基于LabVIEW 的種子包衣電控系統(tǒng)的設(shè)計

　　摘 要: 針對目前國內(nèi)種子丸化設(shè)備存在自動化程度較低、人 工 操 作 復(fù) 雜、無法實現(xiàn)精準(zhǔn)控制種粉液比例等問題，設(shè)計了基于 LabVIEW 控制的全自動包衣電控系統(tǒng)，可有效提高包衣的速度和質(zhì)量。系統(tǒng)以單片機作為下位機，LabVIEW 為上位機，集編程電控等技術(shù)，可提前設(shè)置種子落量、落粉質(zhì)量以及噴液時間等，并精準(zhǔn)控制各部分電機運行時間，實現(xiàn)了全自動精確功能。試驗結(jié)果表明: 以冰草種子丸化包衣為例，將電控系統(tǒng)安裝在傳統(tǒng)手動包衣機上，當(dāng)在上位機設(shè)置完落料參數(shù)時，包衣機開始 運 行，實現(xiàn)了全自動作業(yè)，落料落粉精確度控制在 2% 以內(nèi)，噴液時間實現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。研究結(jié)果可為種子丸化包衣電控系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞: 冰草種子; 丸化包衣; LabVIEW; 電控系統(tǒng); 單片機

　　張曦文，侯占峰，戴念祖; 農(nóng)機化研究 2022 年 7 月

　　0 引言

　　種子作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可替代的最初形態(tài)，是農(nóng)作物實現(xiàn)高產(chǎn)的關(guān)鍵，良好品質(zhì)的種子決定了農(nóng)業(yè)的豐收。種子加工技術(shù)不僅可以提高種子品質(zhì)，還能使種子走向商品化，一直備受關(guān)注。

　　種子包衣技術(shù)主要分為機械包衣和人工包衣。包衣為根據(jù)種子生長的的具體環(huán)境，調(diào)節(jié)種衣劑的成分，通過包衣工藝使種子表面和種衣劑均勻接觸，包裹形成一層光滑、牢固的藥膜。其中，種衣劑可包含多種成分，主要包括殺蟲劑、殺菌劑、復(fù)合肥料、微量元素、植物生長調(diào)節(jié)劑、緩釋劑和成膜劑等。如何選擇合適的種衣劑需具體參考種子類型、生長環(huán)境、種植季節(jié)等因素。

　　我國種子包衣技術(shù)起步于 20 世紀(jì) 70 年代，相比于西方一些發(fā)達(dá)國家起步較晚。目前，國內(nèi)設(shè)計生產(chǎn)的包衣機自動化程度低，包衣全程需要手動加料和手動控制，非常考驗操作者的包衣經(jīng)驗和操作熟練度。相比于國外一些先進(jìn)丸化包衣設(shè)備，全自動精準(zhǔn)落料控制可以提高種子的包衣質(zhì)量，極大提高了種子包衣的效率，降低了生產(chǎn)成本[1]; 但盲目引用國外機器也造成了許多問題，如價格高昂和適用性不強等問題。國外包衣設(shè)備相比于國內(nèi)價格相差 10 ～ 20 倍，且西方國家作物生長環(huán)境與我國也有很大差異性，不能直接引用。近年來，自動化程度低的問題引發(fā)了業(yè)界廣泛的關(guān)注與思考，張佳麗等人對國內(nèi)包衣機現(xiàn)狀及發(fā)展歷程進(jìn)行總結(jié)，并提出了自己的見解[2]。李建軍等人在對 5BY 型種子包衣機最佳工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，對包衣機控制系統(tǒng)的自動化和智能化進(jìn)行了展望[3]。楊婉霞等人對包衣及控制系統(tǒng)的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的擴展，設(shè)計了包衣專家系統(tǒng)[4]，但對包衣機的具體選型和包衣工藝參數(shù)的選擇還有待進(jìn)一步的試驗研究。

