李愛傳 李琳 王熙

摘要：大功率拖拉機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分。試驗(yàn)針對黑龍江墾區(qū)應(yīng)用的大功率拖拉機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)性能不高的問題，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的電子監(jiān)視系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)樣機(jī)安裝在黑龍江省某農(nóng)場農(nóng)機(jī)隊(duì)的大功率拖拉機(jī)上試驗(yàn)，取得了比較滿意的試驗(yàn)效果。特別適用安裝有液壓全負(fù)載換擋變速箱的大功率拖拉機(jī)。

關(guān)鍵詞：大功率拖拉機(jī)；電子監(jiān)視系統(tǒng)；單片機(jī)；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

中圖分類號：Ｓ２２４．２１文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）15－3178-03

The Design of High-power Tractor Monitoring System

ＬＩ Ａｉ－ｃｈｕａｎａ，ＬＩ Ｌｉｎａ，ＷＡＮＧ Ｘｉｂ

（ａ．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ； ｂ． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｂａｙｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｄａｑｉｎｇ １６３３１９， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ａ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒing ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ８９Ｓ５２ ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ） ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｎ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ． Ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗａｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｏｆ ａｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｔｅａｍ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｔ ｗａｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｈｏｒｓｅｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： hｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ； eｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒing ｓｙｓｔｅｍ； ＭＣＵ； pｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ

大功率拖拉機(jī)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)實(shí)施的一個(gè)重要機(jī)械設(shè)備。隨著時(shí)代的變遷，大功率拖拉機(jī)越來越多地裝備有先進(jìn)的電子監(jiān)視控制設(shè)備，智能監(jiān)視系統(tǒng)是大功率拖拉機(jī)電子監(jiān)視設(shè)備發(fā)展的必然趨勢［１］。本設(shè)計(jì)主要針對當(dāng)前應(yīng)用的國產(chǎn)大功率拖拉機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)性能不高，造成排肥量、排種量、收獲量浪費(fèi)的情況給予及時(shí)調(diào)整?？梢詫?shí)現(xiàn)大功率拖拉機(jī)電子監(jiān)視系統(tǒng)的國產(chǎn)化，進(jìn)而節(jié)省進(jìn)口這種設(shè)備的資金?？蓪?shí)現(xiàn)對拖拉機(jī)的自動檢測，避免發(fā)生事故，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

１硬件資源配置

１．１監(jiān)視系統(tǒng)的組成

設(shè)計(jì)的監(jiān)視系統(tǒng)包括冷卻液溫度表、燃油表、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力表和電壓表，共計(jì)４塊數(shù)字儀表。同時(shí)可以對變速器油壓、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力、發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、離合器溫度、液壓油溫度、空氣濾清器堵塞、變速箱油濾清器堵塞、緊急故障、一般故障設(shè)計(jì)報(bào)警指示燈，共計(jì)９個(gè)指示燈。為了提高監(jiān)視系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，系統(tǒng)采用最先進(jìn)的國產(chǎn)傳感器，傳感器完全國產(chǎn)，目的是不過分依賴國外的產(chǎn)品和技術(shù)。

１．２監(jiān)視系統(tǒng)主要功能

１）電壓監(jiān)測。當(dāng)鑰匙開關(guān)在ＯＮ（接通）或者ＡＣＣ（輔助裝置）位置時(shí)，電壓監(jiān)測儀表指示出蓄電池及發(fā)電機(jī)的電壓。當(dāng)電壓表顯示電壓低于１１．８ Ｖ時(shí)，說明電瓶電不足；當(dāng)電壓表顯示蓄電池電壓為１１．８～１２．６ Ｖ時(shí)，說明電瓶存電比較充足。發(fā)動機(jī)工作時(shí)電壓表指示發(fā)電機(jī)的電壓，其電壓為１３．２～１５．５ Ｖ，當(dāng)電壓表顯示發(fā)電機(jī)的電壓高于１５．５ Ｖ或低于１３．２ Ｖ時(shí)，應(yīng)檢查充電電路有無故障［２］。

