苗中華 魏成雷

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

采棉機(jī)輸棉管道內(nèi)火花檢測(cè)系統(tǒng)的研制

苗中華 魏成雷

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

以大型采棉機(jī)火災(zāi)預(yù)警研發(fā)為背景，開發(fā)了一種多輸棉管道內(nèi)微弱火花快速無(wú)漏檢測(cè)的方法。采用一款進(jìn)口PIN光電二極管作為微弱火花感應(yīng)器，結(jié)合解碼芯片MC145027的特殊解碼原理，實(shí)現(xiàn)了硬件電路和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，并在4MZ-5大型采棉機(jī)上完成了安裝與測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、可維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有助于大型農(nóng)機(jī)裝備自動(dòng)化水平的提高。

采棉機(jī) 火花檢測(cè) 火災(zāi)預(yù)警 解碼芯片 位置識(shí)別 無(wú)漏檢測(cè) 智能化 自動(dòng)化 光電二極管

0 引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，采棉機(jī)作為一種大型棉花收割裝備，已在我國(guó)多地被推廣使用。近年來(lái)，采棉機(jī)在收割過程中發(fā)生火災(zāi)事故的次數(shù)逐年上升，由此導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失不可估量。因此，開發(fā)一套能夠應(yīng)用于采棉機(jī)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)已成為采棉機(jī)智能化裝備研究領(lǐng)域急需解決的問題之一。

本文在查閱文獻(xiàn)資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上[1-3]，將光電檢測(cè)技術(shù)和嵌入式微控制器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套具有檢測(cè)效率高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)的預(yù)警系統(tǒng)。該預(yù)警系統(tǒng)已在4MZ-5大型采棉機(jī)上完成了安裝和調(diào)試，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試使用，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)方案的可行性也得到了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用三線主從式結(jié)構(gòu)[4]，即整個(gè)微弱火花檢測(cè)系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：監(jiān)視器和探頭裝置。監(jiān)視器和所有探頭之間采用三線制連接，各探頭之間可選擇并聯(lián)、串聯(lián)兩種連接方式。

整個(gè)系統(tǒng)工作原理為：主機(jī)(1號(hào)監(jiān)視器)首先發(fā)出1號(hào)探頭的地址編碼序列，所有探頭對(duì)接收到的編碼序列進(jìn)行解碼匹配。如果1號(hào)探頭匹配成功(其他探頭匹配失敗)，則1號(hào)探頭回送主機(jī)一個(gè)信號(hào)編碼序列，該序列包括主機(jī)地址編碼序列以及有無(wú)火花信號(hào)的數(shù)據(jù)信息；如果1號(hào)探頭匹配不成功(假定某種情形下)，等待主機(jī)第二次發(fā)送1號(hào)探頭的地址編碼序列，直至匹配成功(若發(fā)送次數(shù)超過設(shè)定值，仍然無(wú)法匹配成功，則該探頭進(jìn)入故障1處理模式)。接著，主機(jī)發(fā)送2號(hào)探頭序列，依次類推，直至遍歷完所有探頭(若所有探頭檢測(cè)均進(jìn)入故障1處理模式，則系統(tǒng)進(jìn)入故障處理2模式)，再開啟下一輪檢測(cè)。故障處理1和故障處理2兩種模式的設(shè)計(jì)，能夠方便客戶及時(shí)維修或更換發(fā)生故障的監(jiān)視器和探頭，提高系統(tǒng)的安全性。

2 檢測(cè)原理

近年來(lái)，光電檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。其以遠(yuǎn)距離、非接觸、快速性、高靈敏度的檢測(cè)和傳輸特點(diǎn)，受到越來(lái)越多研發(fā)者的關(guān)注。本設(shè)計(jì)采用國(guó)外進(jìn)口的一款PIN光二極管作為微弱火花感應(yīng)器[5]，且經(jīng)過廠家特殊的工藝處理，對(duì)火花發(fā)出的特定光波段范圍具有很高的靈敏度。該火花感應(yīng)器是一種電流型傳感器，光強(qiáng)越強(qiáng)，產(chǎn)生的光電流越大；在黑暗條件下，暗電流非常小，一般只有幾微安[6]。

