基于LabVIEW 的種子包衣電控系統的設計

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

　　關鍵詞: 冰草種子; 丸化包衣; LabVIEW; 電控系統; 單片機

　　張曦文，侯占峰，戴念祖; 農機化研究 2022 年 7 月

　　0 引言

　　種子作為農業生產中不可替代的最初形態，是農作物實現高產的關鍵，良好品質的種子決定了農業的豐收。種子加工技術不僅可以提高種子品質，還能使種子走向商品化，一直備受關注。

　　種子包衣技術主要分為機械包衣和人工包衣。包衣為根據種子生長的的具體環境，調節種衣劑的成分，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、復合肥料、微量元素、植物生長調節劑、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、生長環境、種植季節等因素。

　　我國種子包衣技術起步于 20 世紀 70 年代，相比于西方一些發達國家起步較晚。目前，國內設計生產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驗和操作熟練度。相比于國外一些先進丸化包衣設備，全自動精準落料控制可以提高種子的包衣質量，極大提高了種子包衣的效率，降低了生產成本[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。國外包衣設備相比于國內價格相差 10 ～ 20 倍，且西方國家作物生長環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了業界廣泛的關注與思考，張佳麗等人對國內包衣機現狀及發展歷程進行總結，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進行了研究，對包衣機控制系統的自動化和智能化進行了展望[3]。楊婉霞等人對包衣及控制系統的內容進行了詳細的擴展，設計了包衣專家系統[4]，但對包衣機的具體選型和包衣工藝參數的選擇還有待進一步的試驗研究。

　　針對上述問題，設計了種子丸粒化包衣全自動電控系統，以單片機為下位機，LabVIEW 為上位機，運用驅動器、電磁閥、繼電器、步進電機、傳感器和各種電控技術，實現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，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生的誤差，真正實現了種子包衣電控系統的所需功能。

　　1 總體結構與工作原理

　　1. 1 總體結構

　　種子丸粒化包衣機由落料料斗、機架、種子供給系統、粉料供給系統、供液系統、包衣鍋和控制系統等模塊構成，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: 種子供給系統、粉料供給系統和藥液供給系統。運行過程中，3 個系統協調進行工作[5]。

　　首先，在上位機系統里選擇參數，設置種子落料質量、粉料落料質量、供液時間、步進電機轉速和運行時長，設置完成后點擊運行。運行時，種子和粉料分別進入對應的料斗內，通過調節電磁閥門開啟關閉控制落料量; 當種子下落至稱重盤內時，稱重傳感器檢測到稱重盤內的重力變化情況，將壓力信號轉換為電信號傳送至單片機; 稱重傳感器實時地監測下落種子的質量信息，單片機接收到數據后實時反饋到上位機，與設定的參數值進行對比，當數值達到設定值時，電磁閥門關閉，步進電機帶動托盤上的葉輪開始工作; 上位機可實時調節步進電機轉速，防止有種子遺落在托盤上，初始設定時間達到后，步進電機停止運行[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，供液系統開始工作，噴液時間提前在上位 機 設 置，蠕動泵開始運行，功 率 大 小 可 以 通 過 PWM 電機手動調節，從藥業箱抽出液體通過水管傳送到噴霧發射器。噴霧發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境，下落的種子與空氣中藥液進行混合，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變為電信號，輸出至單片機，傳輸到上位機控制系統，與初始設定值進行對比，達到指定值后，電磁閥門關閉，步進電機按指定轉速轉動至設定時長，使粉料直接在重力作用下進入包衣鍋; 最后，下落的種子進入包衣鍋，進行丸粒化包衣; 包衣結束后，包衣鍋可以調整傾角，將種子倒出，完成整個加工過程[7]。

　　2 控制系統設計

　　種子丸粒化包衣電控系統由單片機作為下位具體連接各功能模塊，LabVIEW 做上位機[8]，在其中進行電控系統界面設計，通過串口通訊以及 USB 數據線連接上位機和下位機。系統原理如圖 2 所示。

　　2. 1 系統硬件設計

　　系統硬件部分主要由單片機、各功能配件及驅動模塊組成。

　　2. 1. 1 單片機模塊

　　系統單片機型號選用 STC89C52RC，是 STC 公司生產的一種低功耗、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，方便對具體配件進行控制以及數據的采集讀取; 擁有 3 個 16 位可編程定時/計數器中斷，方便實現復雜電控邏輯順序。

　　2. 1. 2 功能配件模塊

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

　　步進電機模塊主要選擇 42 系列兩相四線步進電機，步距角為 1. 8°，步距角精度 5% ，方便實現對步進電機的精準控制; 額定電流 1. 5A，電流較小，適合控制，安全可靠; 環境溫度 - 20 ～ + 50℃ ，耐壓 1min 可承受交流 500V 電壓，滿足一些惡劣環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，如何實現精準落料控制是本次設計的關鍵，所以對稱重傳感器的精度要求很高。本次設計選擇的量程為 0 ～ 5kg、精度在 1g 以內的高精度雙應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、結構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 轉換，專業的壓力 AD 芯片。工作時，壓力信號轉換為電信號，通過杜邦線把信號實時傳輸至單片機，單片機編程實現 AD 轉換，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，系統調節完參數，開始運行，通電后，電磁鐵吸合，閥門打開，開始落料。其中，閥體材質選用鍛壓黃銅，可有效防腐蝕，管狀結構不會殘留種子或粉料。當種子的下落量達到單次供種設置的用量時，電磁閥斷電，停止供種。

