張　韻，鮑向東，劉錫勇，許　敏

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州　550007)

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丘陵山地小型稻麥聯(lián)合收割機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研制

張韻，鮑向東，劉錫勇，許敏

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州550007)

摘要：轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是機械設備運轉(zhuǎn)的主控單元，也是稻麥聯(lián)合收割機的核心構成部分，設計智能型轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是增強設備性能的關鍵。為此，以單片機AT89C51作為控制器，對機械轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進行了設計，研發(fā)了一種新型轉(zhuǎn)速控制模塊，旨在實現(xiàn)稻麥聯(lián)合收割機自動化控制。

關鍵詞：稻麥聯(lián)合收割機；轉(zhuǎn)速控制；PLC；丘陵山地

0引言

我國丘陵山地環(huán)境特殊，地質(zhì)環(huán)境分布不均衡，影響了農(nóng)業(yè)機械設備的正常運行。小型稻麥聯(lián)合收割機是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化的主要設備之一，對其結(jié)構進行優(yōu)化設計，不僅降低了農(nóng)田收割作業(yè)難度，而且全面提升了機械生產(chǎn)自動化水平。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是機械設備的核心，利用PLC對稻麥聯(lián)合收割機轉(zhuǎn)速進行控制，可以實現(xiàn)“節(jié)能、安全、高效”等一體化收割生產(chǎn)模式。

1單片機控制系統(tǒng)

基于PLC技術設計系轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機設備平臺的一體化建設，為各種機電設備建立了虛擬化空間平臺。鑒于PLC技術應用優(yōu)勢，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計要考慮機械結(jié)構與電器結(jié)構的分布要求，對轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)升級改造提供科學的技術方案。此外，創(chuàng)建轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)后期需注意維護與管理，及時檢查系統(tǒng)程序與功能是否處于正常狀態(tài)，及時采取有效措施進行改造處理。這些對于我國電機技術發(fā)展有著重要意義，可帶動其它工業(yè)技術的革新進步。

2AT89C51性能及片內(nèi)閃爍存儲器

此次研究經(jīng)過多方考察及性能實驗，最終決定選擇AT89C51單片機與稻麥聯(lián)合收割機組建系統(tǒng)，是由于AT89C51單片機自身具備的功能滿足直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的需要。

2.1　AT89C51的主要性能

AT89C51單片機作為一種全新的可編程控制器產(chǎn)品，在使用過程中能發(fā)揮出多個方面的作用，可對直流電機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實現(xiàn)嚴格的操作控制，促進整體工作運行效率的提升。此控制系統(tǒng)包括控制器、放大器、被控制對象電動機及測量元件，如圖1所示。控制器由AT89C51單片機及其接口電路實現(xiàn)，單片機的輸出信號是數(shù)字信號，要想能夠驅(qū)動電動機必須要用D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，測量元件采用霍爾開關式傳感器。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構原理圖

對稻麥聯(lián)合收割機電機進行調(diào)速，要對電動機電樞回路電壓進行調(diào)速，改變施加于電機兩端的電壓大小，使電機以某一速度恒速旋轉(zhuǎn)。此次轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計選擇的是簡單的比例調(diào)節(jié)器算法，能夠?qū)λO計系統(tǒng)進行調(diào)整控制，及時收集信息數(shù)據(jù)，以對相關系統(tǒng)結(jié)構加以修改調(diào)整。

2.2　片內(nèi)閃爍存儲器

片內(nèi)閃爍存儲器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化控制，為稻麥聯(lián)合收割機操控提供了多功能平臺，滿足了收割機械設備的自動化控制要求。隨著制造技術快速發(fā)展，E2PROM功能結(jié)構也在不斷調(diào)整，多種產(chǎn)品可形成相對穩(wěn)固的控制模式，如表1所示。

目前，美國ATMEL公司生產(chǎn)的帶有片內(nèi)閃爍存儲器的AT89C51/89C52/89C55單片機，由于價格便宜，且與MCS-51系列兼容，受到了我國廣大工程技術人員的歡迎。使用該系列單片機，省去了外擴存儲器的工作，只需了解片內(nèi)閃爍存儲器的特性及如何對其編程即可。

表1　幾種典型E2PROM芯片的主性能

2.3　D/A轉(zhuǎn)換器及其與AT89C51單片機的連接

轉(zhuǎn)換器的功能是為了將稻麥聯(lián)合收割機不同的數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換，把某一類形式的信號轉(zhuǎn)變成其它類型的數(shù)據(jù)進行使用，轉(zhuǎn)換器實際上就是信號轉(zhuǎn)換裝置。對于直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設計，需要在自動化儀表設備和自動控制系統(tǒng)中把一種信號轉(zhuǎn)換成另一種與標準量或參考量比較后的信號，以便對各種信息數(shù)據(jù)的控制。此控制系統(tǒng)用于驅(qū)動直流電機的模擬信號，選用DAC0832轉(zhuǎn)換器來完成。

