任玲 陳寬政 袁書恒 王勇

摘 要： 以STM32單片機(jī)為控制中心，以脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、凹板壓力、傳動(dòng)鏈張緊力、谷物流量和谷物水分為監(jiān)測(cè)量，提供一種聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒的監(jiān)控裝置，可以精準(zhǔn)將信息反饋給操作人員，及時(shí)控制聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒堵塞故障的發(fā)生。

關(guān)鍵詞： 脫粒滾筒； STM32單片機(jī)； 監(jiān)控裝置

中圖分類號(hào)： TP 368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2018）03-0093-03

0 引 言

聯(lián)合收割機(jī)用于收獲小麥、水稻、玉米等谷物，能夠一次完成谷類作物的收割、脫粒、分離莖桿、清除雜余等工序，可節(jié)省大量的勞動(dòng)力。然而，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)聯(lián)合收割機(jī)是純機(jī)械式的，需要人工根據(jù)作業(yè)條件控制聯(lián)合收割機(jī)，脫粒滾筒作為聯(lián)合收割機(jī)最易出現(xiàn)堵塞故障的部位，如果能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控對(duì)聯(lián)合收割機(jī)工作效率具有非常重要的意義。本文設(shè)計(jì)一種基于STM32單片機(jī)的聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒監(jiān)控系統(tǒng)，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，并能夠在線修改控制器內(nèi)部參數(shù)。本系統(tǒng)可以精準(zhǔn)將信息反饋給操作人員，及時(shí)控制聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒堵塞故障的發(fā)生。

1 半喂入軸流式脫粒滾筒模型

聯(lián)合收割機(jī)按喂入方式分全喂入式和半喂入式。全喂入式是指割臺(tái)切割下來的谷物全部進(jìn)入脫粒脫粒滾筒；半喂入式是指割臺(tái)切割下來的作物僅穗頭部進(jìn)入脫粒滾筒，與全喂入式相比，半喂入機(jī)型減少了脫粒、清選的功耗，谷物損失少，有著廣闊的應(yīng)用前景。半喂入軸流式脫粒滾筒由滾筒、連接軸、弓尺、凹板和軸承組成。滾筒工作時(shí)，谷物以垂直于滾筒軸線方向喂入，并沿滾筒軸運(yùn)動(dòng)，谷物在凹板篩上受到強(qiáng)烈碰撞，稻谷落入清選裝置，谷穗被夾持鏈輸送到尾部處理機(jī)構(gòu)。以半喂入軸流脫粒滾筒為研究對(duì)象，脫粒裝置工作過程所需總功率的數(shù)學(xué)模型為[1]

式中：P為滾筒所需總功率；w為滾筒轉(zhuǎn)速；A為與傳動(dòng)方式、軸承種類、機(jī)械磨損程度等有關(guān)的系數(shù)；B為與滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的迎風(fēng)面積有關(guān)的系數(shù)；K1，K2，K3為系數(shù)；u為谷物與凹板的平均摩擦系數(shù)；q為谷物喂入量；D為滾筒的直徑；ρ為谷物密度；d為凹板間隙；S為凹板展開面積；V0為谷物喂入時(shí)的速度；V3為滾筒旋轉(zhuǎn)線速度。

由式（1）可以看出，在保持滾筒w恒定轉(zhuǎn)速時(shí)，影響脫粒滾筒功率P大小的主要因素有喂入量q，滾筒轉(zhuǎn)速w，滾筒直徑D，谷物喂入式的速度V0和谷物密度ρ等因素有關(guān)。其中脫粒滾筒功率P隨著喂入量q和滾筒轉(zhuǎn)速ω的增加而增大，隨著谷物密度ρ增加而減小?；诖耍瑯?gòu)建以滾筒轉(zhuǎn)速、喂入量、傳動(dòng)鏈張緊力、凹板壓力、谷物含水率為參數(shù)的脫離滾筒監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脫粒效率的最大化，脫粒損失的最小化。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒監(jiān)控裝置以STM32F103單片機(jī)為控制核心，再加觸摸屏、傳感器模塊以及相關(guān)外圍設(shè)備組成。傳感器模塊選用NS304F雙頭螺桿微型壓力傳感器用于檢測(cè)脫粒凹板壓力的第一壓力傳感器和傳動(dòng)鏈張緊力的第二壓力傳感器，選用非接觸式的霍爾傳感器用于檢測(cè)滾筒轉(zhuǎn)速，采用力-電傳感器檢測(cè)谷物流量，選用變介電常數(shù)式的電容水分傳感器檢測(cè)谷物濕度[2]，上述傳感器組可以實(shí)時(shí)檢測(cè)喂入量、谷物含水率、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、脫粒凹板壓力和傳動(dòng)鏈張緊力，將檢測(cè)到的壓力、流量、轉(zhuǎn)速和濕度用信號(hào)經(jīng)過濾波、整形、放大處理后送給STM32F103單片機(jī)。觸摸屏與單片機(jī)之間通過PB和PC并口通信，通過軟件設(shè)計(jì)觸摸屏界面，能夠?qū)崟r(shí)顯示聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)可以在線修改控制器內(nèi)部參數(shù)。輸出裝置包括蜂鳴器、LED及滾筒變速模塊，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警和收割機(jī)調(diào)速功能，檢測(cè)組件、控制單元與輸出單元三者之間相互配合共同實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒的監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用高級(jí)語(yǔ)言C語(yǔ)言編寫，C語(yǔ)言具有編程簡(jiǎn)單，編譯效率高的特點(diǎn)[3]。軟件設(shè)計(jì)分為主程序設(shè)計(jì)、觸摸屏子程序設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)模糊PID控制算法子程序設(shè)計(jì)。

3.1 主程序流程

主程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，能根據(jù)脫粒滾筒當(dāng)前的狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)用模糊PID控制算法，完成報(bào)警信號(hào)處理、調(diào)速等功能。主程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 觸摸屏子程序

觸摸屏是一款功能強(qiáng)大且操作簡(jiǎn)單的人機(jī)界面[4]，觸摸屏能夠?qū)崟r(shí)顯示傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，并能在線修改參數(shù)。觸摸屏程序流程如圖3所示。

3.3 模糊PID控制算法子程序設(shè)計(jì)

模糊自調(diào)整PID控制的目的就是通過在每個(gè)采樣時(shí)刻不斷檢測(cè)脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)鏈張緊力和凹板壓力響應(yīng)誤差與變化率的偏差大小[5]，根據(jù)制定好的模糊規(guī)則，PID控制器根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的變化主動(dòng)調(diào)節(jié)自身參數(shù)的大小，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能[6]。在收割機(jī)工作之前根據(jù)谷物的性質(zhì)和田間的狀況設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速、凹板壓力和傳動(dòng)鏈張緊力，在所測(cè)得數(shù)值皆處于設(shè)定檔位范圍內(nèi)，則收割機(jī)保持行走速度檔位恒定不變。若所測(cè)得滾筒轉(zhuǎn)速和凹板壓力在設(shè)定范圍內(nèi)，但傳動(dòng)鏈張緊力低于設(shè)定值，則提高收割機(jī)行走速度檔位；若傳動(dòng)鏈張緊力高于設(shè)定值，則降低收割機(jī)行走速度檔位。模糊處理流程如圖4所示。