杜毅鹏，石世纪，刘宏博，赵 进，任震宇，何培祥，罗 翔,韩小斌

(1.西南大学 工程技术学院，重庆 400715；2.贵州省农业机械技术推广总站，贵阳 550003；3.贵州省烟草公司遵义市公司，贵阳 563000)

0 引言

烟草种植主要以烟叶产量为最终目的，在其种植过程中必须采用打顶抑芽的方式，抑制它的顶端优势，尽可能地促进烟草植株叶片的生长。打顶抑芽是提高烟叶产量的重要的农艺步骤，目前在烟草种植中普遍应用[1]。

当前，人工打顶还是主要的方法，既直接用普通的剪刀将烟草的顶端剪掉，然后喷洒抑芽剂，工序复杂，劳动强度大，随意性大，机械化程度低。我国对于烟草打顶机械的研发仍处于萌芽阶段，主要由高校开展。如2011年，山东农业大学研制的智能烟草打顶抑芽控制系统，放置于2ZYLJ-1型多功能作业机上作业，可实现对烟草高度的精确仿形，集打顶装置、消毒装置、抑芽剂喷施装置于一体，促进了烟草农业机械化水平的提升[2]。相较于国内，美国、加拿大、日本等国家早已实现了机械化联合作业，能够同时完成烟草打顶、抑芽及收集等多个农艺[3]。美国对烟草打顶抑芽相关机械的研究可以追溯到20世纪90年代[4-5]。农业发达国家在多年的技术积累和改进过程中正在朝现代化、智能化、一体化方向发展，这也是未来发展的必然趋势[6]。由国内外研究情况来看，目前主要是大中型机械，适用于平坦辽阔的地形，对于我国西南山地丘陵地区的实用性较差。我国重庆、贵州、云南等西南地区主要以山地丘陵地形为主，烟草种植面积更是超过全国种植面积的50%以上[7]。因此，研发一种体积小、质量轻，施药精确且能够在山地丘陵地区推广使用的打顶抑芽装置显得尤为必要[8]。

1 结构和工作原理

手持式电动烟草打顶抑芽系统包括打顶抑芽剪、抑芽剂和消毒液喷施系统和控制系统，如图1所示。

1.动刀片 2.定刀片 3.定喷头 4.扇形齿轮 5.电机齿轮 6.抑芽剂输送管 7.抑芽剂电磁阀 8.支撑平板 9.背带 10.药箱 11.抑芽剂泵 12.消毒液泵 13.消毒液电磁阀 14.电池及控制盒 15.消毒液输送管 16.抑芽剂输送管 17.手柄 18.作业开关 19.电机 20.电机轴螺母 21.磁铁 22.动喷头

打顶抑芽剪为手持式的，包括剪切系统、动力传动系统及机架。剪切系统为1对通过螺栓相啮合的刀片，刀片啮合平面与机架成45°夹角，以便形成具有一定倾斜角度的截面，定刀片通过螺栓和机架相连[9]，动刀片通过螺栓和动力传动系统相连。动力传动系统包括电机、电机齿轮和扇形齿轮，主要把电机的扭矩通过电机齿轮和扇形齿轮传递到动刀片，实现两刀片的张开和闭合，从而完成剪切工作。电机通过电机轴螺母和机架相连，机架包括手柄和支撑平板，为各系统提供支撑并为作业者提供操作部分。抑芽剂和消毒液喷施系统包括药箱、抑芽剂泵、消毒液泵、抑芽剂电磁阀、消毒液电磁阀、喷头、消毒液输送管及抑芽剂输送管。其中，消毒液泵和抑芽剂泵安装于药箱底部，实现药液向喷头的输送。抑芽剂泵和抑芽剂输送管间连接抑芽剂电磁阀，安装在机架上，控制电磁阀的导通时间，从而控制喷药量。消毒液泵和消毒液输送管间连接消毒液电磁阀，控制电磁阀的导通和断开，从而控制消毒液的喷施。喷头通过螺栓固定在刀片上，喷头底面和机架平行，喷头下端均匀分布有抑芽剂喷孔，动喷头上有消毒液渗透槽，槽内装有海绵；当剪切工作完成时，两喷头闭合，抑芽剂电磁阀打开，向烟草植株中心喷施抑芽剂，同时消毒液电磁阀打开，给刀片进行消毒。

