吳海東，周洪如，李洪昌

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州213164)

0 引 言

半喂入式聯(lián)合收割機(jī)能夠按序完成谷物的切割、脫粒、分離和清選等作業(yè)，脫粒工序是谷物收割的主要工序之一。夾持輸送裝置是切割部與脫粒部聯(lián)系的中間環(huán)節(jié)，主要完成將切割好的谷物從割臺(tái)部送至脫粒部的任務(wù)，使谷物的穗端喂入脫粒室。在實(shí)際作業(yè)中，夾持輸送裝置能否精確地將谷物穗部完全送入脫粒室，在一定程度上會(huì)影響脫粒工序的脫凈率。本文介紹一種基于MSP430F449 單片機(jī)的半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)已收割谷物穗端位置，并自動(dòng)調(diào)整夾持輸送裝置的位置，使進(jìn)入到脫粒室中的谷物長度(穗端位置)保持在最佳狀態(tài)，以提高脫粒能力。

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)思

半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)由穗端位置信息采集單元、開關(guān)信號(hào)單元、信息處理單元和執(zhí)行單元等四部分組成。穗端位置信息采集單元主要由穗端傳感器(包括莖根側(cè)傳感器和穗端側(cè)傳感器)構(gòu)成，開關(guān)信號(hào)單元由脫粒深淺自動(dòng)開關(guān)、脫粒開關(guān)、莖根傳感器和脫粒深淺手動(dòng)開關(guān)組成，信息處理單元由MSP430F449 單片機(jī)構(gòu)成，執(zhí)行單元由脫粒深淺繼電器和直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

當(dāng)半喂入式聯(lián)合收割機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，脫粒深淺控制系統(tǒng)中的ECU 對(duì)穗端傳感器、脫粒深淺自動(dòng)開關(guān)、脫離開關(guān)、莖根傳感器、脫粒深淺手動(dòng)開關(guān)等所提供的信號(hào)進(jìn)行處理，而后對(duì)脫粒深淺繼電器發(fā)出指令，由脫粒深淺繼電器的工作狀態(tài)控制直流電動(dòng)機(jī)的正(反)轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制夾持輸送裝置(穗端)的合適位置，再由穗端傳感器將夾持輸送裝置的位置反饋給ECU，形成閉環(huán)控制，達(dá)到提高收割機(jī)的工作效率和脫凈率的目的。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選用

2.1 信息處理單元選用

MSP430F449 單片機(jī)具有集成度高、功耗低、功能豐富等MSP430 系列的基本特點(diǎn)，其12 位A/D 轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動(dòng)掃描特性，片內(nèi)比較器配合其他器件可構(gòu)成單斜邊A/D 轉(zhuǎn)換器。MSP430F449 單片機(jī)中的A/D 轉(zhuǎn)換器可以將穗端位置信息采集單元、開關(guān)信號(hào)單元的電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和處理，通過單片機(jī)的I/O(如RS－232 通訊接口)向深淺控制繼電器發(fā)送相應(yīng)的控制指令。因此，選用MSP430F449 單片機(jī)作為半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)的信息處理單元。

2.2 穗端位置信息采集裝置設(shè)計(jì)

穗端傳感器包括莖根側(cè)傳感器和穗端側(cè)傳感器，屬于開關(guān)型傳感器。它們向信息處理單元(ECU)提供“高電平”或“低電平”開關(guān)信號(hào)。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 信息采集單元

莖根側(cè)傳感器是常閉型開關(guān)，用于檢測(cè)谷物穗端莖根的位置。當(dāng)谷物穗端莖根接觸到傳感器，則傳感器內(nèi)部開關(guān)處于打開狀態(tài)，它向ECU 提供高電平信號(hào)。反之，它向ECU 提供低電平信號(hào)。

穗端側(cè)傳感器是常開型開關(guān)，用于檢測(cè)谷物穗端頂部的位置。當(dāng)谷物穗端頂部接觸到傳感器，則傳感器內(nèi)部開關(guān)處于閉合狀態(tài)，它向ECU 提供低電平信號(hào)。反之，它向ECU 提供高電平信號(hào)。

