劉 超，尹建軍，陳樹人，肖 君，湯明明

(江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

在我國秸稈及牧草資源十分豐富，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量超7億t，2014年我國草原總面積為392 832.7khm2，累計種草保留面積為23 083.6khm2 [1]。由于人工收儲秸稈和牧草需要耗費大量的人力物力，打捆機在秸稈及牧草的收獲、運輸及存儲過程中起到極為重要的作用。打捆機按照草捆外形分為方捆打捆機和圓捆打捆機，圓捆打捆機由于其結(jié)構(gòu)簡單、價格較低、配套動力較小等原因，在國內(nèi)外秸稈及牧草收獲運輸存儲過程中得到廣泛應用。近年來，國內(nèi)對于打捆機的研究正在向智能化和自動化方向快速發(fā)展[2]。

草捆質(zhì)量的實時監(jiān)測對于圓捆機草捆密度系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)測，以及牧草及秸稈的產(chǎn)量分布研究具有十分重要意義。對于體積一定的草捆監(jiān)測其質(zhì)量即可換算為草捆密度，得到田間草捆質(zhì)量的變化情況、草捆平均質(zhì)量、田間總作物質(zhì)量和產(chǎn)量、草捆密度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及繪制產(chǎn)量圖顯示整個作業(yè)區(qū)域的作物分布。

實際應用中，草捆稱重多采用傳統(tǒng)稱重方式：在草捆落地后利用叉車和磅秤進行稱重，需要多臺設備及人工操作配合[3]。

本文基于STM32設計了WDB800圓捆機草捆稱重系統(tǒng)，實現(xiàn)了圓捆機草捆的隨車動態(tài)稱重，并就試驗臺最佳安裝方案設計了試驗臺優(yōu)選試驗方案。同時，根據(jù)方案優(yōu)選試驗所得草捆稱重系統(tǒng)有效信號曲線的平穩(wěn)性來確定試驗臺最終安裝方案。

1 草捆稱重系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 草捆稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

草捆稱重系統(tǒng)主要包括固定架、質(zhì)量采集模塊、信號調(diào)理模塊、存儲模塊、串口通信模塊、處理器、電源模塊和LCD顯示屏，如圖1所示。質(zhì)量采集模塊包括稱重傳感器和角度傳感器。稱重傳感器安裝稱重試驗臺固定架上，角度傳感器安裝在圓捆打捆機尾軸上。

圖1 草捆稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

當角度傳感器監(jiān)測到尾軸轉(zhuǎn)動角度大于10°時，處理器開始采集數(shù)據(jù)，稱重傳感器采集草捆重力垂直于秤臺面的分力，累計采集數(shù)據(jù)量大于1 000時停止采集數(shù)據(jù)。傳感器輸出的信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊放大轉(zhuǎn)換后，由處理器計算處理后得出的草捆的質(zhì)量，計算結(jié)果送入存儲模塊并通過LCD顯示屏顯示。

1.2 硬件部分設計

1.2.1 傳感器的選型

由于在稱量過程中，草捆沿稱重試驗臺滾動，試驗臺與草捆之間有相對運動，因此草捆的稱量過程為動態(tài)稱重。選擇懸臂梁式稱重傳感器，具有精度高、防塵好、易于安裝和拆卸等特點，常用于各種電子汽車衡、料斗秤等動態(tài)稱重監(jiān)測中[4-7]。角度傳感器選擇旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測稱重試驗臺與水平面的夾角。

1.2.2 處理器的選型

圓捆機草捆動態(tài)稱重裝置選擇基于ARM系列Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6處理器為核心處理器。STM32F103ZET6處理器是一款資源非常豐富的32位微處理器，擁有64kB SRAM、512kB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個DMA控制器(共12個通道)、5個串口、1個USB、3個12位ADC、1個SDIO接口、1個FSMC接口，以及112個通用IO口等資源，功能強大且價格低廉[8]。