3系統(tǒng)的軟件設計

PLC技術是計算機操作系統(tǒng)實用性技術之一，借助PLC平臺可實現(xiàn)多種信息處理要求，滿足了收割機網(wǎng)絡化操作平臺使用標準?；赑LC技術設計轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，可為稻麥聯(lián)合收割機操作收割機建立廣泛的交流平臺，進而加快了轉(zhuǎn)速控制調(diào)配要求。例如，建立子系統(tǒng)模塊編成子程序，以便主程序調(diào)用。本控制系統(tǒng)模塊子程序包括鍵值讀入子程序、顯示子程序、T0中斷控制子程序及外部中斷0子程序。

3.1　系統(tǒng)主程序流程圖

控制系統(tǒng)主程序主要完成一些初始狀態(tài)的設置、等待按鍵的輸入、調(diào)用鍵值讀入子程序、調(diào)用顯示子程序及向ADC0832輸出數(shù)據(jù)等，用于驅(qū)動直流電機，完成直流電機控制系統(tǒng)的整個功能。主程序流程如圖2所示。

3.2　讀鍵值子程序流程圖

讀鍵值子程序可以根據(jù)收割機運轉(zhuǎn)方向進行控制，實現(xiàn)了收割機數(shù)字化控制要求，滿足整體機械設備的操控要求，工作過程如圖3所示。

1)在鍵盤掃描子程序中，首先判斷鍵盤上有無鍵按下。其方法為：P1.4～P1.7輸出全為0，讀P1.0～P1.3的狀態(tài)。若P1.0～P1.3為全1，則說明鍵盤無鍵按下；若不全為1，則說明鍵盤可能有按下。

2)借助數(shù)字軟件持續(xù)運行10s；消除按鍵抖動情況，確實有鍵按下時，進行下一步。

3)求按下鍵的鍵號。用掃描法，逐列置0掃描，讀入行線的狀態(tài)，確定行值，再確定列值，從而確定鍵碼。

4)保存鍵碼。

3.3　顯示子程序流程圖

本次稻麥聯(lián)合收割機控制系統(tǒng)顯示部分采用4位LED顯示器，前兩位用于顯示設定的電機轉(zhuǎn)速值，后兩位用于顯示測得的電機轉(zhuǎn)速值。LED顯示器有兩種顯示方式，包括表態(tài)靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示。一是靜態(tài)顯示，一般片內(nèi)I/O口不足供應，需要在片外擴充；適用于需要較少位數(shù)的場合；二是動態(tài)顯示；輸出口線少，占用的資源少。本控制系統(tǒng)采用動態(tài)顯示方式，其程序流程如圖4所示。

圖2　系統(tǒng)主程序流程圖

圖3　鍵值讀入子程序流程圖

圖4　顯示子程序流程圖

3.4　T0中斷控制子程序流程圖

T0用于定時器，用于定時采集電機的轉(zhuǎn)速信號，并根據(jù)采集信號與給定信號進行比較，從而確定CPU向ADC0832輸出的信號值大小，以便于CPU實時輸出控制信號，控制電機的轉(zhuǎn)速。T0工作于方式1，其子程序流程如圖5所示。

圖5　T0中斷定時控制子程序流程圖

3.5　外部中斷0中斷子程序流程圖

外部中斷0(即P3.2引腳)接霍爾開關傳感器的輸出引腳，用于把器傳感采集的脈沖信號輸入到單片機中的接口。所以，外部中斷0子程序的功能就是把相關的計數(shù)脈沖緩沖器加1，如圖6所示。

圖6　外部中斷0服務子程序程序流程圖

4稻麥聯(lián)合機轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)方法

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為稻麥聯(lián)合收割機提供多樣式控制平臺，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操控提供不同的功能。隨著互聯(lián)網(wǎng)普及化發(fā)展，轉(zhuǎn)速控制功能受到了廣泛認可，設計符合收割機需求的轉(zhuǎn)速控制平臺是不可缺少的。PLC技術憑借其獨特的功能優(yōu)勢，為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設計提供諸多便捷，可從系統(tǒng)結(jié)構與操控平臺等雙方面建立數(shù)據(jù)庫體系。例如，PLC單片機運用于直流電機控制后，按照稻麥聯(lián)合收割機控制要求進行調(diào)整，構建了適合PLC操控的運行模式，如圖7所示。

圖7　直流電動機模型

4.1　直流電機的結(jié)構

直流電機自動化是人機交流的主要工具，PLC智能系統(tǒng)必須配備專用語言系統(tǒng)，根據(jù)人工語音輸出提供語言信號轉(zhuǎn)換模式，快速地掌握微型微機服務器功能定位型號，向稻麥聯(lián)合收割機傳送有效的語言指令。例如，智能數(shù)據(jù)庫可利用語音識別技術對稻麥聯(lián)合收割機身份進行驗證，及時掃描識別不同稻麥聯(lián)合收割機的身份。圖8、圖9分別為直流電機的結(jié)構示意圖和剖面圖。其收割機內(nèi)部的定子、轉(zhuǎn)子等結(jié)構部分均實現(xiàn)了電機系統(tǒng)的多功能控制。

