趙虎，田斌，孫偉，張華，劉小龍，李輝，賈博喧

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農業(yè)大學 機電工程學院）

0 引言

由于室內土槽試驗臺不受季節(jié)和農時等自然條件的影響，可以對田間工況重復模擬[1-2]，已成為農業(yè)機械設計和性能改進過程中的重要設備[3-4]。目前，國內外的一些科研單位和大學設有土槽試驗裝置。國外如美國、意大利、英國等，國內如華南農業(yè)大學、中國農業(yè)大學、江蘇大學等設置有針對多種土壤工作部件的土壤試驗臺[5]。美國WES 土槽試驗臺臺車[6]由電動機驅動臺車在鋼軌上運動從而達到測試目的；ARRIAGA 等[7]研制了牽引動力為40 kW 拖拉機可調節(jié)尺寸的土槽試驗臺。隨著自動化技術的不斷發(fā)展，自動化技術開始被引入現(xiàn)有土槽測試臺中，意大利建成通過液壓驅動的土槽試驗臺[8]。國內試驗土槽起步較晚，但由于吸收國外先進經驗，國內土槽在設計時應用了自動化技術。例如，華南農業(yè)大學趙祚喜等[9-10]研制了遙控土槽控制系統(tǒng)，并通過不斷優(yōu)化增加了計算機測試系統(tǒng)與臺車定位系統(tǒng)；中國農業(yè)大學的土槽試驗臺設計采用虛擬儀器實現(xiàn)試驗車的自動控制以及數(shù)據的自動采集、儲存和處理[11]。以上大部分為直線往復式土槽，由于工作部件的單向作業(yè)特性，必須退回起點再進行試驗，不能連續(xù)作業(yè)，只能進行性能試驗，且測試系統(tǒng)與顯示界面大多停留在虛擬樣機階段。顏華等[5]融合上、下位機的自動控制技術，設計了一款圓環(huán)形土槽；陳建能等[12]通過PLC 對旋轉式圓形土槽試驗臺進行控制，使得該土槽運行速度平穩(wěn)。這2 種土槽能實現(xiàn)農業(yè)機械在試驗平臺上長時間循環(huán)作業(yè)，但其結構設計復雜，用土量大，能耗、噪聲及考慮振動對測量精度的影響都不適宜小型觸土部件測試，測試結果不通過圖線形式直接顯示，給使用者造成了一定不便。

為此，本文設計了一種基于STM32 專用于觸土部件性能試驗及可靠性實驗的小型環(huán)形土槽控制系統(tǒng)，能夠對土壤含水率、功率、扭矩及受力數(shù)據進行及時存儲，并以數(shù)字與圖線2 種形式實時顯示。

1 小型環(huán)形土槽總體方案

1.1 結構組成

如圖1 所示，小型環(huán)形土槽主要由槽體、觸土部件測試機構、整形機構、動力系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、顯示屏、萬向輪等部分組成。

圖1 小型環(huán)形土槽整機結構圖Fig.1 Overall structure of small annular soil bin

觸土部件測試裝置由扭矩傳感器、挖掘裝置、信號發(fā)射器等組成，挖掘裝置的挖掘臂與扭矩傳感器連接，按照所需實驗的要求調整安裝位置，測速裝置安裝在圓盤下部，由10 個磁鐵等距分布在圓盤上與圓盤上的霍爾元件相配合實現(xiàn)速度檢測。

1.2 工作原理

小型試驗土槽的動力由異步電動機提供，電動機將動力傳遞給蝸輪蝸桿減速器，經蝸輪蝸桿減速機減速變向后帶動觸土部件及測試系統(tǒng)工作。由霍爾元件進行測速計算，當霍爾元件多次重復檢測到小磁鋼的磁場時表明機器正常開始工作，機器繼續(xù)運行并開始發(fā)送數(shù)據。觸土部件作業(yè)后，由安裝在其后的整形、鎮(zhèn)壓裝置完成土壤恢復，確保觸土部件工作環(huán)境的一致性。觸土部件測試機構的轉速可以通過變頻器進行調節(jié)。扭矩傳感器所采集到的數(shù)據通過STM32 單片機進行信號轉化，并通過ATKLORA 發(fā)射模塊發(fā)送給上位機模塊和顯示屏模塊，上位機模塊將得到的數(shù)據保存，顯示屏實時顯示測試數(shù)據。

