微聯(lián)合收獲機(jī)氣流式清選裝置嵌入式設(shè)計(jì)

邱　林，李榮輝

( 1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，南寧　530007；2.廣西水利科學(xué)研究院，南寧　530007)

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微聯(lián)合收獲機(jī)氣流式清選裝置嵌入式設(shè)計(jì)

邱林1，李榮輝2

( 1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，南寧530007；2.廣西水利科學(xué)研究院，南寧530007)

摘要：微型聯(lián)合收割機(jī)氣流式清選裝置作業(yè)過程中，由于其轉(zhuǎn)速較高，容易產(chǎn)生籽粒損失問題，當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，還容易出現(xiàn)堵塞問題，影響了機(jī)器的正常收割作業(yè)。為此，提出了一種新型氣流式清選裝置。該裝置利用嵌入式單片機(jī)和μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)增加了反饋監(jiān)測(cè)設(shè)備，借助高速攝像拍攝不同籽粒和莖稈雜質(zhì)在清選裝置中的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋調(diào)節(jié)，將μC/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)在MC9S12XS128 單片機(jī)上進(jìn)行了移植，取得了良好效果。對(duì)清選裝置進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：清選裝置可在較低轉(zhuǎn)速下完成對(duì)谷物籽粒和雜物的分離，損失率低，分離效率較高，符合高精度微型聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī)；清選裝置；氣流式；嵌入式系統(tǒng)

0引言

近年來，聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，正向著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。其中，自行走和麥稈粉碎、均勻拋灑等技術(shù)的創(chuàng)新，配合自動(dòng)監(jiān)控和報(bào)警等電控裝置，使收割機(jī)的操作越來越簡單，收割效率和質(zhì)量也越來越高。由于大型收割機(jī)機(jī)械比較笨重，不適合在山區(qū)和丘陵等小規(guī)模種植地帶作業(yè)，因此需要研制適合丘陵和山區(qū)地帶的微型聯(lián)合收獲機(jī)。在新型微聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)展過程中，秸稈的粉碎增加了谷物籽粒和莖稈分離的難度，需要對(duì)清選裝置進(jìn)行改進(jìn)。將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和硬件應(yīng)用到清選裝置的設(shè)計(jì)中，可以有效地提高清選分離的監(jiān)測(cè)水平和自動(dòng)化調(diào)控性能，對(duì)于提高清選裝置的分離效率和質(zhì)量具有重要的意義。

1聯(lián)合收獲機(jī)械清選裝置分類和性能

在山區(qū)和丘陵地區(qū)進(jìn)行收割作業(yè)時(shí)，微型收割機(jī)是最常用的機(jī)械，影響微型聯(lián)合收獲機(jī)工作質(zhì)量和效率的主要因素是籽粒分離裝置。籽粒分離裝置的類型主要包括風(fēng)機(jī)和振動(dòng)篩式、風(fēng)機(jī)和圓筒篩式、氣流式清選裝置。這3種篩選裝置性能和優(yōu)劣性各不相同，其裝置結(jié)構(gòu)和性能如下：

1)風(fēng)機(jī)和振動(dòng)清選裝置。風(fēng)機(jī)和振動(dòng)清選裝置主要是由單風(fēng)道的離心機(jī)和振動(dòng)清選裝置組成，是最簡單的一種聯(lián)合收獲機(jī)谷物清選裝置。

2)風(fēng)機(jī)和圓筒清選裝置。風(fēng)機(jī)和圓筒清選裝置主要由單道離心風(fēng)機(jī)和圓筒構(gòu)成，其分離的主要部件為圓筒裝置。該裝置有效地縮短了整機(jī)的長度，減輕了振動(dòng)，增加了裝置的可靠性。

3)氣流式清選裝置。氣流式清選裝置主要由分離筒和吸雜風(fēng)機(jī)組成，根據(jù)物料密度和阻力等系數(shù)的不同，按照不同懸浮速度將籽粒和莖稈等雜質(zhì)分離。

氣流式清選裝置和一般的清選裝置相比，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低，工作穩(wěn)定性和可靠性程度高。氣流式清選裝置主要是旋風(fēng)式的，應(yīng)用時(shí)間較早，其節(jié)能性和分離性能較好，是聯(lián)合收獲機(jī)最常用的。

2旋風(fēng)分離清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

籽粒清選裝置是聯(lián)合收獲機(jī)的重要部件，其性能的好壞直接關(guān)系到聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，因此需要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。本次研究設(shè)計(jì)的微型聯(lián)合收獲機(jī)的清選分離裝置主要包括揚(yáng)谷設(shè)備、旋風(fēng)分離器和吸雜風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，旋風(fēng)分離器如圖2所示。工作時(shí)，清選裝置將籽粒在揚(yáng)谷設(shè)備內(nèi)拋扔，然后經(jīng)管道進(jìn)入旋風(fēng)分離器；在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下，質(zhì)量較輕的莖稈被吸雜風(fēng)機(jī)排出分選裝置，籽粒在重力作用下進(jìn)入籽粒收集裝置。