　　針對上述問題，設(shè)計了種子丸粒化包衣全自動電控系統(tǒng)，以單片機為下位機，LabVIEW 為上位機，運用驅(qū)動器、電磁閥、繼電器、步進(jìn)電機、傳感器和各種電控技術(shù)，實現(xiàn)了對整個包衣過程的全自動運行和精確落料落粉供液控制。同時，設(shè)計并建立 自 動 化 程 度高、操作簡便、上位機界面友好的電控系統(tǒng)，可有效提高包衣效率和包衣合格率，降低落料落粉誤差率和供液時間產(chǎn)生的誤差，真正實現(xiàn)了種子包衣電控系統(tǒng)的所需功能。

　　1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

　　1. 1 總體結(jié)構(gòu)

　　種子丸粒化包衣機由落料料斗、機架、種子供給系統(tǒng)、粉料供給系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、包衣鍋和控制系統(tǒng)等模塊構(gòu)成，如圖 1 所示。

　　1. 2 工作原理

　　種子丸粒化包衣過程分為 3 個系統(tǒng): 種子供給系統(tǒng)、粉料供給系統(tǒng)和藥液供給系統(tǒng)。運行過程中，3 個系統(tǒng)協(xié)調(diào)進(jìn)行工作[5]。

　　首先，在上位機系統(tǒng)里選擇參數(shù)，設(shè)置種子落料質(zhì)量、粉料落料質(zhì)量、供液時間、步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速和運行時長，設(shè)置完成后點擊運行。運行時，種子和粉料分別進(jìn)入對應(yīng)的料斗內(nèi)，通過調(diào)節(jié)電磁閥門開啟關(guān)閉控制落料量; 當(dāng)種子下落至稱重盤內(nèi)時，稱重傳感器檢測到稱重盤內(nèi)的重力變化情況，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號傳送至單片機; 稱重傳感器實時地監(jiān)測下落種子的質(zhì)量信息，單片機接收到數(shù)據(jù)后實時反饋到上位機，與設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行對比，當(dāng)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時，電磁閥門關(guān)閉，步進(jìn)電機帶動托盤上的葉輪開始工作; 上位機可實時調(diào)節(jié)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速，防止有種子遺落在托盤上，初始設(shè)定時間達(dá)到后，步進(jìn)電機停止運行[6]。此時，種子被撥落，在重力的作用下垂直下落，在落料通道里，供液系統(tǒng)開始工作，噴液時間提前在上位 機 設(shè) 置，蠕動泵開始運行，功 率 大 小 可 以 通 過 PWM 電機手動調(diào)節(jié)，從藥業(yè)箱抽出液體通過水管傳送到噴霧發(fā)射器。噴霧發(fā)射器垂直安置在落料通道，噴出的藥液使通道形成濕潤的薄霧環(huán)境，下落的種子與空氣中藥液進(jìn)行混合，使種子表皮附上藥液，有助于提升包衣鍋里丸化包衣時粉料與粉液的混合程度，降低多籽率，提升包衣成功率; 同時，粉料下落至稱重盤，稱重傳感器把壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺敵鲋羻纹瑱C，傳輸?shù)缴衔粰C控制系統(tǒng)，與初始設(shè)定值進(jìn)行對比，達(dá)到指定值后，電磁閥門關(guān)閉，步進(jìn)電機按指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動至設(shè)定時長，使粉料直接在重力作用下進(jìn)入包衣鍋; 最后，下落的種子進(jìn)入包衣鍋，進(jìn)行丸粒化包衣; 包衣結(jié)束后，包衣鍋可以調(diào)整傾角，將種子倒出，完成整個加工過程[7]。

　　2 控制系統(tǒng)設(shè)計

　　種子丸粒化包衣電控系統(tǒng)由單片機作為下位具體連接各功能模塊，LabVIEW 做上位機[8]，在其中進(jìn)行電控系統(tǒng)界面設(shè)計，通過串口通訊以及 USB 數(shù)據(jù)線連接上位機和下位機。系統(tǒng)原理如圖 2 所示。

