劉崇林，趙勝雪，金麗宇，潘思奇，張明秋

(1.黑龍江工業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代制造工程學(xué)院，黑龍江 雞西 158100；2.黑龍江省馬鈴薯機(jī)械化工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

馬鈴薯除了有“土豆”的稱呼外，還有洋芋、地蛋、薯仔、甘薯、番仔薯等別名。馬鈴薯屬茄科草本植物，種植遍布世界各地，是人類第四大食物來(lái)源。2015年，中國(guó)將馬鈴薯納入了戰(zhàn)略主糧。馬鈴薯可加工成饅頭、面條、米粉等主食，馬鈴薯塊莖中含有大量的膳食纖維、胡蘿卜素和抗壞血酸，這是禾谷類糧食中所沒(méi)有的[1-3]。

塊莖類農(nóng)作物一般在收獲前需進(jìn)行殺秧處理。對(duì)于馬鈴薯而言，殺秧主要是指馬鈴薯收獲前進(jìn)行的莖稈粉碎還田作業(yè)環(huán)節(jié)，保證馬鈴薯機(jī)械化收獲作業(yè)的順利實(shí)現(xiàn)，提高收凈率和作業(yè)效率，保證壟溝壟臺(tái)的薯秧清理干凈[4]。

殺秧機(jī)作業(yè)前，應(yīng)先將殺秧機(jī)提升至錘爪離地面20～25 cm高度，接合動(dòng)力輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)1～2 min，再掛擋作業(yè)。作業(yè)時(shí)禁止錘爪打土，若發(fā)現(xiàn)錘爪打土?xí)r，應(yīng)調(diào)整地輪離地高度或拖拉機(jī)上懸掛拉桿長(zhǎng)度，殺秧作業(yè)時(shí)，刀輥高速旋轉(zhuǎn)將地面浮土打起，影響駕駛員視線，如圖1所示，無(wú)法靠視覺(jué)判斷是否傷薯、空轉(zhuǎn)。往往會(huì)造成傷薯、未打秧情況連片出現(xiàn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5-7]。

圖1 殺秧作業(yè)塵土飛揚(yáng)

1 裝置組成及工作原理

設(shè)計(jì)了具有動(dòng)態(tài)扭矩傳感器實(shí)時(shí)報(bào)警裝置，該裝置具有實(shí)時(shí)性、安裝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。報(bào)警裝置將單片機(jī)與動(dòng)態(tài)扭矩傳感器結(jié)合，以STC89C52型單片機(jī)為微控制器，利用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器對(duì)殺秧機(jī)刀輥?zhàn)鳂I(yè)時(shí)的扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)二線串行接口將扭矩信號(hào)送至STC89C52微控制器，最后利用STC89C52微控制器完成對(duì)扭矩值的區(qū)分，扭矩值大于刀輥正常作業(yè)時(shí)的扭矩值時(shí)，連接單片機(jī)的蜂鳴器響起，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到殺秧機(jī)傷薯時(shí)的報(bào)警[4][8]。報(bào)警裝置主要由動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、STC89C52單片機(jī)和蜂鳴器組成。

1.1 刀輥扭矩值的采集原理分析

扭矩傳感器采用LH-NJ-02動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測(cè)量刀輥的扭矩值，控制器硬件主要以STC89C52單片機(jī)為核心控制芯片，在芯片中進(jìn)行擴(kuò)展。扭矩測(cè)量原理為，被測(cè)動(dòng)力電機(jī)與反作用力負(fù)載電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器同軸相連，并分別在兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝旋轉(zhuǎn)變壓器。系統(tǒng)安裝完成后，由于兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置通常不是相同的，因此需要將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)到的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度差置為零，此時(shí)扭轉(zhuǎn)彈簧的形變量為零。測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩時(shí)，反作用力負(fù)載電機(jī)處于卡死狀態(tài)，運(yùn)行被測(cè)動(dòng)力電機(jī)，系統(tǒng)最終處于一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)彈性聯(lián)軸器因形變產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，通過(guò)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)出彈性聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)角，即可測(cè)出被測(cè)動(dòng)力電機(jī)的動(dòng)態(tài)扭矩值M[10]。

1.2 接口電路設(shè)計(jì)

工作過(guò)程中，單片機(jī)與傳感器的連接較短，二者之間的連接需要增加一個(gè)5K上拉電阻，可以將不確定的信號(hào)通過(guò)電阻嵌位在高電平，電阻同時(shí)還可以起到限流作用，避免電流過(guò)大將器件燒壞。傳感器的合理電壓范圍為3～5.5 V，過(guò)高過(guò)低都會(huì)損壞傳感器，在接通電源后，需過(guò)一段時(shí)間才能發(fā)送指令，從而有效越過(guò)剛接通時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)。為了抑制和防止電源中的干擾，可在電源端加一個(gè)小電容，起到濾波的作用。典型的應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 LH-NJ-02典型電路連接圖