圖8　直流電機結(jié)構示意圖

圖9　直流電機的結(jié)構剖面圖

4.2　稻麥聯(lián)合收割機的調(diào)速特性

4.2.1改變串借電阻

基于PLC數(shù)據(jù)庫設計調(diào)度平臺，對稻麥聯(lián)合收割機結(jié)構操控、機械運轉(zhuǎn)及數(shù)字調(diào)配等實施一體化控制，實現(xiàn)了收割機生產(chǎn)與管理調(diào)度的統(tǒng)籌化。電阻在直流轉(zhuǎn)速控制中具有重要作用，借助電阻平臺實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速自動化調(diào)節(jié)，滿足了不同級別電流供輸操作要求。丘陵山地小型稻麥聯(lián)合收割機控制中，利用電阻調(diào)節(jié)可降低線路耗損率，為稻麥收割操作提供更具穩(wěn)定性的操控平臺。例如，在PLC控制下，鏈耙輸送器工作可靠，輸送能力較強，只要谷物被耙桿抓取，就能被強制輸送，如圖10所示。

1.輸送槽　2.輸送鏈輪　3.被動一軸

4.2.2供電電壓

現(xiàn)階段，丘陵山地推廣稻麥聯(lián)合收割機具有可行性，農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)建立穩(wěn)定的平臺，加快了機電系統(tǒng)操控的技術性要求?；赑LC設計轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，主要是對供電電源結(jié)構進行調(diào)整，通過改變電壓高低形式實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的自動化調(diào)控。本設計方案里，通過電壓調(diào)試方式形成穩(wěn)定的供輸模式，改變了電壓不均衡狀態(tài)造成的不利影響。例如，“三角履帶行走裝置”操控平臺為稻麥聯(lián)合收割機建立了多樣式平臺，如圖11所示。其中，橡膠三角履帶首次應用在“微型聯(lián)合收割機”上，既可在旱田又可在水田和爛泥田收割作業(yè)；驅(qū)動輪、承重輪和張緊輪采用高強度尼龍一次成型。

1.特制橡膠履帶　2.驅(qū)動輪　3.行走裝置支架

4.2.3改變電機速度

PLC技術是行業(yè)發(fā)展的“風向標”，憑借數(shù)據(jù)庫強大的數(shù)據(jù)處理功能，稻麥聯(lián)合收割機操控與管理模式實現(xiàn)了優(yōu)化升級。我國丘陵山區(qū)地質(zhì)環(huán)境特殊，稻麥聯(lián)合收割機運行面臨諸多難度，基于PLC技術促使生產(chǎn)模式升級，利用先進技術輔助自動化生產(chǎn)流程，幫助收割機解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)流程的不足，可實現(xiàn)產(chǎn)品價值的最大化，成為一個行業(yè)創(chuàng)新改革的根本舉措。在稻麥聯(lián)合收割機“分離、清選、輸糧、排渣”等結(jié)構一體化設計中，集分離、清選、輸糧、排渣部分設計為一體，使結(jié)構小巧、緊湊；采用機械和氣流雙重排草，保證排草順暢，提高了機器可靠性，如圖12所示。

4.2.4改變磁通狀態(tài)

稻麥聯(lián)合收割機電機控制系統(tǒng)中，利用改變磁通方式體現(xiàn)出轉(zhuǎn)速控制的優(yōu)勢，幫助操控者實現(xiàn)自主化調(diào)控。

1.出糧口　2.接插板　3.接插槽　4.隔離板

5結(jié)論

山地丘陵地質(zhì)環(huán)境特殊，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)難度，對稻麥聯(lián)合收割機進行設計改造，提升電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有可行性與實踐性意義。AT89C51是機械自動化常用控制器，將其設定于稻麥聯(lián)合收割機可提升設備作業(yè)效率，通過改變電阻、電壓、速度等方式，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速控制智能化調(diào)節(jié)，進而滿足了聯(lián)合收割機多功能運行需求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0107-EA

Development of the Speed Control System of Small

Rice and Wheat Combine Harvester Zhang Yun, Bao Xiangdong, Liu Xiyong, Xu Min

(Guizhou Institute of Mountain Agricultural Machinery, Guizhou 550007, China)

Abstract：the speed control system is the main control unit of the mechanical equipment operation, but also the core component of the rice and wheat combine, design intelligent speed control system is the key to enhance the performance of the equipment. In this paper, the single chip microcomputer AT89C51 as the controller, the mechanical speed control system design, research and development of a new type of speed control module, so as to realize the rice and wheat combine automatic control.

Key words：rice and wheat combine; speed control; PLC; hill country

中圖分類號：S225.3；S126

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0107-05

作者簡介：張韻(1963-),女,江西玉山人，工程師，(E-mail)1054242499@qq.com。通訊作者：鮑向東(1963-)，男，上海人，研究員，(E-mail)2229577933@qq.com。

基金項目：貴州省科技廳項目(黔科合NY【2013】3058號)

收稿日期：2015-11-05