泰山智能制造產(chǎn)業(yè)研究院 吳乃剛

農(nóng)業(yè)廢棄物粉碎機(jī)的出現(xiàn)，使秸稈等農(nóng)廢物變廢為寶，粉碎后的產(chǎn)品經(jīng)過加壓、增密成型后形成“農(nóng)廢煤炭”。這項(xiàng)工作農(nóng)民在田間地頭就能操作，增加收入的同時(shí)還保護(hù)了環(huán)境，環(huán)保節(jié)能利國利民。

隨著農(nóng)業(yè)廢棄物粉碎機(jī)的大量使用，廢棄物的堵塞是最常見的影響效率的問題，一旦發(fā)生堵塞，輕則無法工作，重則燒壞電機(jī)損壞設(shè)備，為了解決這一問題，我們通過研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用了喂入反饋以及主軸轉(zhuǎn)速反饋相結(jié)合的方式，從根本上解決堵塞問題。

秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物通過運(yùn)料裝置進(jìn)入料倉后，分批進(jìn)入粉碎腔，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的動片與外壁相互作用，將物料揉碎，可以選擇經(jīng)過拋送風(fēng)葉將揉碎的物料拋送至指定位置或直接從下方的卸料口經(jīng)運(yùn)料小車運(yùn)走。

喂入量反饋裝置工作原理：當(dāng)喂入筒內(nèi)物料較少或叉車連續(xù)上料（14）超過設(shè)定的喂入量后，安裝在料斗下部（7）的稱重傳感器的電測片將感應(yīng)到的電量變化經(jīng)處理器隨時(shí)上傳智能化控制箱，經(jīng)運(yùn)算、判斷，及時(shí)發(fā)出缺料急需上料或喂入量超重減緩上料的警報(bào)。防止缺料降低產(chǎn)量空耗電能或因上料超重造成驅(qū)動機(jī)構(gòu)損壞。

其中稱重傳感器選用壓力傳感器，分別安裝在圖1中序號7、8 之間，稱重傳感器輸出0～5V 的電壓信號，數(shù)據(jù)傳輸至控制箱后，利用AT89C51 與ADC0809 組成的電壓采集系統(tǒng)進(jìn)行采集計(jì)算出平均重量，ADC0809擁有8 路模擬量輸入，并通過3 位地址輸入端進(jìn)行選擇，輸入數(shù)據(jù)傳輸至AT89C51，由其進(jìn)行計(jì)算，并按照提前設(shè)定的喂入值對電磁閥進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行，停止或主軸反轉(zhuǎn)等指令的控制運(yùn)行。AT89C51 與轉(zhuǎn)速傳感器控制系統(tǒng)形成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，我們利用PWM 輸出脈寬調(diào)制控制原理，控制系統(tǒng)通過控制變頻器逆變電路晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，使電動機(jī)正常運(yùn)行。

圖1 喂入反饋裝置

壓力傳感器目前市面上主要有應(yīng)變式、陶瓷壓力式、擴(kuò)散硅式和藍(lán)寶石式等。考慮到粉碎機(jī)工作環(huán)境，筆者選擇的是陶瓷壓力傳感器，因?yàn)樗耐獗谑悄軌蚩垢g的陶瓷，它的內(nèi)部也沒有液體的傳遞，而是壓力直接作用在陶瓷膜片（類似于壓力彈簧片）的上表面，使膜片產(chǎn)生隨重量變化的形變，而厚膜電阻則印刷在陶瓷膜片的背面，成為一個(gè)惠斯通電橋，通過壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)隨壓力變化而成正比的線性、同時(shí)與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號。如圖2 所示。

圖2 稱重傳感器內(nèi)部線路圖

ADCO8O9 將 0～5V 模擬信號轉(zhuǎn)換為 00～FF 數(shù)字信號并傳送給AT89C51 單片機(jī)，由AT89C51 單片機(jī)通過放大接收，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲及處理，完成對模擬量信號的采集。ADC0809 的時(shí)鐘輸入由單片機(jī)89C51 提供的地址鎖存控制輸入信號ALE 在經(jīng)D 觸發(fā)器的二分頻后充當(dāng)。當(dāng)CPU 訪問外存儲器時(shí)，ALE 的輸出就可以作為外部鎖存地址低字節(jié)的控制信號來使用；當(dāng)無訪問時(shí)，ALE 端以1/6 的時(shí)鐘振蕩頻率固定地輸出正脈沖。本實(shí)驗(yàn)中使用的時(shí)鐘頻率為6MHz。那么1/6 的輸出就是1MHz，然后再經(jīng)二分頻后為500kHz。二者接口電路如圖3 所示。

