基于LabVIEW 的种子包衣电控系统的设计

　　摘 要: 针对目前国内种子丸化设备存在自动化程度较低、人 工 操 作 复 杂、无法实现精准控制种粉液比例等问题，设计了基于 LabVIEW 控制的全自动包衣电控系统，可有效提高包衣的速度和质量。系统以单片机作为下位机，LabVIEW 为上位机，集编程电控等技术，可提前设置种子落量、落粉质量以及喷液时间等，并精准控制各部分电机运行时间，实现了全自动精确功能。试验结果表明: 以冰草种子丸化包衣为例，将电控系统安装在传统手动包衣机上，当在上位机设置完落料参数时，包衣机开始 运 行，实现了全自动作业，落料落粉精确度控制在 2% 以内，喷液时间实现了精准控制。研究结果可为种子丸化包衣电控系统设计提供参考依据。

　　关键词: 冰草种子; 丸化包衣; LabVIEW; 电控系统; 单片机

　　张曦文，侯占峰，戴念祖; 农机化研究 2022 年 7 月

　　0 引言

　　种子作为农业生产中不可替代的最初形态，是农作物实现高产的关键，良好品质的种子决定了农业的丰收。种子加工技术不仅可以提高种子品质，还能使种子走向商品化，一直备受关注。

　　种子包衣技术主要分为机械包衣和人工包衣。包衣为根据种子生长的的具体环境，调节种衣剂的成分，通过包衣工艺使种子表面和种衣剂均匀接触，包裹形成一层光滑、牢固的药膜。其中，种衣剂可包含多种成分，主要包括杀虫剂、杀菌剂、复合肥料、微量元素、植物生长调节剂、缓释剂和成膜剂等。如何选择合适的种衣剂需具体参考种子类型、生长环境、种植季节等因素。

　　我国种子包衣技术起步于 20 世纪 70 年代，相比于西方一些发达国家起步较晚。目前，国内设计生产的包衣机自动化程度低，包衣全程需要手动加料和手动控制，非常考验操作者的包衣经验和操作熟练度。相比于国外一些先进丸化包衣设备，全自动精准落料控制可以提高种子的包衣质量，极大提高了种子包衣的效率，降低了生产成本[1]; 但盲目引用国外机器也造成了许多问题，如价格高昂和适用性不强等问题。国外包衣设备相比于国内价格相差 10 ～ 20 倍，且西方国家作物生长环境与我国也有很大差异性，不能直接引用。近年来，自动化程度低的问题引发了业界广泛的关注与思考，张佳丽等人对国内包衣机现状及发展历程进行总结，并提出了自己的见解[2]。李建军等人在对 5BY 型种子包衣机最佳工艺参数进行了研究，对包衣机控制系统的自动化和智能化进行了展望[3]。杨婉霞等人对包衣及控制系统的内容进行了详细的扩展，设计了包衣专家系统[4]，但对包衣机的具体选型和包衣工艺参数的选择还有待进一步的试验研究。

　　针对上述问题，设计了种子丸粒化包衣全自动电控系统，以单片机为下位机，LabVIEW 为上位机，运用驱动器、电磁阀、继电器、步进电机、传感器和各种电控技术，实现了对整个包衣过程的全自动运行和精确落料落粉供液控制。同时，设计并建立 自 动 化 程 度高、操作简便、上位机界面友好的电控系统，可有效提高包衣效率和包衣合格率，降低落料落粉误差率和供液时间产生的误差，真正实现了种子包衣电控系统的所需功能。

　　1 总体结构与工作原理

　　1. 1 总体结构

　　种子丸粒化包衣机由落料料斗、机架、种子供给系统、粉料供给系统、供液系统、包衣锅和控制系统等模块构成，如图 1 所示。

　　1. 2 工作原理

　　种子丸粒化包衣过程分为 3 个系统: 种子供给系统、粉料供给系统和药液供给系统。运行过程中，3 个系统协调进行工作[5]。

　　首先，在上位机系统里选择参数，设置种子落料质量、粉料落料质量、供液时间、步进电机转速和运行时长，设置完成后点击运行。运行时，种子和粉料分别进入对应的料斗内，通过调节电磁阀门开启关闭控制落料量; 当种子下落至称重盘内时，称重传感器检测到称重盘内的重力变化情况，将压力信号转换为电信号传送至单片机; 称重传感器实时地监测下落种子的质量信息，单片机接收到数据后实时反馈到上位机，与设定的参数值进行对比，当数值达到设定值时，电磁阀门关闭，步进电机带动托盘上的叶轮开始工作; 上位机可实时调节步进电机转速，防止有种子遗落在托盘上，初始设定时间达到后，步进电机停止运行[6]。此时，种子被拨落，在重力的作用下垂直下落，在落料通道里，供液系统开始工作，喷液时间提前在上位 机 设 置，蠕动泵开始运行，功 率 大 小 可 以 通 过 PWM 电机手动调节，从药业箱抽出液体通过水管传送到喷雾发射器。喷雾发射器垂直安置在落料通道，喷出的药液使通道形成湿润的薄雾环境，下落的种子与空气中药液进行混合，使种子表皮附上药液，有助于提升包衣锅里丸化包衣时粉料与粉液的混合程度，降低多籽率，提升包衣成功率; 同时，粉料下落至称重盘，称重传感器把压力信号转变为电信号，输出至单片机，传输到上位机控制系统，与初始设定值进行对比，达到指定值后，电磁阀门关闭，步进电机按指定转速转动至设定时长，使粉料直接在重力作用下进入包衣锅; 最后，下落的种子进入包衣锅，进行丸粒化包衣; 包衣结束后，包衣锅可以调整倾角，将种子倒出，完成整个加工过程[7]。

