劉 超，尹建軍，陳樹人，肖 君，湯明明

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

在我國秸稈及牧草資源十分豐富，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量超7億t，2014年我國草原總面積為392 832.7khm2，累計(jì)種草保留面積為23 083.6khm2 [1]。由于人工收儲(chǔ)秸稈和牧草需要耗費(fèi)大量的人力物力，打捆機(jī)在秸稈及牧草的收獲、運(yùn)輸及存儲(chǔ)過程中起到極為重要的作用。打捆機(jī)按照草捆外形分為方捆打捆機(jī)和圓捆打捆機(jī)，圓捆打捆機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格較低、配套動(dòng)力較小等原因，在國內(nèi)外秸稈及牧草收獲運(yùn)輸存儲(chǔ)過程中得到廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)對(duì)于打捆機(jī)的研究正在向智能化和自動(dòng)化方向快速發(fā)展[2]。

草捆質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)于圓捆機(jī)草捆密度系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)測，以及牧草及秸稈的產(chǎn)量分布研究具有十分重要意義。對(duì)于體積一定的草捆監(jiān)測其質(zhì)量即可換算為草捆密度，得到田間草捆質(zhì)量的變化情況、草捆平均質(zhì)量、田間總作物質(zhì)量和產(chǎn)量、草捆密度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及繪制產(chǎn)量圖顯示整個(gè)作業(yè)區(qū)域的作物分布。

實(shí)際應(yīng)用中，草捆稱重多采用傳統(tǒng)稱重方式：在草捆落地后利用叉車和磅秤進(jìn)行稱重，需要多臺(tái)設(shè)備及人工操作配合[3]。

本文基于STM32設(shè)計(jì)了WDB800圓捆機(jī)草捆稱重系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圓捆機(jī)草捆的隨車動(dòng)態(tài)稱重，并就試驗(yàn)臺(tái)最佳安裝方案設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)選試驗(yàn)方案。同時(shí)，根據(jù)方案優(yōu)選試驗(yàn)所得草捆稱重系統(tǒng)有效信號(hào)曲線的平穩(wěn)性來確定試驗(yàn)臺(tái)最終安裝方案。

1 草捆稱重系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 草捆稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

草捆稱重系統(tǒng)主要包括固定架、質(zhì)量采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、存儲(chǔ)模塊、串口通信模塊、處理器、電源模塊和LCD顯示屏，如圖1所示。質(zhì)量采集模塊包括稱重傳感器和角度傳感器。稱重傳感器安裝稱重試驗(yàn)臺(tái)固定架上，角度傳感器安裝在圓捆打捆機(jī)尾軸上。

圖1 草捆稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)角度傳感器監(jiān)測到尾軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于10°時(shí)，處理器開始采集數(shù)據(jù)，稱重傳感器采集草捆重力垂直于秤臺(tái)面的分力，累計(jì)采集數(shù)據(jù)量大于1 000時(shí)停止采集數(shù)據(jù)。傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊放大轉(zhuǎn)換后，由處理器計(jì)算處理后得出的草捆的質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果送入存儲(chǔ)模塊并通過LCD顯示屏顯示。

1.2 硬件部分設(shè)計(jì)

1.2.1 傳感器的選型

由于在稱量過程中，草捆沿稱重試驗(yàn)臺(tái)滾動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)與草捆之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此草捆的稱量過程為動(dòng)態(tài)稱重。選擇懸臂梁式稱重傳感器，具有精度高、防塵好、易于安裝和拆卸等特點(diǎn)，常用于各種電子汽車衡、料斗秤等動(dòng)態(tài)稱重監(jiān)測中[4-7]。角度傳感器選擇旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測稱重試驗(yàn)臺(tái)與水平面的夾角。

1.2.2 處理器的選型

圓捆機(jī)草捆動(dòng)態(tài)稱重裝置選擇基于ARM系列Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6處理器為核心處理器。STM32F103ZET6處理器是一款資源非常豐富的32位微處理器，擁有64kB SRAM、512kB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器(共12個(gè)通道)、5個(gè)串口、1個(gè)USB、3個(gè)12位ADC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC接口，以及112個(gè)通用IO口等資源，功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉[8]。