2 控制系統(tǒng)總體方案及關鍵電路

控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，硬件部分主要有：扭矩傳感器、霍爾元件、顯示屏、單片機、串口轉U口元件、上位機、無線發(fā)射模塊等。采用STM32F103 作為該系統(tǒng)的主芯片，該芯片是基于Cortex-M3 內核，其主頻可達 72 MHz[13]。其包含18 個通道，可測量16 個外部和2 個內部信號源[14]；可以實現(xiàn)單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行通道的A/D 轉換方式[15]。系統(tǒng)配置硬件如表1所示。將被測挖掘鏟臂安裝在傳感器的卡槽內，通過螺栓固定并調節(jié)觸土部件入土深度，將霍爾元件安裝在裝置圓盤下部進行測速。

表1 系統(tǒng)配置硬件表Tab.1 Hardware system configuration

2.1 系統(tǒng)控制方案

小型環(huán)形土槽系統(tǒng)控制原理圖如圖2 所示，控制系統(tǒng)由數(shù)據采集發(fā)送模塊、顯示器顯示模塊、上位機儲存模塊組成。3 個模塊之間通過ATKLORA模塊進行數(shù)據傳輸，數(shù)據采集發(fā)送模塊和顯示器顯示模塊均有獨立的CPU 進行相應的數(shù)據處理，上位機模塊直接由電腦進行數(shù)據處理。

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control block diagram

2.2 控制及數(shù)據采集系統(tǒng)關鍵電路

根據外部通道數(shù)量以及所需處理數(shù)據能力的要求，選擇嵌入式微控制器STM32F103C8T6 作為CPU。當機器正常運轉后，將傳感器測試的數(shù)據通過相應的PA 口傳遞給STM32F103，通過STM32F103 將數(shù)據類型轉換并存儲，當在一組數(shù)據存儲完成，數(shù)據信息通過無線發(fā)射接口ATKLORA發(fā)送給顯示器、上位機進行數(shù)據監(jiān)控以及處理儲存。顯示器接收數(shù)據同時受CPU 控制。該系統(tǒng)以USB串口通信電路，采用CH340G 芯片進行數(shù)據通信，顯示器及上位機成功接收傳感器數(shù)值后將其解碼，并通過USART HMI 內置函數(shù)將其顯示在顯示屏上，可以實時觀測到數(shù)據值。

表2 元器件IO 口分配表Tab.2 Component IO port allocation

2.3 測速及系統(tǒng)采集數(shù)據程序

2.3.1 測速原理及控制

圓盤測速裝置對于測試過程中的速度要進行實時監(jiān)測及輸出，選用霍爾元件進行測速，測速原理如下：

將霍爾元件接入PB12，并在測速模塊圓盤下端同軸心上等距分布10 個小磁塊。通過計算相鄰兩次脈沖信號的時間間隔從而得到其轉速。通過在開機后查看計數(shù)器值是否正常寫入判斷其工作狀態(tài)，同時開始接收扭矩傳感器和功率數(shù)值，數(shù)值精確到X.X r/min。速度值對應空間如圖3 中所示A、B 二位。

圖3 str[]位置空間順序圖Fig.3 str[] position space sequence diagram

2.3.2 扭矩測量

本裝置通過扭矩傳感器所檢測到的扭矩值來衡量觸土部件在實驗中的受力情況，選擇工作電壓為5 V 的雙法蘭DYJN-101 型扭矩傳感器。為了保證測試精度與電路安全，進行分壓處理以確保單片機可以正常進行工作。如圖4 所示，在扭矩傳感器上接入2個10 K分壓電阻（R）將5 V電壓變?yōu)?.5 V,所用扭矩傳感器（DYJN-101）的量程為1 000 N·m，因此3.3 V 對應的扭矩（T）應為 （1 000/2.5）×3.3=1 320 N·m。又因為扭矩傳感器占用12 位空間，故應將1 320 分為4 096 份。當單片機將所測得的數(shù)據存儲后與所計算出的分配單位乘積作為扭矩傳感器的真實值。

圖4 扭矩傳感器分壓原理圖Fig.4 Schematic diagram of torque sensor partial voltage treatment

2.3.3 功率測量

功率是機械評價的重要指標，本裝置消耗的功率無法直接測出，選擇利用功率與扭矩、運動之間的相互關系，按照如式（1）計算。

式中：P——功率，kW；Tn——3 個扭矩之和，N·m。

通過計算3 個扭矩傳感器的值，得到每1 組扭矩在當時的速度情況下對應的功率值，功率值與所測得扭矩值一一對應。在得到數(shù)值后，首先按照上述方式進行分位處理，然后將其存儲到其對應的I、G 兩空間中。