　　蠕動泵由 DC5V 電壓驅動，通過繼電器連接單片機引腳，連接 PWM 電機調速，可手動調節運行功率。噴霧噴射器電壓為 DC5V，具有通用性強、出霧量大、性能穩定的特點，產生的細噴霧顆粒可有效附著種子表皮。

　　2. 1. 3 驅動模塊

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

　　步進電機驅動器型號為 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，細分精度 1 ～ 32 細分調節，有過流、過壓、欠壓、短路等保護，具有體積小巧、噪音優化等特點。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 個開關調節細分數和輸出電 流。經多次試驗結果可得，當 細 分 數 為 1 時，脈沖 200 /轉，步距角為 1. 8°，輸出電流為 1A 時，步進電機運行情況良好，滿足運行要求。步進電機驅動電路圖如圖 4 所示[11]。

　　2. 2 系統軟件設計

　　種子丸粒化包衣電控系統軟件設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，進行具體調試[4]。

　　單片機程序部分主要包括步進電機驅動程序、AD 轉換程序、延時程序、稱重傳感器驅動程序，以及串口中斷、定時器中斷、外部中斷等。包衣過程中，各功能模塊協調工作，邏輯性較為復雜，需要多次調試，反復驗證，確保各模塊功能準確的實現。

　　2. 2. 2 上位機模塊

　　上位機控制系統運行了 LabVIEW 進 行 設 計 編寫[13]。LabVIEW 標準性強，應用越來越廣，發展速度極快，功能越來越豐富，被很多行業視為標準的數據采集控制軟件，應用到種子丸粒化包衣控制系統的設計中，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、界面豐富設計性強等特點，采用該平臺設計的種子丸粒化包衣機電控系統可以實現全自動化運行，不僅解決了傳統包衣機人工操作的技術熟練程度和技能差異問題，還能精準控制各個模塊的落料質量及運行時間。

　　所設計的電控系統初始選擇落種質量、落 粉 質量、落種步進電機轉速、落粉步進電機轉速及噴液時間等功能[14]，系統運行時，可實時監測落種質量和落粉質量，并實時生成落料質量曲線。每一部分運行過程中可隨時啟停，初始調完參數，運行過程全自動實現，直到完成整個包衣加工過程[15]。上位機電控系統如圖 5 所示。

　　3 試驗與分析

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

　　3. 1 動態稱重誤差分析與試驗結果分析

　　3. 1. 1 誤差分析

　　包衣過程中，種子和粉料分別落入對應的步進電機上的托盤，對應電機下的稱重傳感器實時測量質量，傳輸到單片機，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生沖擊力，當稱重傳感器采集到的質量達到預設值時，閥門關閉，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節[18]。

　　首先，分析重力產生的沖擊力，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，下落時間一般定為 0. 1s，高度的設計對誤差值的控制尤為關鍵[19]。

　　3. 1. 2 誤差試驗測試

　　為了計算稱重時的誤差值，在上位機控制系統設置了落種預設值，依次為 100、200、300、400、500g。每個預設值，測試 5 次實際值，記錄下數據，如表 1 所示。

　　為計算落粉質量誤差，在上位機控制系統初始設置落粉質量，依次為 100、200、300、400、500g。每個預設值，測試 5 次實際值。供粉誤差測試值如表 2 所示。

　　通過表中數據計算得到系統誤差，取 5 次結果平均值可得: 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% 。根據試驗數據可知，落料落粉精確度控制在 2% 以內，滿足系統設計的要求。

　　3. 2 動態供液誤差試驗結果分析

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

　　通過表 3 數據可得: 預設值 10 ～ 50s 系統誤差分別為 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，證明上位機定時循環的方法可行，可以滿足實現對噴液時間的精準控制。

　　4 結論

　　通過 LabVIEW 軟件和單片機等硬件模塊，設計了種子丸粒化包衣機電控系統[21]。設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試[22]，實現了電控系統的全自動運行，提高了系統的智能化，可有效提高包衣的速度與質量。在滿足實現包衣過程所需功能前提下，以冰草種子為試驗目標，對電控系統的控制精度進行了試驗分析[23]，得出以下結論: ①供種系統和供液系統中，對種子落料和粉料落料質量的誤差控制在 2% 以內，初步實現了精準供種和精準供粉; ②供液系統中，實現了對供液時間的精準控制，誤差值控制在 1. 9% 左右，超出值控制在 0. 5s 以內。