1.2.3 電源模塊

草捆稱重裝置電源通過并聯(lián)兩臺(tái)容量為10AH、12VDC輸出的便攜式鋰電池為傳感器及信號(hào)變送器供24VDC工作電壓，同時(shí)預(yù)留出一個(gè)12VDC的電源接口為STM32處理器供電。將電源固定在圓捆機(jī)一側(cè)機(jī)架上，可以在田間作業(yè)過程中為處理器和傳感器長時(shí)間提供穩(wěn)定電源。

1.2.4 傳感器安裝位置

由于圓捆機(jī)草捆成型機(jī)理，其成型室四周均由鋼輥組成，傳感器不能安裝在成型室內(nèi)，故將圓捆機(jī)草捆稱重系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)安裝在圓捆機(jī)后倉倉口。利用草捆從成型室內(nèi)滾出時(shí)落在后倉倉口的溜草架上，其壓力使溜草架尾部與地面接觸形成便于草捆滾落的斜坡這一特征(見圖2)，用集成稱重裝置的稱重試驗(yàn)臺(tái)替代溜草架，實(shí)現(xiàn)草捆的隨車動(dòng)態(tài)稱重。

圖2 溜草架斜置狀態(tài)

1.2.5 試驗(yàn)臺(tái)固定架設(shè)計(jì)

稱重試驗(yàn)臺(tái)需與圓捆機(jī)尾軸焊接，因此試驗(yàn)臺(tái)與尾軸焊接后則不易再改動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)選試驗(yàn)時(shí)固定架的長度需要調(diào)整，提出將該試驗(yàn)臺(tái)固定架分為上下兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.固定架上半部分 2.固定架下半部分 3.兩側(cè)固定孔 4.兩側(cè)固定配合槽 5.試驗(yàn)臺(tái)長度及稱重裝置安裝位置調(diào)節(jié)孔 6.調(diào)節(jié)孔配合槽

固定架實(shí)物圖如圖4所示。其可以根據(jù)固定架的長度要求和傳感器不同安裝位置要求，在固定架相應(yīng)位置鉆直徑為φ12的安裝調(diào)節(jié)孔，并在固定架兩側(cè)開出對(duì)應(yīng)的配合槽以配合安裝調(diào)節(jié)孔調(diào)整固定架的長度。

圖4 固定架實(shí)物

1.3 軟件部分設(shè)計(jì)

草捆稱重系統(tǒng)軟件程序是在keil uVision5環(huán)境下編寫的，主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)初始化并調(diào)用各個(gè)子程序[9-10]，若尾軸旋轉(zhuǎn)角度大于10°則處理器接收傳感器信號(hào)進(jìn)行稱重，顯示草捆質(zhì)量并存儲(chǔ)。

子程序包括稱重?cái)?shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)、LCD顯示程序設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)，流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

(a) 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 (b) 存儲(chǔ)程序流程圖

(c) 顯示程序流程圖

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)臺(tái)方案優(yōu)選試驗(yàn)

草捆動(dòng)態(tài)稱重過程與常規(guī)稱重裝置不同，并不處于水平靜止?fàn)顟B(tài)而是與水平面存在一定角度，即斜置穩(wěn)定位置狀態(tài)。試驗(yàn)臺(tái)的長度會(huì)影響稱量時(shí)的角度，長度越長則固定架尾端與地面接觸時(shí)試驗(yàn)臺(tái)與水平面的傾角越小，傳感器檢測的壓力越接近草捆的質(zhì)量；同時(shí)，傾角越小則草捆滾動(dòng)過程中的速度亦較慢，草捆滾動(dòng)時(shí)對(duì)稱重傳感器的沖擊力隨之變小。稱重裝置即秤臺(tái)的寬度不同會(huì)影響到有效數(shù)據(jù)采集的時(shí)間以及數(shù)據(jù)采集量；秤臺(tái)的安裝位置不同草捆落至試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)對(duì)稱重裝置的沖擊力和草捆從臺(tái)面滾過的速度的亦有較大變化。

為確定草捆稱重試驗(yàn)臺(tái)最佳方案，根據(jù)上述影響因素分析將固定架的長度L、秤臺(tái)寬度B及秤臺(tái)末端距固定架尾端距離D作為試驗(yàn)臺(tái)方案優(yōu)選試驗(yàn)的主要影響因素，由于這3個(gè)因素之間并不獨(dú)立，故采用全面試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