2.3.4 數(shù)據存儲

機器開始運轉所測得的扭矩傳感器的值通過IO 口將模擬量傳遞給單片機，通過單片機完成模數(shù)轉換，將數(shù)據存放在adc_date[]中，并作上述運算得到的真實值存儲在str[]中。對所得到的數(shù)據做如下處理：一個數(shù)據值所對應的存儲為二位，速度值對應的為A、B 空間。將所得數(shù)據除以100 后得的數(shù)字存儲在A 空間；將數(shù)據與100 進行取余處理，所得數(shù)據放置在B 空間。其余對應關系如圖3 所示。另外，除標志位外均可為0，當為0 時代表其并未接入或造成短路。當系統(tǒng)檢測到標志位時開始通過ATKLORA 向顯示屏與上位機發(fā)送。

3 顯示方式及上位機儲存

3.1 數(shù)據顯示

為了實驗的穩(wěn)定進行，實時對可能發(fā)生的問題進行及時發(fā)現(xiàn)與調整，將單片機通過ATKLORA實時發(fā)送而來的數(shù)據進行處理。顯示器顯示模塊軟件流程圖如圖5 所示，單片機程序中所發(fā)送字符名稱與顯示屏定義顯示數(shù)據名稱時刻保持一致。通過ATKLORA 接收端與其相連的CPU 將接收到的數(shù)據向顯示屏程序傳遞，顯示屏頁面如圖6 所示。

圖5 顯示器顯示模塊程序框圖Fig.5 Display module program block diagram

圖6 顯示屏頁面圖Fig.6 Display page map

通過WorkRate.txt="10"進行測試，測試成功后CPU 向顯示屏發(fā)送通訊協(xié)議代碼3 組0xff，開始進行數(shù)據接收，通過顯示器顯示模塊的CPU 對數(shù)據進行處理，檢測到0d、0a 標志位后標志一組值接收完成，當顯示器接收到后，激活顯示器內設程序。導入USART HMI 的數(shù)據進行還原處理，通過USART HMI 的“.txt”函數(shù)將傳入解析過的數(shù)值通過數(shù)字形式顯示在顯示器面板上。同時，通過USART HMI 的“add”函數(shù)，將所得的數(shù)據值實時擬合為曲線顯示在顯示界面上。

3.2 上位機存儲

上位機儲存模塊軟件流程圖如圖7 所示，主要分為上位機數(shù)據讀入存儲模塊和上位機數(shù)據調用模塊2 個部分。通過易語言5.8 進行上位機編程。通過文本框編輯主頁面并在主頁面添加2 個按鈕——數(shù)據采集、數(shù)據查看，如圖8 所示。

圖7 上位機儲存模塊程序框圖Fig.7 Block diagram of host computer storage module

圖8 上位機操作頁面Fig.8 Host computer operation page

上位機數(shù)據讀入儲存模塊在工作時，先進行配置串口，將串口配置與CPU 相一致后，用過ATKLORA 接收端進行數(shù)據的接收，通過程序語句來進行數(shù)據讀取是否完成的判斷。當數(shù)據接收完畢后按位進行數(shù)據解析，具體與顯示模塊數(shù)據解析模式相同。將所解析數(shù)據連同接收數(shù)據所接收到的時間點，按照時間順序進行存儲。添加完成后，在數(shù)據采集模塊進入編輯。添加窗口程序集，完成后在編輯頁面之下新建工作表，將工作表中分為轉速、扭矩A、扭矩B、扭矩C、功率，并定義每一種數(shù)據類型，方便將STM32F103 通過ATKLORA 發(fā)送端所發(fā)出的數(shù)據進行對號入座。在數(shù)據查看按鈕下編輯查看頁面，利用編輯工具模塊進行構建，并將相對應的數(shù)據通道口進行定義與標定。

數(shù)據查看模塊是進行特定點查看所必須的模塊，其主要作用是將所需要查看的數(shù)據時間輸入查看窗口，程序在數(shù)據庫中通過所給定的時間對相應的時間點進行檢索，并調取該時間點的數(shù)據，顯示在數(shù)據查看窗口。

4 系統(tǒng)工作數(shù)據及數(shù)據分析

為驗證小型環(huán)形土槽控制系統(tǒng)的設計是否合理，通過對不同鏟面角度的馬鈴薯挖掘鏟進行土槽實驗，即將預設的顯示模塊、儲存模塊以及得到的實驗數(shù)據與真實情況與文獻中相對比，對比預設是否達到要求且最佳安裝角度是否一致。