旋風(fēng)分離器主要包括籽粒出口、筒體、籽粒入口和莖稈雜質(zhì)出口。假設(shè)籽粒流以速度V在裝置內(nèi)曲線運(yùn)動(dòng)，在法線方向的加速度值為V2/n，n表示籽粒流的曲率半徑，根據(jù)徑向壓力梯度定于圓周離心力，可以得到

(1)

其中,ρ為氣體密度；n為氣流流線法線的微元。

壓力微元的公式為

(2)

其中，β為常數(shù)。

對(duì)n進(jìn)行微分可得

(3)

代入(1)式，可以得到

(4)

對(duì)上式積分，可得

1nV=-1nn+1nC

(5)

籽粒和莖稈在分離器中的運(yùn)動(dòng)為螺旋線行，其所有流線平行，則螺旋線的曲率半徑可表示為

(6)

其中，H為螺旋線螺矩；r為旋轉(zhuǎn)半徑。

將n帶入式(5)整理，可得

(7)

由于在分離器的器壁附近的一個(gè)小范圍內(nèi)，氣體的流速近似等于入口的流速Vj，因此得到常數(shù)C的表達(dá)式為

(8)

假設(shè)螺旋升角為α，則圓柱面半徑為r處的切向速度為

(9)

將其帶入(7)式，可得

(10)

根據(jù)分離速度可以測(cè)算出分離的效率，利用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)分離效率反饋調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)清選裝置的改進(jìn)。其理論依據(jù)為PID控制，調(diào)整分離器電機(jī)的轉(zhuǎn)速后，可以有效地提高分選裝置的分離效率。

1.揚(yáng)谷設(shè)備　2.旋風(fēng)分離器　3.吸雜風(fēng)機(jī)

1.籽粒出口　2.筒體　3.籽粒入口　4.莖稈雜質(zhì)出口

3氣流清選裝置的改進(jìn)

嵌入式系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一，通常作為一種系統(tǒng)以板式、片式或者箱式嵌入主體設(shè)備中，以應(yīng)用為主，技術(shù)基礎(chǔ)為計(jì)算機(jī)，軟件和硬件可以設(shè)計(jì)和剪裁，設(shè)計(jì)依據(jù)為在特定設(shè)備中完成特定的任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)的成本、體積、穩(wěn)定性、功能和功耗等各不相同，但共性是功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，將其應(yīng)用在清選裝置的監(jiān)控系統(tǒng)中，可以完成信息的反饋和處理及自動(dòng)化控制功能。嵌入式系統(tǒng)的圖像傳感器安裝如圖3所示。

μC/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)對(duì)鏡頭發(fā)送采集圖像指令，圖像信息返回處理器通過嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集信息和處理器的雙向通信功能，其過程如圖4所示。

圖3　圖像傳感器安裝

圖4　嵌入式系統(tǒng)框架圖

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是最重要的。只有設(shè)計(jì)合理的硬件系統(tǒng)，才能保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)MC9S12XS128作為核心控制器，其硬件系統(tǒng)主要包括電源結(jié)構(gòu)、電機(jī)控制模塊、速度識(shí)別模塊及清選率識(shí)別模塊，如圖5所示。

圖5　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

構(gòu)建過程中，首先使用MC9S12XS128單片機(jī)的TIM模塊采集清選裝置的清選效率信息，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到清選率；利用單片機(jī)的PWM模塊對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使用光電編碼傳感器對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)，使用PID控制系統(tǒng)調(diào)整轉(zhuǎn)速， 提高轉(zhuǎn)速控制的精度。對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分，根據(jù)系統(tǒng)功能將其劃分為若干任務(wù)模塊。當(dāng)訪問相同指令資源時(shí)，將其放在一個(gè)任務(wù)中，可以避免資源沖突。每個(gè)任務(wù)作為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，其主要任務(wù)功能模塊主要為6個(gè)，如表1所示。

表1　清選裝置任務(wù)規(guī)劃表

利用μC/OS-II實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)可以對(duì)任務(wù)調(diào)度進(jìn)行編程控制。利用Task_Star()設(shè)定優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)后完成初始化，建立其余5個(gè)任務(wù)；運(yùn)行圖像采集任務(wù)，其指令為Task_Pictur()；向圖像處理發(fā)出信號(hào)，其指令為Task_Position()；對(duì)轉(zhuǎn)速和清選效率進(jìn)行采集，指令為Task_PulseCnt()；利用Task_Steer()和Task_Motor()任務(wù)互斥信號(hào)Str_mutex反饋速度和清選效率信息，進(jìn)而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，提高清選裝置的清選效率。

