延時一段時間后,啟動風機進行供種;當上料位傳感器發出信號時步進電機帶動撥片轉動,當稱重傳感器采集的信息顯示達到預設所需質量時,進行供粉、供液等一系列操作,直到完成整個預混合過程。

  3結論

  1)設計牧草種子丸化包衣預混合裝置,并以STC12C5160S2單片機為控制核心,實現了整個預混合裝置的自動控制功能。

  2)對牧草種子是否進行預混合過程進行對照試驗,結果表明:當整個丸化包衣時間相同時,經過預混合的牧草種子丸化包衣單籽率為92%,合格率為95%;未經過預混合的牧草種子丸化包衣單籽率僅為83%,合格率為90%。因此,加入預混合裝置并實現自動控制,可以提高牧草種子丸化包衣合格率與單籽率。

  參考文獻:

  [1]仇義,陳智,侯占峰,等.振動力場提高牧草種子丸化包衣效果數值模擬與試驗[J].農業工程學報,2017,33(19):86-93.

  [2]王海鷗,胡志超,田立佳,等.種子丸化技術及其研究與應用概況[J].現代農業裝備,2006(10):48-50.

  [3]胡良龍.種子包衣機PLC控制系統的設計與實現[D].南京:南京理工大學,2009.

  [4]王麗維.基于單片機控制的種子包衣控制系統的設計[D].蘭州:甘肅農業大學,2009.

  [5]彭寶良.種子丸化設備設計與試驗研究[D].南京:南京林業大學,2012.

  [6]謝煥雄,宋英,彭寶良,等.基于PLC的種子丸化設備自動控制系統設計與實現[J].中國農機化,2012(3):125-128.

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