　　2 控制系统设计

　　种子丸粒化包衣电控系统由单片机作为下位具体连接各功能模块，LabVIEW 做上位机[8]，在其中进行电控系统界面设计，通过串口通讯以及 USB 数据线连接上位机和下位机。系统原理如图 2 所示。

　　2. 1 系统硬件设计

　　系统硬件部分主要由单片机、各功能配件及驱动模块组成。

　　2. 1. 1 单片机模块

　　系统单片机型号选用 STC89C52RC，是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 COMOS8 位微处理器。其工作电压为 3. 5 ～ 5. 5V; 拥有 32 个双向 IO 口，40 个引脚，引脚资源丰富，通过控制 IO 口高低电平，方便对具体配件进行控制以及数据的采集读取; 拥有 3 个 16 位可编程定时/计数器中断，方便实现复杂电控逻辑顺序。

　　2. 1. 2 功能配件模块

　　各功能配件部分主要由步进电机、称重传感器、电磁阀、蠕动泵及喷雾喷射器组成[9]。

　　步进电机模块主要选择 42 系列两相四线步进电机，步距角为 1. 8°，步距角精度 5% ，方便实现对步进电机的精准控制; 额定电流 1. 5A，电流较小，适合控制，安全可靠; 环境温度 - 20 ～ + 50℃ ，耐压 1min 可承受交流 500V 电压，满足一些恶劣环境或极端条件下的正常运行。

　　落料过程是整个包衣过程的核心，如何实现精准落料控制是本次设计的关键，所以对称重传感器的精度要求很高。本次设计选择的量程为 0 ～ 5kg、精度在 1g 以内的高精度双应变片式压电称重传感器。其综合误差 < 0. 05% F. S，具有精度高、易操作、结构简单及抗干扰能力强等特点。其中，AD 模块选用 HX711，拥有 24 位 AD 转换，专业的压力 AD 芯片。工作时，压力信号转换为电信号，通过杜邦线把信号实时传输至单片机，单片机编程实现 AD 转换，通过 USB 传输至上位机，并实时显示。

　　电磁阀选用 DC24V 常闭式电磁阀，系统调节完参数，开始运行，通电后，电磁铁吸合，阀门打开，开始落料。其中，阀体材质选用锻压黄铜，可有效防腐蚀，管状结构不会残留种子或粉料。当种子的下落量达到单次供种设置的用量时，电磁阀断电，停止供种。

　　蠕动泵由 DC5V 电压驱动，通过继电器连接单片机引脚，连接 PWM 电机调速，可手动调节运行功率。喷雾喷射器电压为 DC5V，具有通用性强、出雾量大、性能稳定的特点，产生的细喷雾颗粒可有效附着种子表皮。

　　2. 1. 3 驱动模块

　　驱动模块主要由继电器以及步进电机驱动器组成[10]。单片机属于弱电器件，通常情况下引脚驱动电流在 mA 级别，通过引脚高低电平去控制电流电压超出数倍的功能模块，需要继电器驱动，起到开关的作用。继电器中包含三极管，当单片机的这个引脚输出低电平的时候，三极管导通; 引脚输出高电平时，三极管断开，以此起到控制的功能。本次设计选用 3V 继电器，电路原理图如图 3 所示。

　　步进电机驱动器型号为 TB6600，其通过直流 9 ～ 42V 电源供电，控制信号输入电压 3. 3 ～ 24V 通用，细分精度 1 ～ 32 细分调节，有过流、过压、欠压、短路等保护，具有体积小巧、噪音优化等特点。连线段包括信号输入端、电机绕组连接以及电源电压连接。其中，输入端主要包含步进电机脉冲信号 PUL + 、PUL - 、方向电平信号 DIR + 、DIR - ，脱机信号 ENA + 、 ENA - 。连接完成后，通过拨动 6 个开关调节细分数和输出电 流。经多次试验结果可得，当 细 分 数 为 1 时，脉冲 200 /转，步距角为 1. 8°，输出电流为 1A 时，步进电机运行情况良好，满足运行要求。步进电机驱动电路图如图 4 所示[11]。

　　2. 2 系统软件设计

　　种子丸粒化包衣电控系统软件设计部分主要包括上位机模块和下位机模块[12]。

　　2. 2. 1 下位机模块

　　下位机软件部分主要在 Keil - μVision4 中进行 C 语言编程，并使用烧录器将写好的程序编译为机器码，通过单片机烧录软件把机器码烧录到单片机芯片中，进行具体调试[4]。