4氣流清選裝置性能測(cè)試

利用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)微聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置進(jìn)行改進(jìn)后，需要對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。為了完成測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在普通氣流式清選裝置上搭載了嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，測(cè)試過程的場景如圖6所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)實(shí)物圖

對(duì)改進(jìn)后的氣流清選裝置的測(cè)試主要包括分選裝置莖稈速度測(cè)試和秸稈清潔率與籽粒損失率的測(cè)試。其中，莖稈分選速度的測(cè)試曲線如圖7所示。由圖7可以看出：改進(jìn)后的清選裝置莖稈的速度運(yùn)動(dòng)較快，可以以更高的速度排出分離裝置，有效地提高了分選效率。

圖7　分選裝置莖稈速度測(cè)試曲線

根據(jù)國家聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)籽粒的清潔率和損失率進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算。假設(shè)籽粒箱的總體質(zhì)量為w1，分離后籽粒的凈質(zhì)量為w2，分離出破損小麥的凈質(zhì)量為w3，則籽粒清潔率的計(jì)算公式為

(11)

清選損失率的計(jì)算公式可以寫成

(12)

根據(jù)清選裝置清潔率和損失率的計(jì)算公式，對(duì)本次改進(jìn)后的聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置的清選性能進(jìn)行了測(cè)試，通過8次測(cè)試得到了如表2所示的結(jié)果。

表2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出：在6次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，籽粒的清潔率都超過了99%，而籽粒的損失率均小于0.2%。根據(jù)國家聯(lián)合收割機(jī)清選裝置的標(biāo)準(zhǔn)要求，聯(lián)合收割機(jī)的籽粒清選率需要在98%以上，而籽粒的損失率需要小于1.5%，因此本次設(shè)計(jì)的清選裝置符合國家高精度聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5結(jié)論

1)為了適應(yīng)山區(qū)和丘陵地帶的收割作業(yè)需求，對(duì)微型聯(lián)合收割機(jī)的籽粒清選裝置進(jìn)行了改進(jìn)，并針對(duì)籽粒損失和風(fēng)力不足造成阻塞等問題，設(shè)計(jì)了一種具有反饋調(diào)節(jié)能力的新型籽粒清選裝置，有效地提高了收割機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2)為了實(shí)現(xiàn)籽粒清選裝置的自動(dòng)化反饋控制，將嵌入式嵌入式單片機(jī)和μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用到了裝置的設(shè)計(jì)中，并將μC/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)在MC9S12XS128 單片機(jī)上進(jìn)行了移植，取得了良好的效果。

3)對(duì)改進(jìn)后的聯(lián)合收獲機(jī)籽粒清選裝置進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括自動(dòng)控制反饋調(diào)節(jié)能力和谷物籽粒的分離效果。由測(cè)試結(jié)果可以看出：籽粒的清潔率超過了99%，籽粒的損失率均小于0.2%，達(dá)到了高精度聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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Embedded Design for Air Cleaning Device of Micro Combine Harvester

Qiu Lin1, Li Ronghui2

(1.Department of Electronic Information Engineering,Guangxi Agricultural Vocational College,Nanning 530007, China; 2.Guangxi Institute of Water Resources Research,Nanning 530007 , China)

Abstract：In the process of the operation of the air cleaning device in the micro combine harvester, it is easy to produce grain loss due to its high speed, and it is easy to be blocked when the wind is insufficient,which affects the normal operation of the machine. In order to solve the problems, it puts forward a new type of air cleaning device, which uses the embedded MCU and UC/OS-II real-time operating system to get the feedback monitoring equipment.With high speed camera, the best speed of electric machine is adjusted by different grain and stem of impurities in the cleaning device of the motion.In order to realize the real-time monitoring and feedback regulation of the device, the C/OS-II real-time system is transplanted on the MC9S12XS128 chip.The good effect is obtained. Finally, the device was tested and it was found that the device can be used to separate the grain and the debris at the lower speed. The loss rate of grain is low, and the separation efficiency is higher.

Key words：combined harvester; cleaning device; air flow; embedded system

中圖分類號(hào)：S225；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0096-05

作者簡介：邱林(1983-)，女，廣西河池人，講師，碩士。通訊作者：李榮輝(1979-)，男，廣西武鳴人，高級(jí)工程師，博士，(E-mail)qlandlrh2015@sina.com。

基金項(xiàng)目：廣西高校科研項(xiàng)目(201204LX621)

收稿日期：2015-08-29