1取苗机构
夹持式取苗机构主要由机架、夹持机构、液压缸和传输装置等组成，如图1所示。在取苗移栽过程中，移栽株距、行数等参数可以根据农户的具体要求进行选择与设定。在移栽过程中，只需人工将平台上的苗盘置于进苗盘位置，系统便会自动有序地完成送苗取苗放苗工作。此工作操作简单方便、移栽速度快、效率高。
2取苗机构动作执行过程
取苗主要分为3个工作过程:①苗盘输送过程;②夹苗过程;③送苗与放苗过程。2．1苗盘输送过程苗盘输送过程是通过推盘杆Ⅰ将人工操作放置于取苗平台上的穴盘苗推至取苗位置，当该穴盘中的苗完全被取完时，推盘杆Ⅱ将空穴盘推出取苗平台，同时穴盘苗再次被推至取苗平台上，如此循环反复进行，实验过程中所用穴盘的规格是格数为50格(10×5)，每格尺寸为43mm×43mm×50mm，空盘质重为300g;满苗盘质量为1800g。2．2夹苗过程夹苗过程是由10个夹持爪组成的一排夹持机构，在夹持横梁的横向移动以及夹持机构自身纵向移动的过程后，闭合夹持爪，抓取穴盘中的一排(10株)秧苗。夹持爪在夹苗过程与苗钵直接接触，是该动作过程中的核心部件。夹持爪的夹取动作在板状凸轮机构的带动下完成打开与夹紧动作。在此过程中，当夹持爪深入到苗盘中时，其间距为穴盘的每格间距;在夹持苗离开穴盘后，其间距需要恢复到与送苗传输带栅格相适应的间距。因此，在夹持机构设计中，针对夹持爪的横向定位问题，笔者设计了一个间距控制板，通过紧缩及展开来达到所需的夹持爪间距。2．3送苗与放苗过程送苗与放苗过程是在夹持爪完成夹苗过程后，按照规定的路径将已夹取的秧苗喂入到暂时停止的送苗传输带上。其中，涉及到夹持爪的打开以及间距控制板的展开等动作。通过这一系列过程，取苗机构完成整个取苗动作，实现自动取苗。
3取苗机构动力系统
根据取苗机构工作过程及特点，本文选择液压缸、步进电机作为取苗机构动力来源，并设计出该系统动力件配置图，如图2所示。其中，液压缸#1控制推盘杆Ⅰ的伸缩;#2用来控制苗盘平台的升降;#3控制推盘杆Ⅱ的伸缩;#4控制夹持爪的开合;#5通过间距控制板实现各夹持爪间距的展开与紧缩;#6控制夹持机构纵向的升降;#7控制夹持机构的横向定位移动。而步进电动机用于控制送苗传输带的启与停。
4控制系统硬件设计
硬件电路的设计是整个控制系统设计的硬件基础，其好坏不仅直接影响硬件系统本身功能的实现，而且对后面软件部分的设计与实现产生很大的影响，所以硬件电路的设计不仅要考虑取苗机构系统功能的要求，还要考虑到软件设计实现时的简单方便［3］。本文采用单片机作为核心控制器对整个取苗系统进行控制，所选用的单片机型号为宏晶科技推出的基于新一代增强型8051内核的STC89C52ＲC。在电源电路供电的条件下，单片机接收开关电路以及信号采集电路的信号，经过高速运算处理并将相应指令发送给各液压缸驱动电路、电机驱动电路、显示器以及报警蜂鸣器，以达到合理有序地控制整个系统的动作，完成取苗作业。该控制系统的硬件结构如图3所示。根据系统中各元器件的功能，以及控制系统硬件设计的清晰有序，采用模块化设计思想。该方法主要将取苗机构控制系统的硬件分为以下5个模块:处理器模块、电源模块、控制量输出模块、信号采集模块以及人机交互模块。4．1处理器模块本文采用STC89C52ＲC单片机作为核心控制器。处理器模块的硬件结构实际上就是单片机的最小系统模块，由单片机芯片电路、时钟电路、复位电路、外围电源组成。其中，晶振采用11．0592MHz，该频率有利于提高串口通信的可靠性，同时又保证单片机有较高的运行速度［4］。4．2电源模块在取苗控制系统中，单片机及部分外围元件需+5V电源供电，步进电机驱动器需要+12V电源供电。考虑到控制系统在大田中作业，使用拖拉机自身的+24V电瓶提供电源。由于电瓶电源存在不稳定性，因此在电源模块的设计开发过程中，采用LM2576电源稳压器，分别完成+24V至+12V，+5V的DC/DC电压转换，输出所需的稳定电压。4．3控制量输出模块单片机系统电源无法直接对液压控制阀进行驱动，必须设计相应的驱动电路。驱动芯片选用ULN2003。ULN2003是一个单片高电压、大电流的达林顿晶体管阵列集成电路，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。在取苗机构中，用步进电机带动送苗传送带转动，完成将秧苗依次喂入栽植机构的动作。步进电机的型号选用86BYGH103，则驱动器的型号选用与其配套的HST886。该驱动器采用了光电隔离技术，输入信号与内部是完全光隔的。4．4信号采集模块由取苗机构工作过程可以分析出该取苗机构控制系统需要实时采集的信号有7个，分别是夹持爪3个方向的位移信号、送苗传送带启停信号、移栽速度信号以及苗盘计数信号。位移信号的采集选用增量式直线型光栅编码传感器，其型号为LEC150。送苗传送带启停信号由E18－D80NK红外避障传感器完成。为了保证可靠性，设计中采用2个这样的红外避障传感器。4．5人机交互模块对于苗盘计数功能以及速度检测信号，需要直接显示给用户进行观察与统计。选用LCD1602液晶显示器，这是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，可以显示两行，每行16个字符(显示字符和数字)。当取苗过程工作出现故障时，如夹持爪、送苗传输带的停动。系统通过ULN2003芯片来驱动发光二极管LED和蜂鸣器Buzzy进行声光报警。
5控制系统软件设计
软件是以硬件为基础统一协调取苗机构各部分动作的方案和算法，是整个控制系统乃至整套取苗机构的灵魂，直接影响着系统运行的效率和稳定性。本文在控制系统软件的总体设计中遵循“自顶而下”的设计方法，采用C51语言来编写程序。采取主循环加中断处理程序的模式，采用模块化的设计方法，以硬件模块为基础将整个程序相应地划分为几个独立的程序模块:信号采集程序模块、控制量输出程序模块和人机交互程序模块。整个控制系统软件部分由主控程序和这几个程序模块组成。各个独立的模块可以先单独进行设计和调试，最后与主程序连接成一个整体进行综合调试。该控制系统主程序流程图，如图5如示。
6结束语
本文针对一种夹持式穴盘苗取苗机构，设计了其自动控制系统。该控制系统以51单片机为核心控制器，液压缸、电机为动力源。经初步试验，可以完成预定的取苗动作过程，并且可通过改变参数调整不同的作业要求。在后期的工作中，要对田间作业环境下，控制系统的抗干扰能力及稳定性进行研究。通过该取苗机构的自动化研究，对移栽机械的全自动化具有重要意义。
作者：李华 曹卫彬 顾文俊 刘姣娣 付威 单位：石河子大学 机械电气工程学院