田間作業(yè)時(shí)地面起伏不定，因此固定架長度不宜過長，否則圓捆機(jī)田間行駛時(shí)固定架會(huì)產(chǎn)生較為劇烈的振動(dòng)從而影響傳感器的精度和使用壽命；同時(shí)，草捆不宜直接落在秤臺(tái)上，草捆質(zhì)量較大落下時(shí)和秤臺(tái)接觸會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，影響測量精度。綜上所述，取固定架長度L為1、1.2、1.4m，秤臺(tái)寬度B分別為0.4、0.6、0.8m，秤臺(tái)末端距固定架尾端距離D為0.1、0.3、0.5、0.7m。試驗(yàn)安排如表1所示。

將試驗(yàn)臺(tái)安裝試驗(yàn)方案安裝固定后，分別使用實(shí)際質(zhì)量為40.3kg網(wǎng)卷代替草捆從試驗(yàn)臺(tái)上滾落(見圖8)，稱重傳感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

表1 草捆稱重系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)選試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

由圖7中可以看出：網(wǎng)卷落在試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)稱重傳感器檢測到相對(duì)網(wǎng)卷質(zhì)量較為微小的信號(hào)波動(dòng)，網(wǎng)卷自秤臺(tái)上滾動(dòng)時(shí)稱重系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生非常明顯的爬升和驟降段，此段信號(hào)即為稱重系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)段。草捆從試驗(yàn)臺(tái)上滾下后，試驗(yàn)臺(tái)受到圓捆機(jī)彈簧的彈力回至初始位置，傳感器輸出逐漸衰減的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)比18組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出L=1.2m、B=0.6m、D=0.1m時(shí)稱重傳感器有效數(shù)據(jù)段最為平穩(wěn)，因此選擇該組試驗(yàn)方案作為草捆稱重試驗(yàn)臺(tái)的最佳方案，最終實(shí)物圖如圖9所示。

(a) L=1m,B=0.4m,D=0.1m;

(b) L=1.2m,B=0.4m,D=0.1m;

(e) L=1.4m,B=0.4m,D=0.7m;

(f)L=1.4m,B=0.6m,D=0.5m;

L=1.4m,B=0.8m,D=0.1m;L=1.4m,B=0.8m,D=0.3m

圖7 優(yōu)選試驗(yàn)中稱重系統(tǒng)信號(hào)

Fig.7 The signals of weighing system during optimizing test

圖8 試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)選試驗(yàn)

圖9 稱重系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

Fig.9 The testbed of weighing system

2.2 草捆稱重試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)草捆稱重系統(tǒng)的監(jiān)測精度，將水稻秸稈平鋪在平地上進(jìn)行現(xiàn)場測量試驗(yàn)。拖拉機(jī)牽引圓捆機(jī)沿平鋪秸稈撿拾打捆，草捆成型后稱重系統(tǒng)確定草捆質(zhì)量(見圖10)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，草捆稱重系統(tǒng)的最大監(jiān)測誤差為小于3%。

圖10 現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)次數(shù)草捆實(shí)際重量M/kg監(jiān)測值M1/kg誤差/%1125.3123.1826-1.6898643262158.7157.8332-0.5461877763223.5227.97832.0037136474250.2245.7336-1.7851318945283.2280.1366-1.081709046325.7328.16230.7560024567358.6360.12350.4248466268372.1371.2569-0.2265788779401.3396.5635-1.18028906110420.8413.5642-1.719534221

3 結(jié)論

基于STM32處理器將稱重裝置與圓捆機(jī)溜草架集成,確定了草捆稱重系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝位置，完成了WDB800圓捆機(jī)草捆稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了草捆的隨車動(dòng)態(tài)稱重。同時(shí)，通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)影響因素分析和系統(tǒng)試驗(yàn)，確定了試驗(yàn)臺(tái)安裝方案，即選擇固定架長度為1.2m、秤臺(tái)寬度為0.6m、秤臺(tái)末端距離固定架尾端0.1m的安裝位置為試驗(yàn)臺(tái)安裝方案，能有效對(duì)圓捆機(jī)草捆質(zhì)量實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測誤差小于3%。

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