　　2. 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件部分主要由單片機、各功能配件及驅(qū)動模塊組成。

　　2. 1. 1 單片機模塊

　　系統(tǒng)單片機型號選用 STC89C52RC，是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 COMOS8 位微處理器。其工作電壓為 3. 5 ～ 5. 5V; 擁有 32 個雙向 IO 口，40 個引腳，引腳資源豐富，通過控制 IO 口高低電平，方便對具體配件進(jìn)行控制以及數(shù)據(jù)的采集讀取; 擁有 3 個 16 位可編程定時/計數(shù)器中斷，方便實現(xiàn)復(fù)雜電控邏輯順序。

　　2. 1. 2 功能配件模塊

　　各功能配件部分主要由步進(jìn)電機、稱重傳感器、電磁閥、蠕動泵及噴霧噴射器組成[9]。

　　步進(jìn)電機模塊主要選擇 42 系列兩相四線步進(jìn)電機，步距角為 1. 8°，步距角精度 5% ，方便實現(xiàn)對步進(jìn)電機的精準(zhǔn)控制; 額定電流 1. 5A，電流較小，適合控制，安全可靠; 環(huán)境溫度 - 20 ～ + 50℃ ，耐壓 1min 可承受交流 500V 電壓，滿足一些惡劣環(huán)境或極端條件下的正常運行。

　　落料過程是整個包衣過程的核心，如何實現(xiàn)精準(zhǔn)落料控制是本次設(shè)計的關(guān)鍵，所以對稱重傳感器的精度要求很高。本次設(shè)計選擇的量程為 0 ～ 5kg、精度在 1g 以內(nèi)的高精度雙應(yīng)變片式壓電稱重傳感器。其綜合誤差 < 0. 05% F. S，具有精度高、易操作、結(jié)構(gòu)簡單及抗干擾能力強等特點。其中，AD 模塊選用 HX711，擁有 24 位 AD 轉(zhuǎn)換，專業(yè)的壓力 AD 芯片。工作時，壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過杜邦線把信號實時傳輸至單片機，單片機編程實現(xiàn) AD 轉(zhuǎn)換，通過 USB 傳輸至上位機，并實時顯示。

　　電磁閥選用 DC24V 常閉式電磁閥，系統(tǒng)調(diào)節(jié)完參數(shù)，開始運行，通電后，電磁鐵吸合，閥門打開，開始落料。其中，閥體材質(zhì)選用鍛壓黃銅，可有效防腐蝕，管狀結(jié)構(gòu)不會殘留種子或粉料。當(dāng)種子的下落量達(dá)到單次供種設(shè)置的用量時，電磁閥斷電，停止供種。

　　蠕動泵由 DC5V 電壓驅(qū)動，通過繼電器連接單片機引腳，連接 PWM 電機調(diào)速，可手動調(diào)節(jié)運行功率。噴霧噴射器電壓為 DC5V，具有通用性強、出霧量大、性能穩(wěn)定的特點，產(chǎn)生的細(xì)噴霧顆粒可有效附著種子表皮。

　　2. 1. 3 驅(qū)動模塊

　　驅(qū)動模塊主要由繼電器以及步進(jìn)電機驅(qū)動器組成[10]。單片機屬于弱電器件，通常情況下引腳驅(qū)動電流在 mA 級別，通過引腳高低電平去控制電流電壓超出數(shù)倍的功能模塊，需要繼電器驅(qū)動，起到開關(guān)的作用。繼電器中包含三極管，當(dāng)單片機的這個引腳輸出低電平的時候，三極管導(dǎo)通; 引腳輸出高電平時，三極管斷開，以此起到控制的功能。本次設(shè)計選用 3V 繼電器，電路原理圖如圖 3 所示。