4.1 實驗條件

實驗開始前對試驗土槽內進行土壤填充，土槽深度為550 mm，填充土壤高度為400 mm。土槽內土壤分3 層，下層為直徑0.5～1.0 mm 的砂石鋪設，厚度為100 mm，中間層為直徑1.5～2.0 mm 的砂石，鋪設厚度為100 mm[16]；上層鋪設蘭州地區(qū)黃綿土，厚度為300 mm，土壤水分為13.93%。

由文獻[17]可知，馬鈴薯收獲機收獲過程中前進速度為0.5～0.7 m/s，本次實驗中選擇前進速度為0.6 m/s，即馬鈴薯挖掘鏟的線速度v0=0.6 m/s。馬鈴薯挖掘鏟環(huán)繞土槽試驗臺的半徑為1 m，故觸土部件測試機構轉速n0=5.73 r/min。電動機額定轉速為1 450 r/min，計算可知最大轉速為12.87 r/min，故將歐瑞2 000 變頻器設置為23.71 Hz。

4.2 實驗方案與過程

將所測試的馬鈴薯挖掘鏟的入土角度分為15°，20°，30°，3 組在同樣的深度、同樣的轉速下進行實驗，將最終得到的受力值與真實情況進行對比用以驗證土槽的實用性。

土槽內填入蘭州市某地區(qū)挖掘的黃綿土，實驗前在土槽內澆水以提高土壤水分，并測量其含水率，土壤硬度為自然狀態(tài)下土壤。實驗時，土槽內土壤填充高度為400 mm，通過挖掘測試裝置來調節(jié)入土角度，利用電子量角器進行測量以保證角度準確。調整完成后，通過扭矩傳感器前方連接部件調整其入土深度，使其實際入土深度保持在250 mm 左右，調整好后開始采集實驗數(shù)據。實驗場景如圖9 所示。

圖9 土槽試驗圖Fig.9 Soil bin test diagram

實驗開始前，將數(shù)據接收端口與電腦端相連，打開數(shù)據采集軟件，進行數(shù)據采集。調整變頻器的頻率為23.71 Hz，挖掘鏟實際轉速為5.73 r/min。鏟面在受到土槽內土壤的阻力下向后扭轉，扭矩傳感器將采集到的數(shù)值實時發(fā)送給顯示屏與電腦，并通過電腦端將數(shù)據進行保存。

4.3 實驗結果及分析

試驗后采集實驗數(shù)據，經過計算整理后導出。由于采集到的值為扭矩，將其轉換為阻力整理，如圖10 所示。通過對3 種不同角度的馬鈴薯挖掘鏟在土槽內相同土壤環(huán)境下的實驗可以發(fā)現(xiàn)，在安裝角度為20°時受到的阻力最小，在顯示屏與數(shù)據保存窗口按照預先設定顯示存儲，如圖11 所示。

圖10 不同安裝角度受力圖Fig.10 Force diagram of different installation angles

圖11 實時測試曲線圖Fig.11 Real-time test curve

將儲存在上位機中的數(shù)據整理后每組實驗保留13 組數(shù)據。由以上數(shù)據可以看出，安裝角度從15°到20°的過程中，馬鈴薯挖掘鏟受阻力減??；當安裝角度達到30°時挖掘阻力又一次增加，比原先15°時所受到的阻力更大。類似研究中，李祥[18]根據實際情況，得到三角平面挖掘鏟最佳的工作參數(shù)組合為鏟面傾角20°；楊小平[19]等在4U1600 型集堆式馬鈴薯挖掘機設計與實驗中為降低挖掘阻力安裝角度為21°～25°；李輝[20]在小型分離輪式馬鈴薯挖掘機的設計、高海明[21]在4UM-600 型馬鈴薯挖掘機挖掘鏟的設計中也得同樣結論。綜上所述，本次環(huán)形土槽得到的最終結論與理論計算和實際生產情況一致。

5 結論

通過預先設置與環(huán)形土槽實驗結果的對比驗證，可以得出本文所設計的小型環(huán)形土槽所測試系統(tǒng)是真實可靠的，通過扭矩傳感器、STM32 單片機、顯示屏和上位機組成的數(shù)據測試、顯示與數(shù)據采集存儲系統(tǒng)能夠實時將測試情況進行反映與記錄，使得該小型環(huán)形土槽人機交互與數(shù)據傳輸存儲能力有了較大提升，能直觀地反映出觸土部件實時所受阻力情況，并及時記錄，大大減輕了人員在實驗時的負擔。