1.2.3 電源模塊

草捆稱重裝置電源通過并聯(lián)兩臺容量為10AH、12VDC輸出的便攜式鋰電池為傳感器及信號變送器供24VDC工作電壓，同時預留出一個12VDC的電源接口為STM32處理器供電。將電源固定在圓捆機一側(cè)機架上，可以在田間作業(yè)過程中為處理器和傳感器長時間提供穩(wěn)定電源。

1.2.4 傳感器安裝位置

由于圓捆機草捆成型機理，其成型室四周均由鋼輥組成，傳感器不能安裝在成型室內(nèi)，故將圓捆機草捆稱重系統(tǒng)試驗臺安裝在圓捆機后倉倉口。利用草捆從成型室內(nèi)滾出時落在后倉倉口的溜草架上，其壓力使溜草架尾部與地面接觸形成便于草捆滾落的斜坡這一特征(見圖2)，用集成稱重裝置的稱重試驗臺替代溜草架，實現(xiàn)草捆的隨車動態(tài)稱重。

圖2 溜草架斜置狀態(tài)

1.2.5 試驗臺固定架設計

稱重試驗臺需與圓捆機尾軸焊接，因此試驗臺與尾軸焊接后則不易再改動，試驗臺優(yōu)選試驗時固定架的長度需要調(diào)整，提出將該試驗臺固定架分為上下兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.固定架上半部分 2.固定架下半部分 3.兩側(cè)固定孔 4.兩側(cè)固定配合槽 5.試驗臺長度及稱重裝置安裝位置調(diào)節(jié)孔 6.調(diào)節(jié)孔配合槽

固定架實物圖如圖4所示。其可以根據(jù)固定架的長度要求和傳感器不同安裝位置要求，在固定架相應位置鉆直徑為φ12的安裝調(diào)節(jié)孔，并在固定架兩側(cè)開出對應的配合槽以配合安裝調(diào)節(jié)孔調(diào)整固定架的長度。

圖4 固定架實物

1.3 軟件部分設計

草捆稱重系統(tǒng)軟件程序是在keil uVision5環(huán)境下編寫的，主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)初始化并調(diào)用各個子程序[9-10]，若尾軸旋轉(zhuǎn)角度大于10°則處理器接收傳感器信號進行稱重，顯示草捆質(zhì)量并存儲。

子程序包括稱重數(shù)據(jù)采集程序設計、LCD顯示程序設計和存儲程序設計，流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

(a) 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 (b) 存儲程序流程圖

(c) 顯示程序流程圖

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 試驗臺方案優(yōu)選試驗

草捆動態(tài)稱重過程與常規(guī)稱重裝置不同，并不處于水平靜止狀態(tài)而是與水平面存在一定角度，即斜置穩(wěn)定位置狀態(tài)。試驗臺的長度會影響稱量時的角度，長度越長則固定架尾端與地面接觸時試驗臺與水平面的傾角越小，傳感器檢測的壓力越接近草捆的質(zhì)量；同時，傾角越小則草捆滾動過程中的速度亦較慢，草捆滾動時對稱重傳感器的沖擊力隨之變小。稱重裝置即秤臺的寬度不同會影響到有效數(shù)據(jù)采集的時間以及數(shù)據(jù)采集量；秤臺的安裝位置不同草捆落至試驗臺上時對稱重裝置的沖擊力和草捆從臺面滾過的速度的亦有較大變化。

為確定草捆稱重試驗臺最佳方案，根據(jù)上述影響因素分析將固定架的長度L、秤臺寬度B及秤臺末端距固定架尾端距離D作為試驗臺方案優(yōu)選試驗的主要影響因素，由于這3個因素之間并不獨立，故采用全面試驗的方法進行試驗。