　　步進(jìn)電機驅(qū)動器型號為 TB6600，其通過直流 9 ～ 42V 電源供電，控制信號輸入電壓 3. 3 ～ 24V 通用，細(xì)分精度 1 ～ 32 細(xì)分調(diào)節(jié)，有過流、過壓、欠壓、短路等保護(hù)，具有體積小巧、噪音優(yōu)化等特點。連線段包括信號輸入端、電機繞組連接以及電源電壓連接。其中，輸入端主要包含步進(jìn)電機脈沖信號 PUL + 、PUL - 、方向電平信號 DIR + 、DIR - ，脫機信號 ENA + 、 ENA - 。連接完成后，通過撥動 6 個開關(guān)調(diào)節(jié)細(xì)分?jǐn)?shù)和輸出電 流。經(jīng)多次試驗結(jié)果可得，當(dāng) 細(xì) 分 數(shù) 為 1 時，脈沖 200 /轉(zhuǎn)，步距角為 1. 8°，輸出電流為 1A 時，步進(jìn)電機運行情況良好，滿足運行要求。步進(jìn)電機驅(qū)動電路圖如圖 4 所示[11]。

　　2. 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　種子丸粒化包衣電控系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括上位機模塊和下位機模塊[12]。

　　2. 2. 1 下位機模塊

　　下位機軟件部分主要在 Keil - μVision4 中進(jìn)行 C 語言編程，并使用燒錄器將寫好的程序編譯為機器碼，通過單片機燒錄軟件把機器碼燒錄到單片機芯片中，進(jìn)行具體調(diào)試[4]。

　　單片機程序部分主要包括步進(jìn)電機驅(qū)動程序、AD 轉(zhuǎn)換程序、延時程序、稱重傳感器驅(qū)動程序，以及串口中斷、定時器中斷、外部中斷等。包衣過程中，各功能模塊協(xié)調(diào)工作，邏輯性較為復(fù)雜，需要多次調(diào)試，反復(fù)驗證，確保各模塊功能準(zhǔn)確的實現(xiàn)。

　　2. 2. 2 上位機模塊

　　上位機控制系統(tǒng)運行了 LabVIEW 進(jìn) 行 設(shè) 計 編寫[13]。LabVIEW 標(biāo)準(zhǔn)性強，應(yīng)用越來越廣，發(fā)展速度極快，功能越來越豐富，被很多行業(yè)視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集控制軟件，應(yīng)用到種子丸粒化包衣控制系統(tǒng)的設(shè)計中，可以極大豐富和擴展功能，使其更加的智能化。 LabVIEW 具有上手快、串口連接資源豐富、界面豐富設(shè)計性強等特點，采用該平臺設(shè)計的種子丸粒化包衣機電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)全自動化運行，不僅解決了傳統(tǒng)包衣機人工操作的技術(shù)熟練程度和技能差異問題，還能精準(zhǔn)控制各個模塊的落料質(zhì)量及運行時間。

　　所設(shè)計的電控系統(tǒng)初始選擇落種質(zhì)量、落 粉 質(zhì)量、落種步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速、落粉步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速及噴液時間等功能[14]，系統(tǒng)運行時，可實時監(jiān)測落種質(zhì)量和落粉質(zhì)量，并實時生成落料質(zhì)量曲線。每一部分運行過程中可隨時啟停，初始調(diào)完參數(shù)，運行過程全自動實現(xiàn)，直到完成整個包衣加工過程[15]。上位機電控系統(tǒng)如圖 5 所示。

　　3 試驗與分析

　　電控系統(tǒng)采用冰草種子進(jìn)行試驗分析，主要對落種和落料質(zhì)量的精準(zhǔn)度及噴液時間的精準(zhǔn)控制進(jìn)行試驗。在實現(xiàn)全自動控制的前提下，對精度的要求也要提高[17]。

　　3. 1 動態(tài)稱重誤差分析與試驗結(jié)果分析

　　3. 1. 1 誤差分析

　　包衣過程中，種子和粉料分別落入對應(yīng)的步進(jìn)電機上的托盤，對應(yīng)電機下的稱重傳感器實時測量質(zhì)量，傳輸?shù)絾纹瑱C，并實時顯示在上位機中。在此過程中，種子和粉料在重力的作用下下落會對托盤產(chǎn)生沖擊力，當(dāng)稱重傳感器采集到的質(zhì)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，閥門關(guān)閉，但仍有一部分種子和粉料在空中下落，再一次影響了稱重環(huán)節(jié)[18]。