　　单片机程序部分主要包括步进电机驱动程序、AD 转换程序、延时程序、称重传感器驱动程序，以及串口中断、定时器中断、外部中断等。包衣过程中，各功能模块协调工作，逻辑性较为复杂，需要多次调试，反复验证，确保各模块功能准确的实现。

　　2. 2. 2 上位机模块

　　上位机控制系统运行了 LabVIEW 进 行 设 计 编写[13]。LabVIEW 标准性强，应用越来越广，发展速度极快，功能越来越丰富，被很多行业视为标准的数据采集控制软件，应用到种子丸粒化包衣控制系统的设计中，可以极大丰富和扩展功能，使其更加的智能化。 LabVIEW 具有上手快、串口连接资源丰富、界面丰富设计性强等特点，采用该平台设计的种子丸粒化包衣机电控系统可以实现全自动化运行，不仅解决了传统包衣机人工操作的技术熟练程度和技能差异问题，还能精准控制各个模块的落料质量及运行时间。

　　所设计的电控系统初始选择落种质量、落 粉 质量、落种步进电机转速、落粉步进电机转速及喷液时间等功能[14]，系统运行时，可实时监测落种质量和落粉质量，并实时生成落料质量曲线。每一部分运行过程中可随时启停，初始调完参数，运行过程全自动实现，直到完成整个包衣加工过程[15]。上位机电控系统如图 5 所示。

　　3 试验与分析

　　电控系统采用冰草种子进行试验分析，主要对落种和落料质量的精准度及喷液时间的精准控制进行试验。在实现全自动控制的前提下，对精度的要求也要提高[17]。

　　3. 1 动态称重误差分析与试验结果分析

　　3. 1. 1 误差分析

　　包衣过程中，种子和粉料分别落入对应的步进电机上的托盘，对应电机下的称重传感器实时测量质量，传输到单片机，并实时显示在上位机中。在此过程中，种子和粉料在重力的作用下下落会对托盘产生冲击力，当称重传感器采集到的质量达到预设值时，阀门关闭，但仍有一部分种子和粉料在空中下落，再一次影响了称重环节[18]。

　　首先，分析重力产生的冲击力，公式为 Ft = mv ( 1) mgh = 1 2 mv2 ( 2) v = 槡2gh ( 3) 式中 F—冲击力; t—时间; m—物体质量; v—速度; h—高度。

　　由公式可 知，冲击力主要与下落时间和高度有关，下落时间一般定为 0. 1s，高度的设计对误差值的控制尤为关键[19]。

　　3. 1. 2 误差试验测试

　　为了计算称重时的误差值，在上位机控制系统设置了落种预设值，依次为 100、200、300、400、500g。每个预设值，测试 5 次实际值，记录下数据，如表 1 所示。

　　为计算落粉质量误差，在上位机控制系统初始设置落粉质量，依次为 100、200、300、400、500g。每个预设值，测试 5 次实际值。供粉误差测试值如表 2 所示。

　　通过表中数据计算得到系统误差，取 5 次结果平均值可得: 供种 100 ～ 500g 误差分别是 1. 8% 、1. 4% 、 1. 6% 、1. 25% 、1. 6% 。供粉 100 ～ 500g 误 差 分 别 是 1. 8% 、1. 8% 、1. 6% 、1. 8% 、2. 0% 。根据试验数据可知，落料落粉精确度控制在 2% 以内，满足系统设计的要求。

　　3. 2 动态供液误差试验结果分析

　　包衣过程中，供液比是决定包衣质量和成功率的必要条件[20]，如何精准控制喷液时间是本次设计的重点也是难点。本次设计通过上位机中定时器循环实现了对喷液时间的控制，为了计算喷液时间的误差值，设置了几次供液时间，依次为 10、20、30、40、50s。每个预设值，测试 5 次实际值，通过秒表记录下数据，精度为 0. 1s。喷液误差测试值如表 3 所示。

　　通过表 3 数据可得: 预设值 10 ～ 50s 系统误差分别为 1. 8% 、2. 0% 、1. 8% 、1. 8% 、2. 0% ，误差基本控制在 1. 9% 左右，超出值控制在 0. 5s 以内，证明上位机定时循环的方法可行，可以满足实现对喷液时间的精准控制。

　　4 结论

　　通过 LabVIEW 软件和单片机等硬件模块，设计了种子丸粒化包衣机电控系统[21]。设计上位机界面程序的同时，完成了对下位机各模块的选型，以及具体功能的编程调试[22]，实现了电控系统的全自动运行，提高了系统的智能化，可有效提高包衣的速度与质量。在满足实现包衣过程所需功能前提下，以冰草种子为试验目标，对电控系统的控制精度进行了试验分析[23]，得出以下结论: ①供种系统和供液系统中，对种子落料和粉料落料质量的误差控制在 2% 以内，初步实现了精准供种和精准供粉; ②供液系统中，实现了对供液时间的精准控制，误差值控制在 1. 9% 左右，超出值控制在 0. 5s 以内。