２）液壓油溫度監(jiān)測。液壓油溫度傳感器安裝在拖拉機(jī)全負(fù)載換擋變速箱中，當(dāng)液壓油溫度達(dá)到１０２～１０５ ℃時(shí)，液壓油溫度報(bào)警指示燈及黃色維修指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出警告音響。

３）發(fā)動機(jī)冷卻液溫度監(jiān)測。氣缸蓋溫度傳感器位于氣缸蓋左后部的頂端，氣缸溫度傳感器內(nèi)部是一個(gè)開關(guān)，冷卻液損耗或液面降低使缸蓋溫度增加，溫度達(dá)到１２０～１３２ ℃時(shí)，傳感器開關(guān)閉合使電路搭鐵，此時(shí)發(fā)動機(jī)處于極熱狀態(tài)，應(yīng)立即關(guān)閉發(fā)動機(jī)［１］。

４）離合器溫度監(jiān)測。離合器有兩個(gè)液壓油溫傳感器，一個(gè)裝在液壓油濾清器安全閥體內(nèi)（四區(qū)段變速器），另一個(gè)安裝在離合器殼體的右部，以測試離合器油的溫度。為了防止誤報(bào)警，在發(fā)動機(jī)啟動大約幾十秒后才能檢查離合器的溫度。

５）發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力監(jiān)測。機(jī)油壓力傳感器安裝于氣缸蓋的右側(cè)，機(jī)油壓力傳感器在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)，都有不同的機(jī)油壓力與其對應(yīng)。當(dāng)發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力過低時(shí)，機(jī)油壓力指示燈和紅色發(fā)動機(jī)停車燈亮，蜂鳴器發(fā)聲警告。此時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉發(fā)動機(jī)。

６）燃油量監(jiān)測。監(jiān)測傳感器采用浮子型液位傳感器。浮子漂浮在燃料油表面上且隨著油的高低而改變位置，進(jìn)而改變可變電阻器的電阻。

７）變速箱液壓油濾清器阻塞監(jiān)測。應(yīng)用兩個(gè)開關(guān)型傳感器來檢測變速箱液壓油濾清器的阻塞情況，當(dāng)液壓油壓力差達(dá)到２７５～３８０ ｋＰａ時(shí)，濾清器阻塞指示燈及黃色維修指示燈亮。當(dāng)壓力差達(dá)到５００～６５０ ｋＰａ時(shí)，濾清器阻塞指示燈及紅色發(fā)動機(jī)停車指示燈亮。

８）變速器油壓監(jiān)測。當(dāng)發(fā)動機(jī)油壓低于一定數(shù)值時(shí)，傳感器內(nèi)部開關(guān)閉合，變速器油壓報(bào)警指示燈和紅色停車指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出音響。

９）空氣濾清器堵塞監(jiān)測。該傳感器位于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管處，為真空開關(guān)型［３］，由于空氣中有很多的灰塵和雜質(zhì)，經(jīng)過空氣濾清器過濾后，才能供給發(fā)動機(jī)使用，當(dāng)濾清器堵塞時(shí)，傳感器開關(guān)閉合。經(jīng)過３ ｓ的延時(shí)，空氣濾清器阻塞指示燈及黃色維修指示燈亮，以提示駕駛員要對空氣濾清器進(jìn)行保養(yǎng)。

１．３監(jiān)視系統(tǒng)的硬件電路

設(shè)計(jì)有報(bào)警指示燈及蜂鳴器驅(qū)動電路、模擬量放大電路、傳感器信號Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量傳感器信號處理電路、轉(zhuǎn)速信號放大處理電路、看門狗電路、抗干擾電路等［４］。系統(tǒng)有６路模擬量需要Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，即冷卻液溫度、機(jī)油壓力、燃油量、工作電壓、離合器溫度、液壓油溫度。設(shè)計(jì)采用８路８位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片ＡＤＣ０８０９［５］。ＡＤＣ０８０９的工作地址為