　　首先，分析重力產(chǎn)生的沖擊力，公式為 Ft = mv ( 1) mgh = 1 2 mv2 ( 2) v = 槡2gh ( 3) 式中 F—沖擊力; t—時間; m—物體質(zhì)量; v—速度; h—高度。

　　由公式可 知，沖擊力主要與下落時間和高度有關(guān)，下落時間一般定為 0. 1s，高度的設(shè)計對誤差值的控制尤為關(guān)鍵[19]。

　　3. 1. 2 誤差試驗測試

　　為了計算稱重時的誤差值，在上位機控制系統(tǒng)設(shè)置了落種預(yù)設(shè)值，依次為 100、200、300、400、500g。每個預(yù)設(shè)值，測試 5 次實際值，記錄下數(shù)據(jù)，如表 1 所示。

　　為計算落粉質(zhì)量誤差，在上位機控制系統(tǒng)初始設(shè)置落粉質(zhì)量，依次為 100、200、300、400、500g。每個預(yù)設(shè)值，測試 5 次實際值。供粉誤差測試值如表 2 所示。

　　通過表中數(shù)據(jù)計算得到系統(tǒng)誤差，取 5 次結(jié)果平均值可得: 供種 100 ～ 500g 誤差分別是 1. 8% 、1. 4% 、 1. 6% 、1. 25% 、1. 6% 。供粉 100 ～ 500g 誤 差 分 別 是 1. 8% 、1. 8% 、1. 6% 、1. 8% 、2. 0% 。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，落料落粉精確度控制在 2% 以內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

　　3. 2 動態(tài)供液誤差試驗結(jié)果分析

　　包衣過程中，供液比是決定包衣質(zhì)量和成功率的必要條件[20]，如何精準(zhǔn)控制噴液時間是本次設(shè)計的重點也是難點。本次設(shè)計通過上位機中定時器循環(huán)實現(xiàn)了對噴液時間的控制，為了計算噴液時間的誤差值，設(shè)置了幾次供液時間，依次為 10、20、30、40、50s。每個預(yù)設(shè)值，測試 5 次實際值，通過秒表記錄下數(shù)據(jù)，精度為 0. 1s。噴液誤差測試值如表 3 所示。

　　通過表 3 數(shù)據(jù)可得: 預(yù)設(shè)值 10 ～ 50s 系統(tǒng)誤差分別為 1. 8% 、2. 0% 、1. 8% 、1. 8% 、2. 0% ，誤差基本控制在 1. 9% 左右，超出值控制在 0. 5s 以內(nèi)，證明上位機定時循環(huán)的方法可行，可以滿足實現(xiàn)對噴液時間的精準(zhǔn)控制。

　　4 結(jié)論

　　通過 LabVIEW 軟件和單片機等硬件模塊，設(shè)計了種子丸粒化包衣機電控系統(tǒng)[21]。設(shè)計上位機界面程序的同時，完成了對下位機各模塊的選型，以及具體功能的編程調(diào)試[22]，實現(xiàn)了電控系統(tǒng)的全自動運行，提高了系統(tǒng)的智能化，可有效提高包衣的速度與質(zhì)量。在滿足實現(xiàn)包衣過程所需功能前提下，以冰草種子為試驗?zāi)繕?biāo)，對電控系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行了試驗分析[23]，得出以下結(jié)論: ①供種系統(tǒng)和供液系統(tǒng)中，對種子落料和粉料落料質(zhì)量的誤差控制在 2% 以內(nèi)，初步實現(xiàn)了精準(zhǔn)供種和精準(zhǔn)供粉; ②供液系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對供液時間的精準(zhǔn)控制，誤差值控制在 1. 9% 左右，超出值控制在 0. 5s 以內(nèi)。