集切割、粉碎于一体的香蕉秸秆粉碎机械研发

　　引言

　　香蕉是全世界贸易量最大的水果之一，中国则是世界香蕉主产国之一，香蕉产业已成为我国热带南亚热带地区农业支柱产业之一。香蕉作为热带作物，具有生长周期短和生物量高的特点，每年盛产香蕉的同时都会产生等量的香蕉副产品。因此，如何正确有效地处理大量的香蕉秸秆已经成为蕉农的一大难题。长久以来，我国的香蕉种植业都是采用人工处理的方式安置香蕉秸秆，将收获后的香蕉秸秆逐棵砍伐，或就近丢入臭水沟、搬运到田边集中堆放，最后任其腐烂，这是一件极其繁重的劳动。然而，这种看似简单的传统处理方式却带来了许多弊端，对经济、环境、人体都造成了很大的危害。其弊端主要有以下几点: ①香蕉秸秆堆放到田边或丢入臭水沟，会占用很大的场地，减少耕地的利用率，堵塞下水通道，污染环境。②工作效率会大大降低，劳动强度增大，作业成本提高。③由于单单依靠人力难以及时处理香蕉秸秆，因此目前大部分种植的香蕉都留有多年苗，品种逐渐老化，进而使香蕉品质一年不如一年。④有机肥料的浪费，香蕉秸秆中富含大量的有机质、钾、氮、磷和微量元素，是良好的有机肥料，如果能合理利用，可获得最佳培肥地力的效果，实现保护性、循环性耕作。

　　⑤香蕉秸秆在田边或臭水沟废弃后，有些带病的香蕉秸秆( 如香蕉枯萎病—亦称巴拿马病、黄叶病等) 病菌很容易随水流扩散，造成大面积染病，使疫情难以控制。这是海南香蕉种植地区香蕉林易患香蕉枯萎病的主要原因之一，在很大程度上制约了香蕉种植业的规模化发展。为此，主要介绍了一种集切割、粉碎于一体的香蕉秸秆粉碎机械。该系统通过压力传感器的检测与步进电机控制的有效结合，从喂料、切割、粉碎和出料进行全过程的自动控制，大大提高了处理香蕉秸秆的工作效率。

　　1 粉碎方法及原理

　　1． 1 粉碎方法

　　目前生产发明的破碎机种类相当繁多，包括颚式破碎机、圆锥破碎机、单齿辊破碎机、振动式破碎机、立轴式破碎机、回转式破碎机、锤式破碎机，以及不断研制出的多功能破碎机，为工业生产带来了极大的便利。这里主要介绍了一种集切割与粉碎一体的自动香蕉秸秆粉碎机，该系统基于单片机进行全程自动控制，压力传感器与步进电机合理配合实现各步骤运动，在香蕉秸秆的各种加工与处理中，主要进行秸秆粉碎的处理。

　　1． 2 粉碎原理

　　粉碎机开始工作时，通过传感器 1 的检测向单片机发出信号，单片机接受信号之后发出脉冲步进电机转动; 步进电机开始转动之后通过传送带运送香蕉秸秆到达指定位置，传感器 4 检测到物体后断电，步进电机停转; 此时，传感器 2 发出信号，主电机带动带传动机构使刀片旋转，同时在配重平衡力的作用下，Z 向电机驱动涡轮运动从而带动蜗杆运动; 涡轮带动摇臂上下摆动，刀具实现切割香蕉秸秆运动，刀具回复初始位置时刻，传感器 3 发出信号，步进电机开始转动重复以上步骤，并且单独设置步进电机开关以便更好的操作。当被切割的香蕉秸秆进入到粉碎室后，传感器 5 发出信号，电动机带动滚筒切刀旋转，动刀片与定刀片将香蕉秸秆切碎，并利用滚筒刀片将切碎后的秸秆沿切线方向从出料口排出入收集箱中。