2.3 開關(guān)信號(hào)裝置設(shè)計(jì)

開關(guān)信號(hào)單元包括脫粒深淺自動(dòng)開關(guān)、脫粒開關(guān)、莖根傳感器(開關(guān))和脫粒深淺手動(dòng)開關(guān)。它們向信息處理單元(ECU)提供“高電平”或“低電平”開關(guān)信號(hào)。

脫粒深淺自動(dòng)開關(guān)和脫粒開關(guān)是常開型開關(guān)，當(dāng)它們處于閉合狀態(tài)時(shí)，同時(shí)向ECU 輸入低電平信號(hào)，作為啟動(dòng)脫粒深淺自動(dòng)控制功能的必要條件之一。反之，脫粒深淺控制功能將解除。

莖根傳感器是常開型開關(guān)，它設(shè)置在穗端傳感器的上游，當(dāng)有被割下的谷物穗端莖根接觸到傳感器，則傳感器內(nèi)部開關(guān)處于閉合狀態(tài)，接通穗端傳感器的“搭鐵”回路，以告知ECU 被割下即將有谷物被脫粒。作為啟動(dòng)脫粒深淺自動(dòng)控制功能的必要條件之一。反之，ECU 接收不到穗端傳感器的信號(hào)，脫粒深淺控制功能將解除。

脫粒深淺手動(dòng)開關(guān)是雙擲式開關(guān)，通?；顒?dòng)觸臂處于中間位置，當(dāng)用手撥動(dòng)活動(dòng)觸臂時(shí)，會(huì)接通左右兩側(cè)電路，分別向ECU 提供低電平信號(hào)，作為啟動(dòng)脫粒深淺手動(dòng)控制功能的充要條件。

2.4 脫粒深淺繼電器設(shè)計(jì)

脫粒深淺繼電器是半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)的直接執(zhí)行元件。脫粒深淺繼電器如圖3 所示，它由兩組雙擲式開關(guān)繼電器組成，圖中1、2號(hào)端子接電源正極，3 號(hào)端子接電源正極，4、5 號(hào)端子接電動(dòng)機(jī)，6 號(hào)端子電源負(fù)極，7、8 號(hào)端子接ECU。

圖3 脫粒深淺繼電器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)ECU 發(fā)出指令，使脫粒深淺繼電器左邊的線圈通電，則左邊雙擲式開關(guān)的常開觸點(diǎn)閉合而常閉觸點(diǎn)打開，使3 號(hào)與4 號(hào)端子導(dǎo)通。同樣，當(dāng)ECU發(fā)出指令，使脫粒深淺繼電器右邊的線圈通電，則右邊雙擲式開關(guān)的常開觸點(diǎn)閉合常閉觸點(diǎn)打開，使3號(hào)與5 號(hào)端子導(dǎo)通。

2.5 直流電動(dòng)機(jī)選用

直流電動(dòng)機(jī)是半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)的間接執(zhí)行元件，直流電動(dòng)機(jī)的作用是通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾持輸送裝置擺動(dòng)，使其達(dá)到合適的位置。

根據(jù)夾持輸送裝置的運(yùn)動(dòng)行程比較小、運(yùn)動(dòng)速度比較低等特點(diǎn)，脫粒深淺控制系統(tǒng)選用90ZYT08/H1 型永磁直流電動(dòng)機(jī)(12 V，120 W)，該電機(jī)采用鐵磁體永久磁鐵激磁，系封閉自冷式，環(huán)境溫度為－25 ～40°C，相對(duì)濕度≤95%(±25°C)，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。該電動(dòng)機(jī)具有下垂機(jī)械特性、線性調(diào)節(jié)特性，調(diào)速范圍寬、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和便于控制［1］，完全滿足半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件的要求。

3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)電路如圖4 所示。它由電源、點(diǎn)火開關(guān)、脫粒深淺繼電器、直流電動(dòng)機(jī)、限位開關(guān)(深側(cè)、淺側(cè))、控制單元(ECU)、深淺手動(dòng)開關(guān)、穗端側(cè)穗端傳感器、莖根側(cè)穗端傳感器、莖根傳感器、深淺自動(dòng)開關(guān)、脫粒開關(guān)等組成。

