基于AVR的多功能种子筛选机的设计

方案主要有2种，一是离心分离式，利用离心运动的离心原理，物体的质量不同，其具有的离心力也不同。预留的种子质量参差不齐，内含有干瘪、腐烂变质、发芽的，其离心力与质量好的种子有一定的差别，利用不同种子具有不同离心力的原理，可将其分离。考虑到离心控制对技术的要求比较高，不易控制，且离心控制必须用到离心分离机，其价格比较昂贵，故该方案不适合。二是风选分离式，利用轻杂及病变种子在质量上明显轻，且尺寸与好种子有明显差别的特点，将不同等级的种子进行分离。其原理是在振动筛的振动作用下，不同等级种子的振动幅度不同，经过风机的吹风作用，不同等级的种子逐渐分离。经过筛选分离后，种子净度已明显提高，且粒度比较均匀。该方案控制简单，成本较低，分离效果明显，在农业机械方面应用广泛，故本设计选择此方案。筛选分离模块通过双层筛网分隔为3层，上层筛面为平面筛，下层筛面为棱面筛，棱面筛的效率要比平面筛效率提高2～3倍。整个模块的振动依靠电机带动曲柄连杆的摇动，使其做有规律的往复运动，从而实现整个筛选分离模块的振动。在进料口下部装有风选装置，由鼓风机等部分构成，PWM调速可以调节风速，可以吹走质量较轻和干瘪的种子。筛选分离部分的振动与风选装置配合工作，能够将不同等级的种子分离开，粒径大的种子通过振动作用经过上层平面筛网过滤掉，从1号出口流出，粒径小的从2号出口流出，质量符合标准的种子从3号出口流出，从而完成种子的筛选分离。可以根据筛选种子的直径大小来更换不同规格的筛网，以满足不同种子的筛选需求。筛网网孔的阻塞直接影响清选效果，针对此问题，在棱面筛网上部加装有与筛网宽度相同的毛刷，电机转轴通过联轴器与丝杠连接，毛刷一端焊接有螺母，长条毛刷与丝杠保持垂直状态。12 V直流电机带动丝杠旋转，间接地使毛刷做有规律的往复运动，保证清选效果。

2.2 筛选理论设计计算

（1） 要求筛子的前部风速达到7～8 m/s，中部达5～6 m/s，后部达1～2 m/s，风扇出风口的平均风速需达4～5 m/s。

（2） 筛子面积计算方面，可由进入筛选装置的种子Qs（kg/s）确定筛的宽度B（mm），在传统型联合收割机上一般为筛体宽度的0.90～0.95，则筛子长度：

2.3 控制模块设计

依靠AVR单片机作为控制中枢，运用光电开关、压力传感器、碰撞开关等传感器件，并与电机、舵机和12864液晶显示屏完美配合，实现人机交互、实时显示等功能。

2.3.1 微处理器的选择 ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在1个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率[3]。

2.3.2 检测模块的选择 为保证工作的准确性，必须保证数据的连续传输，要求传感器有效信号传输距离为5～25 cm，传输信号准确，反应快，最终确定选用E3F-DS30C4型光电传感器。当光电传感器监测到拌药桶内的种子达到一定量时，反馈信号给单片机，单片机作出相应的响应（表1）。

HX711是一款专为高精度称质量传感器而设计的24位A/D 转换器芯片。与同类型其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程（图2）。

2.3.3 舵机模块P MG995型舵机工作稳定，体积小，扭力大，功耗低，控制精确[4]。

舵机在该装置中的使用主要是控制角度的变换，以实现拌药桶底部开口开合的变换。

2.3.4 继电器的选择 在低电压控制高电压的结构中采用电磁式继电器，由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放（图3、图4）。

3 结论

智能种子筛选机主要针对个体型农户设计，也可应用于小型工厂。传统型手工作业费时费力，效率低。该产品的设计集种子筛选分离、拌药、称质量于一体。跟传统筛选机相比，本筛选机具有以下优点：（1）流速控制功能，保证筛选过程中进料的均匀性，从而保证筛选质量。（2）双层筛网过滤，上筛面为平面筛，下筛面为棱面筛的设计，更换方便，筛选效果明显。（3）在搅拌桶内有搅拌扇叶，桶的上部装有智能化喷头，能够控制进药量，能够对筛选出的质量符合标准的种子进行拌药，效率高，搅拌更均匀。（4）称质量托盘底部装有压力传感器，可以对装袋质量实时监测，达到预设质量时自动报警。（5）单片机作为控制中枢，与传感器件交互配合，实现智能控制。独特的机械结构与电气控制部分交互配合，智能高效，简单易操作，可以满足不同种类种子加工处理需求，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]邹必昌，彭三河，汤小凝. 谷物清选机构主要参数优化设计试验研究[J]. 湖北农学院学报，2003，23（2）：108-112.

[2]马继光. 国外重力式清选机的发展方向[J]. 世界农业，2001（7）：32-33.

[3]徐益民，范红刚，苏凤武. 零基础学AVR单片机[M]. 北京：机械工业出版社，2011：85-115.

[4]宗华光，杨 洋，唐伯雁译. 机器人控制电子学[M]. 北京：科学出版社，2004：41-50.

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