圖3 ADC0809 與80C51 的接口電路

為了保證防堵效果，筆者還采用了轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速傳感器使用的是霍爾傳感器，它基于霍爾效應(yīng)，就是當(dāng)置于磁場中的金屬片通過電流I 時(shí)，金屬片兩側(cè)會產(chǎn)生霍爾電壓U，該電壓的大小會隨著磁場輕度變化而變化，同時(shí)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器對環(huán)境要求比較低，最關(guān)鍵是低速可以使用，這一點(diǎn)在農(nóng)機(jī)上應(yīng)用起來比光電式和磁電式都方便。其傳感器如圖4 所示。

圖4 傳感器

霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)一直以簡單高效而被大家普遍使用，它是以單片機(jī)AT89C51 為數(shù)據(jù)處理核心，采用了定時(shí)器定時(shí)中斷的方法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的，通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到轉(zhuǎn)速，并可通過數(shù)據(jù)來控制電磁閥的通斷。

霍爾傳感器內(nèi)部電路圖如圖5 所示，分壓電阻是R1 電阻，將傳感器檢測到的磁場中的信息轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號時(shí)（AO），檢測到的模擬量信號就會接入由LM393 組成的比較器，在與LM393 比較器芯片所接的分壓電阻分壓后的模擬電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而得出DO數(shù)字信號（高低電平1 或0）。其中的C1、C2 為濾波電容，C1 電容的用處是對對電源進(jìn)行濾波，為了讓電源輸出更穩(wěn)定。C2 電容對模擬信號進(jìn)行濾波，從而保證模擬信號輸出的穩(wěn)定性。通過這兩處應(yīng)用，可以有效地減少測量時(shí)的誤差，R2、R3 均為串聯(lián)在LED 燈線上的限流電阻，來保護(hù)LED 燈，防止其燒壞，LED 燈均為低電平亮。R4 的作用是作為上拉電阻，它主要是把不確定的信號通過一個(gè)電阻鉗位在高電平，相當(dāng)于一個(gè)鉗子，把高出閾值（或設(shè)定值）的信號卡在那里，同時(shí)它還能起到限流作用。從而保證LM393 比較器輸出的高低電平信號在進(jìn)入單片機(jī)引腳連接時(shí)的讀取更加穩(wěn)定。

圖5 LM393 及引腳圖輸入輸出

這里需要說的是，LM393 是常用的電壓比較器，具有高增益、寬頻帶等特點(diǎn)。

圖6 霍爾傳感器模塊內(nèi)部電路圖

當(dāng)轉(zhuǎn)速突然下降時(shí)，中心處理程序會根據(jù)稱重傳感器和ADCO8O9 以及AT89C51 對物料的重量進(jìn)行判斷，決定是否停止物料的輸送，并會通過中心控制向電磁閥下達(dá)指令，主軸停止旋轉(zhuǎn)，并點(diǎn)亮報(bào)警器，此時(shí)可以選擇人工操作或者不去管它讓其自動運(yùn)行，當(dāng)旋鈕選至人工操作時(shí)，控制系統(tǒng)自動切斷主電源，僅保留數(shù)據(jù)采集以及控制系統(tǒng)電源供應(yīng)，電機(jī)、傳動軸保持靜止，防止對操作員造成誤傷。當(dāng)報(bào)警十秒后無操作，系統(tǒng)自動反向旋轉(zhuǎn)，在反向旋轉(zhuǎn)相應(yīng)時(shí)間后（實(shí)驗(yàn)設(shè)定值10 秒）系統(tǒng)重新開始正向運(yùn)轉(zhuǎn)，如果此時(shí)繼續(xù)堵塞報(bào)警，系統(tǒng)會重復(fù)上次暫停（這次時(shí)間為15 秒），然后正向運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)連續(xù)兩次暫停后，繼續(xù)發(fā)生堵塞，系統(tǒng)會根據(jù)指令斷電停止運(yùn)行，僅保留報(bào)警蜂鳴器電源持續(xù)報(bào)警。

圖7

通常物料的堆積問題，不僅是加大對粉碎機(jī)的磨損或者燒壞電器元件甚至燒壞電機(jī)，更重要的是在實(shí)際操作中，許多農(nóng)戶會直接用工具將物料勾出，甚至直接用手取出，這樣對人身安全有很大隱患，每年都有因粉碎機(jī)操作不當(dāng)受傷的案例。本設(shè)備通過電氣控制系統(tǒng)和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)合，利用51 系列單片機(jī)的穩(wěn)定性以及普適性，通過壓力和轉(zhuǎn)速傳感器的信號采集，充分利用自動控制手段，大大提高了粉碎機(jī)的智能化，既解決了堵塞問題，又節(jié)省各類人工，從根本上解決因物料堆積產(chǎn)生的一系列問題。