＃６８００Ｈ。系統(tǒng)顯示采用四組三位發(fā)光ＬＥＤ數(shù)碼管顯示，采用新型的ＣＭＯＳ集成電路ＭＣ１４４９９，一片ＭＣ１４４９９可以直接驅(qū)動和控制四塊ＬＥＤ八段顯示器，由于其顯示方式為動態(tài)掃描，有消耗功率低、輸入線少等優(yōu)點(diǎn)，很適合監(jiān)視系統(tǒng)使用。報(bào)警信號燈驅(qū)動電路采用可編程并行接口電路８１５５，通過達(dá)林頓陣列ＵＬＮ２００３驅(qū)動超亮ＬＥＤ發(fā)光二極管。大功率拖拉機(jī)單片機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)電路原理圖如圖１所示。

２系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

監(jiān)視系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，主要包括如下程序模塊：主程序模塊、系統(tǒng)初始化及自檢程序模塊、模擬通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序模塊、開關(guān)量檢測程序模塊、ＬＥＤ數(shù)碼管驅(qū)動程序模塊、ＬＥＤ指示燈驅(qū)動程序模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理及報(bào)警判斷程序模塊、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量程序模塊、定時(shí)器中斷服務(wù)程序模塊、數(shù)字濾波程序模塊等。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序采用查詢方式。數(shù)字濾波程序采用消除脈沖干擾的去極值平均濾波法。

單片機(jī)８９Ｓ５２內(nèi)部ＲＡＭ資源劃分如表１所示。

單片機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時(shí)，會受到各種干擾的影響，如果不相應(yīng)地采取抗干擾措施，單片機(jī)就不能正常工作。系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件電路解決，因此在軟件中必須加入數(shù)字濾波程序。數(shù)字濾波處理的具體思路是：將連續(xù)進(jìn)行Ｎ次采樣的結(jié)果中的最大值和最小值去掉。對剩余的Ｎ－２個(gè)采樣結(jié)果求算術(shù)平均值，用這種方法即可濾去脈沖干擾，又可濾去小的隨機(jī)干擾，是一種效果較好的濾波方法，這里我們?nèi)。危剑保?。發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力警告與拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，采用查表方法，將特定轉(zhuǎn)速下的參考壓力值用ＭＯＶＣ這條指令從外部ＲＯＭ中送入到內(nèi)部ＲＡＭ中。轉(zhuǎn)速與壓力對應(yīng)關(guān)系如表２所示。

３小結(jié)

根據(jù)黑龍江墾區(qū)大功率拖拉機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，提出監(jiān)視系統(tǒng)研究方案并付諸實(shí)施，該設(shè)計(jì)樣機(jī)安裝在黑龍江省某農(nóng)場農(nóng)機(jī)隊(duì)的大功率拖拉機(jī)上試驗(yàn)，取得了比較滿意的試驗(yàn)效果。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，工作可靠。設(shè)計(jì)的監(jiān)視系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：①監(jiān)視位置多；②可靠性高，成本低，體積??；③抗干擾性能好；④報(bào)警靈敏，顯示清楚。特別適用安裝有液壓全負(fù)載換擋變速箱的大功率拖拉機(jī)。

現(xiàn)研制的監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力較弱，下一步準(zhǔn)備將ＡＲＭ系統(tǒng)用做監(jiān)視系統(tǒng)的處理核心單元，數(shù)據(jù)處理能力肯定會極大地改善。運(yùn)行可靠性和運(yùn)行速度也會有較大的改觀。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 王熙．農(nóng)業(yè)機(jī)械電子監(jiān)控技術(shù)研究［Ｍ］． 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，２００５．

［２］ 王熙．汽車·拖拉機(jī)·收獲機(jī)電器電子設(shè)備原理與維修［Ｍ］．哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，２０００．

［３］ 單成祥．傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［Ｍ］．北京：國防工業(yè)出版社，1999．

［４］ 李愛傳，王熙，汪志強(qiáng)，等．電液驅(qū)動式變量施肥閉環(huán)控制系統(tǒng)研究［Ｊ］．中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，２００９，２５（７）：２７２－２７５．

［５］ 李愛傳，汪志強(qiáng)，李琳，等． 電容式糧食水份檢測系統(tǒng)研究［Ｊ］． 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，２００９（２）：１１４－１１６．