該感應(yīng)器具有一般光電二極管的共性，可在光伏模式和光導(dǎo)模式下工作[7]。光伏模式是在零偏壓下工作，電流和光強(qiáng)滿足線性關(guān)系；光導(dǎo)模式是在反偏壓下工作，其優(yōu)點(diǎn)是切換速度比較高，但是缺點(diǎn)也很明顯，光強(qiáng)度和光電流不滿足線性關(guān)系。而本次設(shè)計(jì)需要較高精度，故選擇在光伏模式下工作。該感應(yīng)器采集到的信號(hào)非常微弱，而且夾雜外界的大部分噪聲。系統(tǒng)采用三級(jí)信號(hào)處理電路，依次通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路，最終輸出幅度合適、并已濾除噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。

在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，經(jīng)過實(shí)際電路測(cè)試發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)器的暗電流值仍較大，即在正常條件下實(shí)際輸出電壓值仍較大，達(dá)到0.4 V左右，這在一定程度上縮短了探測(cè)距離。為此，設(shè)計(jì)了雙通道檢測(cè)電路[8]和差分放大電路。經(jīng)波形整形以及電平轉(zhuǎn)換電路，在有火花的時(shí)候，最終輸出一個(gè)高電平信號(hào)。另外，本方案設(shè)計(jì)的雙通道檢測(cè)電路，大大增加了探測(cè)距離，降低了傳感器本身的誤差。

3 研究重點(diǎn)

3.1 位置識(shí)別

MC145027通常用作解碼器[9]，具有4位數(shù)據(jù)輸出和5位地址編碼，根據(jù)其地址的不同組合，可以產(chǎn)生243種不同的地址編碼。通過芯片引腳的配置，便可為每個(gè)輸棉管道設(shè)定一個(gè)唯一的位置編碼。系統(tǒng)采用了五位一體的撥碼開關(guān)，便于用戶根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)定探頭位置編號(hào)，提高了系統(tǒng)的靈活性。探頭編碼電路如圖1所示。

Fig.1 Probe encoding circuit

位置編碼分為主機(jī)編碼和探頭編碼，主機(jī)編碼設(shè)定為固定值“00000”，各探頭編碼由撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)定。本設(shè)計(jì)用到6個(gè)探頭，探頭地址編碼對(duì)應(yīng)表如表1所示。

表1 探頭地址編碼對(duì)應(yīng)表Tab.1 Correspondence of probe address encoding

3.2 信息加載

通過以上分析可知，MC145027解碼芯片數(shù)據(jù)流中既包含了各探頭的地址編碼序列(A1～A5)，又包含了數(shù)據(jù)信息序列(D6～D9)，可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要進(jìn)行數(shù)據(jù)位寬度、數(shù)據(jù)位的選擇。

本設(shè)計(jì)只需要一位數(shù)據(jù)位即可：“0”表示沒有火花存在；“1”表示有火花的存在。本設(shè)計(jì)選取D6位作為數(shù)據(jù)位，例如當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)流序列為“XXXXX0XXX”時(shí)，表示某一個(gè)探頭未檢測(cè)到火花；反之，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)流序列為“XXXXX1XXX”時(shí)，表示某一個(gè)探頭檢測(cè)到火花(其中，“X”代表不確定值0或1)。

3.3 無(wú)漏檢測(cè)

采棉機(jī)輸棉管道模型的建立和分析是系統(tǒng)研制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，每個(gè)采棉機(jī)輸棉管道的橫截面均為一個(gè)邊長(zhǎng)為22.5cm的正方形。探頭安裝位置選擇4個(gè)側(cè)壁中的某一個(gè)，管道簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

