基于STM32的聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒監(jiān)控系統(tǒng)

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。基于此，構(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滾筒轉(zhuǎn)速，采用力-電傳感器檢測谷物流量，選用變介電常數(shù)式的電容水分傳感器檢測谷物濕度[2]，上述傳感器組可以實(shí)時(shí)檢測喂入量、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)語言C語言編寫，C語言具有編程簡單，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)大且操作簡單的人機(jī)界面[4]，觸摸屏能夠?qū)崟r(shí)顯示傳感器檢測到的數(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。