烟草人工打顶一般分为两个动作，先进行打顶再喷施抑芽剂，采用这种方法，工序比较复杂，所需时间较长，影响了工作的效率，加大了工人的劳动强度，且无法控制喷药量。采用传统的剪刀打顶后，烟草植株的断面干枯后，会形成一个中间凹陷，下雨后雨水极易汇集在该凹陷内，并且可能通过该凹陷渗入烟杆内，造成烟杆的腐烂；同时，在需要打顶的烟草植株中通常都会存在少部分被细菌感染的烟杆，在对这部分烟草植株打顶后，剪刀上或多或少会残留有细菌或者病毒，继续给烟草打顶时容易把细菌或者病毒带给其他烟草植株，造成植株被感染，生病坏死。该手持式电动烟草打顶抑芽系统在一次工作周期中，同时完成打顶、抑芽和喷施消毒液3个动作，同时形成具有一定倾斜角度的截面，在断面干枯后仍然保持为斜面，减少雨水的汇集。主要工作流程为：作业者按下工作开关，电机正向转动，通过动力传动系统带动刀片转动，刀片闭合进行剪切；到达极限位置，刀片停止，抑芽剂电磁阀打开，定量喷施抑芽剂；同时消毒液电磁阀打开，喷施消毒液，等待一定时间，药液喷施完成，电磁阀关闭；扬声器鸣叫以提醒操作者松开工作开关，电机反向转动，通过动力传动系统带动刀片转动，刀片张开，到达初始位置，刀片停止，电机停止等待下次工作。工作流程图如图2所示。

图2 工作流程图

手持式电动烟草打顶抑芽系统的控制系统包括硬件电路和软件程序。考虑各部件控制对计算速度和反应速度没有特别要求，最终选择PIC18F23K22单片机为主控芯片，其有28个引脚，8MHZ内部晶振，8K程序存储器，完全符合设计要求。控制系统的设计采用模块化的设计思路，输入信号主要有作业开关信号、电源电压信号、抑芽剂喷施量调节信号及刀片位置信号等，以控制电机的正反转、抑芽剂泵和消毒液泵的工作，以及抑芽剂电磁阀和消毒液电磁阀的导通和断开。为了确保工作的可靠性，设计了故障报警模块及剪切次数记录功能，同时嵌入NFC无线通信模块，实现与手机实时通信，及时了解该装置的工作状态。其具体电路原理图如图3所示。

2 硬件电路模块化设计

2.1 电源及复位电路

该电动烟草打顶抑芽系统的单片机工作所需电压为+5V直流电源，整机采用的是12V锂电池，需要将12V锂电池电压转化为+5V。本文选用LM7805稳压模块，12V经过LM7805后可输出稳定的+5V电压，电路图如图4所示。复位引脚连接着相应复位电路，复位电路采用典型电路。

2.2 刀片位置检测电路

刀片位置检测采用霍尔传感器SS41F，两个磁铁固定在扇形齿轮上，即刀片张开和闭合对应的两个极限位置；传感器固定在定喷头上，这样当刀片张开或闭合时，扇形齿轮上的磁铁到达相应的极限位置，此时就会产生电平变化信号，并借助运算放大器将该信号传输至PIC单片机,单片机即可通过电平变化确定刀片的位置。

图3 电路原理图

图4 电源电路

2.3 抑芽剂喷施量调节电路

抑芽剂喷施量调节利用电位器R9的分压检测电路来实现。电位器接入+5V电源，参考电压选择VDD，单片机引脚AN11通过AD(Analog-to-Digital)转换检测电位器R9分压变化，再经过单片机内部计算，计算出相应的喷药时间从而得到相应的设置喷施量，并采用RC滤波滤掉调节过程中产生的毛刺，使得抑芽剂施药量调节更精确。

2.4 电源电压检测电路

该电动烟草打顶抑芽系统需要对电源电压实时检测，一旦电压过低，立即停止工作并提示用户。采用电阻分压的的方式对电源电压进行检测，分压电阻R11、R12 将电源电压分压，保证电压在PIC单片机可识别范围，采集的电压信号经过滤波后发送到单片机的A/D接口，从而实现电压的检测。

2.5 作业开关检测电路

作业开关断开时，5V电压通过R13、R14加在电容C7上，单片机输入电平为高电平；当开关闭合后，R13、R14接地，电容C7放电，输入单片机的电平为低电平，通过高低电平的变化来检测开关的断开和闭合；同时，R14和C7构成RC滤波电路，起到硬件防抖的作用[10]。