田間作業(yè)時地面起伏不定，因此固定架長度不宜過長，否則圓捆機田間行駛時固定架會產(chǎn)生較為劇烈的振動從而影響傳感器的精度和使用壽命；同時，草捆不宜直接落在秤臺上，草捆質(zhì)量較大落下時和秤臺接觸會產(chǎn)生巨大的沖擊力，影響測量精度。綜上所述，取固定架長度L為1、1.2、1.4m，秤臺寬度B分別為0.4、0.6、0.8m，秤臺末端距固定架尾端距離D為0.1、0.3、0.5、0.7m。試驗安排如表1所示。

將試驗臺安裝試驗方案安裝固定后，分別使用實際質(zhì)量為40.3kg網(wǎng)卷代替草捆從試驗臺上滾落(見圖8)，稱重傳感器試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

表1 草捆稱重系統(tǒng)試驗臺優(yōu)選試驗設計方案

由圖7中可以看出：網(wǎng)卷落在試驗臺上時稱重傳感器檢測到相對網(wǎng)卷質(zhì)量較為微小的信號波動，網(wǎng)卷自秤臺上滾動時稱重系統(tǒng)信號產(chǎn)生非常明顯的爬升和驟降段，此段信號即為稱重系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)段。草捆從試驗臺上滾下后，試驗臺受到圓捆機彈簧的彈力回至初始位置，傳感器輸出逐漸衰減的振動信號。對比18組試驗數(shù)據(jù)，可以看出L=1.2m、B=0.6m、D=0.1m時稱重傳感器有效數(shù)據(jù)段最為平穩(wěn)，因此選擇該組試驗方案作為草捆稱重試驗臺的最佳方案，最終實物圖如圖9所示。

(a) L=1m,B=0.4m,D=0.1m;

(b) L=1.2m,B=0.4m,D=0.1m;

(e) L=1.4m,B=0.4m,D=0.7m;

(f)L=1.4m,B=0.6m,D=0.5m;

L=1.4m,B=0.8m,D=0.1m;L=1.4m,B=0.8m,D=0.3m

圖7 優(yōu)選試驗中稱重系統(tǒng)信號

Fig.7 The signals of weighing system during optimizing test

圖8 試驗臺優(yōu)選試驗

圖9 稱重系統(tǒng)試驗臺

Fig.9 The testbed of weighing system

2.2 草捆稱重試驗

為了檢驗草捆稱重系統(tǒng)的監(jiān)測精度，將水稻秸稈平鋪在平地上進行現(xiàn)場測量試驗。拖拉機牽引圓捆機沿平鋪秸稈撿拾打捆，草捆成型后稱重系統(tǒng)確定草捆質(zhì)量(見圖10)，試驗數(shù)據(jù)如表2所示，草捆稱重系統(tǒng)的最大監(jiān)測誤差為小于3%。

圖10 現(xiàn)場試驗

試驗次數(shù)草捆實際重量M/kg監(jiān)測值M1/kg誤差/%1125.3123.1826-1.6898643262158.7157.8332-0.5461877763223.5227.97832.0037136474250.2245.7336-1.7851318945283.2280.1366-1.081709046325.7328.16230.7560024567358.6360.12350.4248466268372.1371.2569-0.2265788779401.3396.5635-1.18028906110420.8413.5642-1.719534221

3 結(jié)論

基于STM32處理器將稱重裝置與圓捆機溜草架集成,確定了草捆稱重系統(tǒng)實驗臺的安裝位置，完成了WDB800圓捆機草捆稱重系統(tǒng)的設計并進行了試驗研究，實現(xiàn)了草捆的隨車動態(tài)稱重。同時，通過對試驗臺影響因素分析和系統(tǒng)試驗，確定了試驗臺安裝方案，即選擇固定架長度為1.2m、秤臺寬度為0.6m、秤臺末端距離固定架尾端0.1m的安裝位置為試驗臺安裝方案，能有效對圓捆機草捆質(zhì)量實行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測誤差小于3%。

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