　　2 基本结构及功能

　　2． 1 基本结构

　　香蕉秸秆粉碎机的结构简图如图 1 所示。【图1】

　　
　　2． 2 压力传感器

　　传感器 1 装在初始传送带的位置，用来检测有无秸秆，控制步进电机的停转; 传感器 2 装在刀具的上方，用来控制主电机的运转使刀具向下运动; 传感器 3装在刀具下方，当刀具回复初始位置时刻，发出信号，步进电机开始转动并重复切割运动; 传感器 4 装在末端传送带的位置，用来检测秸秆是否到达指定位置，控制步进电机的停转; 传感器 5 装在粉碎室喂料口，用来检测是否有秸秆进入到粉碎室中，控制电机的停转，由此构成一个传感器组。当传感器组没有信号时，总电源断电，粉碎机停止工作。

　　3 自动粉碎过程及控制系统

　　3． 1 自动粉碎工作过程

　　①主电机。Z 向步进电机转动，工作回初始位置。

　　②进料。系统开始启动后，通过步进电机运动将原料通过传送带运送到指定位置，直至传感器 4 发出脉冲信号使步进电机停转。③切割。传感器 2 发出信号，主电机带动带传动机构使刀片旋转，同时在配重平衡力的作用下，Z 向电机驱动涡轮运动从而带动蜗杆运动，涡轮又带动摇臂上下摆动，进而实现秸秆的切割运动。④粉碎。当传感器 5 检测到被切断后的秸秆，电机带动滚筒切刀旋转，动刀片与定刀片将香蕉秸秆切碎，并利用滚筒刀片将切碎后的秸秆沿切线方向从出料口排出。⑤自动卸载。当刀具切割后回到初始位置，步进电机开始运转。上述②至⑤步骤连续进行，完成香蕉秸秆的自动粉碎工作过程。根据粉碎机的工作过程，系统的程序流程图如图 2 所示。【图2】

　　
　　3． 2 控制系统

　　3． 2． 1 步进电机控制系统

　　步进电机是将电脉冲信号转变为线位移或者角位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的停止和转速调节位置只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，并不受负载的影响。当驱动器接收到一个新脉冲信号时，它将驱动步进电机按设定的方向转过一个固定的角度，称为是“步距角”。其通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而可以达到准确定位的目的，也可以通过控制脉冲的频率来控制电机转动的加速度和速度，进而达到调速的目的。步进电机控制部分电路如图 3 所示。

　　3． 2． 2 基于单片机的控制系统

　　单 片 机 的 控 制 电 路 AT89C2051 芯 片 和THB6064H 芯片的功能构成的电路。在控制过程中，传感器是开关，单片机接受传感器以及其他芯片发来的信号并对信号做出相应的处理，能够存储和执行指令，进行逻辑运算、定时、算数运算和顺序控制等操作，而得以完成秸秆粉碎机的运算控制操作。为了实现整个机械的自动控制，将由单片机组成的控制电路进行全程控制。其 I/O 接线图如图 4、图 5 所示。

　　其中转换条件分别表示如下:X0: 启动开关，控制整个电路系统的电源;X1: 光电传感器 1，用来检测原料有无，控制步进电机的停转;X2: 光电传感器 2，用来控制主电机的运转使刀具向下运动;X3: 光电传感器 3，检测刀具是否恢复初始位置;X4: 光电传感器 4，用来检测秸秆是否到达指定位置，控制步进电机的停转;X5: 光电传感器 5，用来检测秸秆是否进入带粉碎室，制电机工作;X6: 独立步进电机开关;X10: 停止开关。【图3-5略】
　　
　　4 结束语

　　基于单片机、步进电机、压力传感器等进行了香蕉秸秆粉碎机的设计，可有效提高工人劳动舒适性、劳动生产率及资源再回收利用率。同时，可增加果农收益，提高生活水平，解决劳动力不足，降低工人劳动强度，减轻废物和废气对人体、环境的危害，适合低碳环保、可持续发展的要求。经机器粉碎的香蕉秸秆可转变为新型能源，用作养殖饲料喂养动植物，作为生产食用菌的基料和工业原料，可促进香蕉种植业的产业化、规模化和商业化发展，提高经济效益。

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