2.6 外部晶振电路

考虑该打顶抑芽系统有NFC无线通信模块，采用串口通信方式，需要保证时钟频率精度，所以采用外部晶振方式为提供系统的时钟信号，两个电容起到协助晶振起振的作用。

2.7 无线通信模块连接电路

NFC无线通信模块，具有简单方便的特点，其只有4个外接引脚，分别是GND接地引脚、VCC电源引脚、通信引脚SCL和SDA。其通过I2C与单片机进行串口通信，并使用特殊功能引脚SCL1、SDA1。

2.8 电机控制电路

借助继电器KA1和KA2实现电机的正反转控制，继电器的断开和导通由单片机RC0和RC1发出的信号控制三极管Q0、Q1的导通和截止来实现。当继电器KA1和KA2都闭合或都断开时，电机停止不转动；当KA1闭合、KA2断开时，电机正向转动，带动刀片闭合；当KA1断开、KA2闭合时，电机反向转动，带动刀片张开。二极管D2、D3在三极管Q0、Q1关断时起到续流的作用。

2.9 抑芽剂泵和消毒液泵供电控制电路

供电电压的稳定性对装置药泵喷药量的准确性起着决定性的作用，因此药泵供电控制电路的设计起着难以忽略的作用。利用高频PWM信号控制场效应管的导通和关闭，进而控制药泵的电压，改变PWM的占空比从而调节药泵两端的平均电压，从而确保电路电压的稳定。

2.10 抑芽剂、消毒液电磁阀和扬声器控制电路

电磁阀和扬声器采用场效应管电路进行控制，由单片机的RA1、RA2、RA3引脚分别控制Q4、Q5、Q6的截止和导通；电磁阀线圈和扬声器作为感性负载，需要并联D6、D7、D8进行续流，R23、R25、R27为限流电阻，同时并联R24、R26、R28消除分布电容效应。

2.11 指示灯控制电路

指示灯由单片机RA5引脚直接进行控制，串联电阻R29用于限流。

3 软件设计

基于工作流程图和硬件电路，并采用汇编语言实现电动烟草打顶抑芽系统的软件程序的编写。采用了模块化设计理念，软件程序除了主程序还包括各功能子程序，即初始化子程序、药液充满药管子程序、电源电压检测子程序、施药量检测子程序、药泵稳压子程序、电机控制子程序、刀片位置检测中断子程序、喷药子程序以及I2C通信子程序等。该程序能够在1个工作周期内实现烟草打顶、抑芽和喷洒消毒液的工作。其主程序流程图如图5所示。

4 性能试验

为了测试该电动烟草打顶抑芽系统的实际性能，在西南大学工程技术学院实验室和试验田分别进行了抑芽剂喷药量精度试验和田间试验。

4.1 抑芽剂喷药量精度试验

试验所用到的设备主要有手持式电动烟草打顶抑芽系统、水桶及250mL量程的量杯。

进行抑芽剂喷药量精度试验时，对抑芽系统设置了11组设定值，从10m～20mL每隔1mL进行1组试验，每组进行10次试验，测得总的抑芽剂喷药量，计算出每次的平均喷药量，最后采用偏差分析。试验结果如表1所示。

图5 主程序流程图

喷施次数液量/mL每次平均液量/mL设定量/mL喷施偏差/%平均偏差/%10989.8102.0010910.9110.9111611.6123.3313413.4133.0814514.5143.57 14814.8151.25 15815.8161.25 16316.3174.12 17817.8181.1118718.7191.58 20220.2201.00 2.11

由表1可知：该电动打顶抑芽系统抑芽剂喷药量平均偏差在2.11%，满足设计要求。

4.2 田间试验

为了验证该烟草打顶抑芽系统的实际工作性能，于2018年在西南大学试验田进行了实地测试。

现场测试表明：该打顶抑芽系统能够完成预期的各项工作，实现了在1个工作周期中完成打顶、抑芽和消毒液的喷施；抑芽剂喷施效果良好，药液能够呈一定角度喷向烟草株杆，包裹性能良好，实现了在每次剪切后对刀片的消毒，同时其剪切截面呈一定倾斜角度；在田间完成了工作效率的测定，从刀片闭合到喷施完成刀片张开，每株烟草平均用时3.1s。

5 结论

按照模块化的思路，设计了一种手持式电动烟草打顶抑芽系统，包括整机结构设计、硬件电路和软件程序设计，实现了在1个工作周期中完成打顶、抑芽和喷施消毒液的工作，提高了工作效率。该系统能够准确地控制抑芽剂的喷施量，喷施误差在5%以内，大大提高了抑芽剂的利用率，降低了成本，减少了烟株细菌病毒的感染，提高了经济效益，进一步推动了烟草农业机械化进程。