圖2 管道簡(jiǎn)化圖

Fig.2 Simplified diagram of the pipeline

由于受所選擇的火花探測(cè)傳感器本身的設(shè)計(jì)影響，其感光面和外殼的存在影響了傳感器的額探測(cè)視角范圍。

當(dāng)探測(cè)視角擴(kuò)展到60°時(shí)，探測(cè)靈敏度接近數(shù)值0。結(jié)合輸棉管道的結(jié)構(gòu)可知，在管道內(nèi)部存在如圖2所示的兩處盲區(qū)。如果不對(duì)這一情況進(jìn)行處理，當(dāng)有火星的棉花經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，探頭是檢測(cè)不到的，無(wú)遺漏檢測(cè)也就更無(wú)從談起。此外，本情況下的探測(cè)距離經(jīng)實(shí)際測(cè)試，最大也只有21 cm左右，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。在風(fēng)速35 m/s、火花直徑0.3 cm的條件下，探測(cè)距離與檢測(cè)率試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 探測(cè)距離-檢測(cè)率試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of experimental results of detection range - detection rate

綜合考慮以上幾個(gè)問題，本設(shè)計(jì)選擇了對(duì)射式安裝工藝，如圖3所示。

圖3 安裝示意圖

Fig.3 Schematic diagram of the opposite-type installation

該設(shè)計(jì)有兩方面優(yōu)勢(shì)。一方面，解決了兩個(gè)盲區(qū)存在的問題，其實(shí)際上是將輸棉管道空間劃分為上下(或左右)兩個(gè)空間，分別對(duì)兩個(gè)空間進(jìn)行分時(shí)檢測(cè)。另一方面，延伸了探測(cè)距離，極大地提高了靈敏度，探距-風(fēng)速-火花直徑-檢測(cè)率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的可靠運(yùn)行還需要相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)不僅能保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，而且能夠彌補(bǔ)硬件上的不足。由于本設(shè)計(jì)采用輪詢機(jī)制，主機(jī)只能在同一時(shí)刻對(duì)某一個(gè)探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在這段時(shí)間內(nèi)，如果其他某一通道有火花存在，則可能造成對(duì)數(shù)據(jù)信息的漏測(cè)，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說，這是致命的，故需要在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

表3 探距-風(fēng)速-火花直徑-檢測(cè)率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Experimental statistics of exploration distance-wind velocity-spark diameter-detection rate

軟件設(shè)計(jì)包括主機(jī)軟件設(shè)計(jì)以及從機(jī)(探頭)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分[10]。相對(duì)而言，探頭的軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集、向主機(jī)發(fā)回送數(shù)據(jù)編碼序列兩個(gè)功能。而主機(jī)要完成對(duì)所有探頭的循環(huán)掃描、數(shù)碼管顯示、報(bào)警處理等功能。主機(jī)工作流程如圖4所示，從機(jī)(探頭)工作流程如圖5所示。

圖4 主機(jī)軟件流程圖

Fig.4 Flowchart of mainframe software

圖5 從機(jī)軟件流程圖

Fig.5 Flowchart of the slave software

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以采棉機(jī)輸棉管道內(nèi)微弱火花檢測(cè)為背景，提出了一套火災(zāi)預(yù)警裝置設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過大量查閱資料，針對(duì)棉花火星發(fā)出的特定波段范圍光線，選取了一款國(guó)外進(jìn)口的PIN光電二極管作為探測(cè)器。綜合考慮各方面因素，設(shè)計(jì)了符合要求的硬件電路，并完成了電

路仿真、軟件設(shè)計(jì)、制版加工?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試表明，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

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Research and Development of the Spark Detection inside Cotton Transmission Pipeline of Cotton Picker

With R&D of fire early warning for large cotton picker as the background,a fast speed no-leakage detection method for weak spark inside multiple cotton transmission pipelines is proposed.A kind of imported PIN photodiodes are used as weak spark sensors,and the hardware circuit and software design are completed by combining with the special decoding principle of the decoding chip MC145027,and the test is conducted on 4MZ-5 large cotton picker.The experiments show that this system has the advantages of high detecting sensitivity,fast response speed and strong maintainability,it is useful for improving the automation level of the large farm machinery.

Cotton picker Spark detection Fire warning Decoding chip Location identification No leakage detection Intelligent Automation Photodiode

苗中華(1977—)，男，畢業(yè)于上海交通大學(xué)電子工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授；主要從事機(jī)電裝備智能控制理論及技術(shù)的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612013

修改稿收到日期：2016-06-13。