基于arduino的高效自动化栽苗机设计

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　　摘 要
　　随着蔬菜大棚的不断发展，移栽种苗劳动强度大的问题也日益凸显。经过研究调查，大部分栽苗还是以手动为主，鉴于人工栽苗费时费力，因此，团队设计完成小型化全自动、高效率栽苗机。该项目就解决大棚移栽种苗时劳动强度大、工作效率低的现状，提出了解决的新方案。高效自动化栽苗机由移动机构、运苗机构、栽苗机构组成，运用arduino软件控制系统，控制电机驱动导苗器精确高效地将种苗导入栽苗器中，同时电机驱动推杆电机带动栽苗器完成进土、挖坑、栽苗、填土等动作，蜗轮蜗杆大扭矩电机实现精确距离移动，以达到高效率、自动化精确栽苗的效果。
　　关键词
　　农业机械;栽苗机;精确苗间距;自动化
　　中图分类号： F326.11;F323.3         文獻标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.079
　　0 引言
　　如何高效率自动化地移栽蔬菜种苗一直是有待解决的一大难题。经过研究调查，大部分栽苗还是以手动为主，小部分辅以相应机构来提高工作效率。人工和半自动化栽苗费时费力，因此，设计完成小型化全自动、高效率栽苗器很有必要而且具有较高的使用价值。高效自动化栽苗机由移动机构、运苗机构、栽苗机构组成，运用arduino软件控制系统，控制电机驱动导苗器精确高效地将种苗导入栽苗器中，同时电机驱动推杆电机带动栽苗器完成进土、挖坑、栽苗、填土等动作，蜗轮蜗杆大扭矩电机实现精确距离移动，以达到高效率、自动化精确栽苗的效果。
　　1 三维设计图
　　高效自动化栽苗机的三维图如图1所示和其对应的工程图如图2所示，根据三维设计图做参考仿真，设计出了实体。
　　图中各部分说明：
　　1、栽苗器：锥形栽苗器可以使栽苗入土更加快捷，效率更高。
　　2、栽苗驱动机构：通过推杆电机驱动使栽苗器实现上下移动。
　　3、导苗器：将储苗器中的种苗通过程序驱动电机平稳导入至栽苗器。
　　4、蜗轮蜗杆电机：蜗轮蜗杆电机扭矩大可以完成在土地中高强度的行走以及精确苗间距工作。
　　5、履带式轮胎：履带式轮胎可以使机构更加平衡稳定，同时也和蜗轮蜗杆电机相配合完成土地上精确苗间距的工作。
　　2 移栽机构组成与原理
　　2.1 高效自动化栽苗机分解为四大部分
　　（1）Arduino控制系统：该系统采用Arduino MEGA开发板作为设备的大脑，通过编译程序来控制各机构进行精确有序的工作，减小工作误差，使栽苗效率更高。
　　（2）移动机构：使用31ZY直流减速蜗轮蜗杆大扭矩电机可以实现大棚作业任务，机构通过Arduino MEGA开发板及H桥L298逻辑电机双路直流驱动板控制电机以达到精确苗间距的效果;内部对称式尼龙轮毂海绵内胆轮胎可以使设备工作更加平稳高效。
　　（3）运苗机构：通过Arduino MEGA开发板和L298N直流电机驱动板模块来控制25GA370直流齿轮减速电机驱动PVC履带式传送带转动，从而将种苗平稳、高效地导入至栽苗机构。
　　（4）栽苗机构：作为设备的核心机构，通过通过Arduino MEGA开发板和H桥L298逻辑电机双路直流驱动板控制电机带动不锈钢栽苗器完成进土、挖坑、栽苗填土等动作，以达到高效率栽苗的效果。
　　2.2 主要性能指标
　　（1）主体框架：材质为20mm*20mm槽铝，尺寸参数为500mm*500mm*650mm。
　　（2）驱动部分：采用四个80rpm/minGW4058-31ZY减速电机，驱动设备前进;两个78rpm/minGA25Y370-47减速电机，驱动运苗机构;两个12V150mm推杆电机，驱动栽苗机构工作。
　　（3）控制部分：由一个Arduino MEGA 2560 开发板及其相应电路进行控制整个设备系统。
　　2.3 栽苗机硬件电路设计
　　2.3.1 Arduino MEGA 2560开发板
　　Arduino Mega2560是采用USB接口的核心电路板如图3所示，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口（其中15路可作为PWM输出），15路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。
　　2.3.2 160W直流电机驱动板模块有以下几部分组成
　　（1）双H桥两路PWM输入，作用是同时驱动两台直流电机正反转;
　　（2）欠压过流保护，作用是防止电机在功率过大时电流过大而造成的电机烧毁;
　　（3）静电泄放回路，作用是保持电磁兼容EMC稳定可靠;
　　（4）TVS瞬态抑制二极管，作用是有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。
　　3 arduino软件控制系统
　　为保证设备的高效自动化性，该设备的功能主要程序框图如图4所示。首先，接通电源后，整个系统完成初始化;然后，行止机构启动并达到相应苗间距后，停止工作;通过传感器判定系统是否有种苗进入系统，当有种苗存在时启动运苗机构;运苗机构启动3000ms后，经过仿真软件及实际测试计算可知种苗已进入栽苗机构;运苗机构停止，栽苗机构进行工作;经过3000ms后，栽苗工作完成。最终，通过相应反馈控制从而使系统重回初始化进而完成下一步任务。
　　4 创新点
　　（1）该设备通过程序计算苗间距，使苗间距更精确;从挖坑到栽苗一步完成，步骤简便效率高。
　　（2）在传统栽苗只能栽植栽培一条垄的基础上加以创新，借助该设备可以同时完成两边垄的栽种过程;且无须人力劳动，自动化高效率完成多种种苗栽种过程。
　　参考文献
　　[1]孙桓，陈作模，机械原理[M].高等教育出版社，2013.
　　[2]濮良贵，机械设计[M].高等教育出版社，2019.
　　[3]王艳林，李东.单片机原理及应用教学项目设计[J].教育教学论坛，2016（20）：64-65.
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