单片机控制下的自动香蕉秸秆破碎机设计

　　引言

　　目前普遍使用的香蕉秸秆处理方法是在收获香蕉后采用人工砍伐和挖掘，将香蕉秸秆搬到田边路旁堆放或运走进行焚烧。该方法劳动强度高，耗费大量的人力，而且香蕉树与香蕉头堆放到田边占用很大场地，减少了耕地的利用率，且严重污染香蕉园内外的生态环境。通过使用脱水香蕉秸秆破碎机，可有效解决劳动力不足问题，降低工人劳动强度，提高工人劳动舒适性和劳动生产率，减轻废物和废气对人体的危害、提高资源再回收利用率，增加果农收益，保证庄园的环境卫生，适合低碳环保、可持续发展的要求。

　　1 自动秸秆粉碎机的方案设计

　　粉碎机主要由步进电机系统、液压控制系统及粉碎系统等组成。其中，步进电机、液压系统是最主要的机械部分。步进电机系统主要完成送料过程，并且配合液压系统完成香蕉秸秆的切割。液压系统将秸秆切割为预先设计好的长度，最后送进粉碎系统，完成整个粉碎过程。香蕉秸秆粉碎机的工作原理简图如图 1 所示。【图1】

　　
　　工作流程如下: ①电机。油泵转动，工作回初始位置。②进料。绿色信号灯点亮的时候，通过步进电机运动将原料通过传送带向下一个工作平台传送，直至红色信号灯点亮停转。③切割。由光电传感器传来信号，闸刀工作，将香蕉秸秆切断。④粉碎。切断后秸秆自动落入粉碎箱，电机启动开始粉碎。⑤自动卸载。

　　当闸刀切割后回到初始位置绿灯亮，步进电机开始运作。上述②至⑤连续进行，即完成香蕉秸秆粉碎的工作过程。2 步进电机控制系统步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的; 同时，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

　　步进电机在本自动系统中通过单片机的控制完成送料。通过传感器 4 的检测向单片机发出信号，单片机接收信号后发出脉冲驱动步进电机; 步进电机转动，运送香蕉秸秆到达指定位置后，传感器 3 检测到物体后断电，步进电机停止转动。此时，闸刀切割香蕉秸秆，香蕉秸秆被切断，闸刀恢复初始位置时刻，传感器 1 发出信号，步进电机开始转动，并且重复以上过程，单独设置步进电机开关，以便更好地操作。步进电机控制部分电路如图 2 所示。【图2】

　　
　　3 液压控制系统

　　液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。

　　当步进电机运送香蕉秸秆到达传感器 2 时( 见图 1) ，传感器 2 发出脉冲，根据秸秆的高度液压控制闸刀的高度以便香蕉秸秆通过闸刀口; 当步进电机将秸秆运送到传感器 3 时，步进电机停转，闸刀切割; 闸刀切割后恢复到初始位置，传感器 1 发出脉冲，步进电机运转。液压系统的控制部分示意图如图 3 所示。【图3】

　　4 粉碎机系统

　　4． 1 粉碎机
　　
　　由图 1 可知，原料被切割过后自动进入了粉碎桶中。由压力传感器检测到压力后发出脉冲，粉碎机开始运转，并且通过螺旋输送机构自动将粉碎后的秸秆传送入装置 9 中; 当传感器组的所有传感器都有感应，通过与非芯片 74HC00 单片机发出信号，步进电机停止转动。
　　
　　4． 2 传感器组

　　当原料被送入粉碎桶的时候，粉碎机开始工作，传感器组用于检测粉碎桶中原料的容量; 当传感器组的所有传感器都检测到信号则由与非门 74HC00 芯片向单片机发出信号( 见图 5，其中引脚 CH1、CH2、CH3分别是图 1 中传感器组中的 3 个传感器) ，单片机随即控制步进电机停转; 传感器组与传感器 1 都没有信号时，总电源断电，粉碎机停止工作。

　　5 系统软件设计

　　5． 1 系统程序流程

　　香蕉秸秆粉碎机是一套全自动控制工作的设备，每一步的运行都是基于上一步的结果或者后续步骤的完成信号，所以整个结构联系紧密，前后不可分离。系统的程序流程图如图 4 所示。【图4】

　　
　　5． 2 基于单片机的控制系统

　　单片机的控制电路是结合反相器 ULN2003A 芯片、与非门 74HC00 芯片以及 STC89C51 芯片的功能构成的电路。在控制过程中，传感器就是开关，单片机接收传感器以及其他芯片发来的信号并对信号做相应的处理。通过此组合系统能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，得以完成秸秆粉碎机的运算控制操作。

　　为了实现香蕉秸秆粉碎机的自动控制，单片机采用控制电路组成的系统进行控制。其 I/O 接线顺序功能图如图 5 和图 6 所示。

　　转换条件和输出分别表示如下:

　　X0: 启动开关。控制整个电路的电源。

　　X1: 高压空气开关。吹扫台面、粉碎桶，保持装置中无杂物。

　　X2: 光电传感器 4。检测原料有无，控制步进电机工作。

　　X3: 高度传感器 2。检测秸秆的高度，调节闸刀的高度。

　　X4: 光电传感器 1。检测闸刀是否恢复初始位置，控制步进电机工作。

　　X5: 光电传感器 3。检测秸秆有无，控制步进电机工作。

　　X6: 独立步进电机工作开关。

　　X7: 传感器组。检测粉碎箱秸秆有无，控制步进电机工作; 。

　　X10: 停止开关。【图5-6】

　　
　　6 结语

　　本项目基于单片机、步进电机、液压系统等设计，可有效缓解劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性和劳动生产率、减轻废物和废气对人体的危害、提高资源再回收利用率、增加果农收益、保证庄园的环境卫生，符合低碳环保、可持续发展的要求。经机器加工后的脱水香蕉秸秆可转变为新型能源，用作养殖饲料、生产食用菌的基料以及工业原料。

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