圖4 控制系統(tǒng)電路

控制系統(tǒng)的工作過程是，當(dāng)深淺手動(dòng)開關(guān)處于原位時(shí)，在莖根傳感器、深淺自動(dòng)開關(guān)和脫粒開關(guān)都閉合后，ECU 將同時(shí)讀取穗端側(cè)穗端傳感器和莖根側(cè)穗端傳感器的信號(hào)，并比較這兩個(gè)信號(hào)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，發(fā)出控制指令，接通脫粒深淺繼電器中左(右)線圈的搭鐵回路，使左(右)雙擲式開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，從而接通直流電動(dòng)機(jī)的電源，使直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生正向(反向)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)脫粒深淺自動(dòng)控制功能。

控制系統(tǒng)具備深淺調(diào)整幅度限制功能，當(dāng)深淺調(diào)整的幅度超過設(shè)計(jì)值，深側(cè)(淺側(cè))的水平控制限位開關(guān)將被頂開，切斷脫粒深淺繼電器左(右)線圈的搭鐵回路，使左(右)雙擲式開關(guān)觸點(diǎn)恢復(fù)原狀，使深淺控制電機(jī)停止工作，起到保護(hù)作用。

當(dāng)深淺手動(dòng)開關(guān)被撥向左(右)位置時(shí)，分別接通左(右)搭鐵回路，此時(shí)ECU 將發(fā)出停止自動(dòng)控制命令(屏蔽穗端側(cè)穗端傳感器、莖根側(cè)穗端傳感器、莖根傳感器、深淺自動(dòng)開關(guān)、脫粒開關(guān)的信號(hào))。取而代之的是手動(dòng)深淺控制，ECU 根據(jù)深淺手動(dòng)開關(guān)所處的位置(左或右)，進(jìn)行運(yùn)算并發(fā)出控制指令，接通脫粒深淺繼電器中左(右)線圈的搭鐵回路，使左(右)雙擲式開關(guān)常開觸點(diǎn)閉合，從而接通直流電動(dòng)機(jī)的電源，使直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生正向(反向)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)脫粒深手動(dòng)控制功能。

4 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)程序流程圖如圖5 所示。當(dāng)檢測(cè)到深淺手動(dòng)開關(guān)處于接通狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入脫粒深淺手動(dòng)控制功能模式，由人工進(jìn)行脫粒深淺的控制。當(dāng)檢測(cè)到深淺手動(dòng)開關(guān)處于非接通狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)一步檢測(cè)深淺自動(dòng)開關(guān)和脫粒開關(guān)狀態(tài)，如果檢測(cè)到上述開關(guān)都處于接通狀態(tài)，系統(tǒng)將讀取穗端側(cè)穗端傳感器數(shù)值α，并判別是否α=1。如果α =1，系統(tǒng)將繼續(xù)讀取莖根側(cè)穗端傳感器數(shù)值β，并判別是否β =0，如果β =0，則接通繼電器深側(cè)(右側(cè))線圈，完成脫粒深控制;如果α≠1，系統(tǒng)將繼續(xù)讀取莖根側(cè)穗端傳感器數(shù)值β，并判別是否β=1，如果β=1，則接通繼電器淺側(cè)(左側(cè))線圈，完成脫粒淺控制。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 結(jié) 語

本文介紹的半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺控制系統(tǒng)，通過對(duì)控制電路和控制程序的設(shè)計(jì)開發(fā)，對(duì)脫粒深淺直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了可靠地控制，實(shí)現(xiàn)了半喂入式聯(lián)合收割機(jī)脫粒深淺手動(dòng)與自動(dòng)復(fù)合控制的目的。

［1］ 丁志剛.無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和開發(fā)進(jìn)展［J］.微電機(jī)(伺服技術(shù))，2000，33(1):29－30.

［2］ 吳海東.高速插秧機(jī)插植部水平智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 微特電機(jī)，2014，42(6):67－69.