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 扭矩值讀取

單片機(jī)和動(dòng)態(tài)扭矩傳感器通信采用串行二線接口SCK和LH-NJ-02二線串行通信協(xié)議與I2C協(xié)議不兼容。由于采用二線串行接口，LH-NJ-02的操作按照嚴(yán)格時(shí)序，有4條用戶命令，分別是測(cè)量扭矩命令03H、讀寄存器狀態(tài)命令07H、寫(xiě)寄存器狀態(tài)命令06H和軟啟動(dòng)命令1EH。單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)命令，隨后發(fā)出一個(gè)后續(xù)8位命令碼，該命令碼包含3個(gè)地址位(芯片設(shè)定地址為000)和4個(gè)命令位，發(fā)送完該命令碼，將DATA總線設(shè)為輸入狀態(tài)等待SHT11的響應(yīng)，SHT11接收到上述地址和命令碼后，在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為芯片的ACK；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿之后，釋放DATA(恢復(fù)高電平)總線；釋放總線后，開(kāi)始測(cè)量當(dāng)前濕度，測(cè)量結(jié)束后，再次將DATA總線拉為低電平；單片機(jī)檢測(cè)到DATA總線被拉低后，確認(rèn)濕度測(cè)量已經(jīng)結(jié)束，發(fā)出SCK時(shí)鐘信號(hào)；芯片在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，輸出高字節(jié)數(shù)據(jù)；在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，單片機(jī)將DATA總線拉低作為ACK信號(hào)，然后釋放總線DATA，在隨后8個(gè)SCK周期下降沿，芯片發(fā)出低字節(jié)數(shù)據(jù)；接下來(lái)的SCK下降沿，單片機(jī)再次將DATA總線拉低作為接收數(shù)據(jù)的ACK信號(hào)；最后8個(gè)SCK下降沿芯片發(fā)出CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，單片機(jī)不予應(yīng)答(NACK)則表示測(cè)量結(jié)束。CRC寄存器通過(guò)計(jì)算一個(gè)多項(xiàng)式(x8+x5+x4)之和來(lái)判定測(cè)量過(guò)程是否發(fā)生錯(cuò)誤，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，單片機(jī)則發(fā)送軟啟動(dòng)命令，重新進(jìn)行測(cè)量。如果不使用CRC校驗(yàn)，單片機(jī)可以在測(cè)量值LSB后保持應(yīng)答信號(hào)ACK高電平，終止通信。LH-NJ-02在測(cè)量和通信完成后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式[10-11]。

2.2 扭矩值輸出

單片機(jī)和扭矩傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線，硬件接口電路比較簡(jiǎn)單。需要注意的是，DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻，時(shí)鐘線SCK用于微處理器和LH-NJ-02之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對(duì)SCK最低頻率沒(méi)有要求，工作電壓高于4.5 V時(shí)，SCK頻率最高為10 MHz，而工作電壓低于4.5 V時(shí)，SCK最高頻率為1 MHz。由于所用單片機(jī)不具備I2C總線接口，使用單片機(jī)通用I/O口線來(lái)虛擬I2C總線，并利用RA0口來(lái)虛擬數(shù)據(jù)線DATA，RA1口線來(lái)虛擬時(shí)鐘線，在DATA端接入一只10 kΩ的上拉電阻時(shí)，在VDD及GND端接入一只0.1 μF的去耦電容[12-14]?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

3 扭矩值計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)該裝置的測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，由于該裝置處于剛完成階段，可能會(huì)存在一些不可控因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)的情況，因此采用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的方式，將模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法評(píng)判其測(cè)量穩(wěn)定性。此次試驗(yàn)驗(yàn)證主要包含兩部分，分別為試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的誤差分析。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案選用雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用扭矩傳感器打秧機(jī)傷薯報(bào)警裝置進(jìn)行實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的誤差分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的扭矩傳感器打秧機(jī)傷薯報(bào)警裝置的可行性及準(zhǔn)確性[15]。

3.1 理論分析

在試驗(yàn)初期參考東北農(nóng)業(yè)大學(xué)呂金慶的《馬鈴薯殺秧機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)》中的殺秧機(jī)，最佳作業(yè)參數(shù)選取為：刀輥轉(zhuǎn)速1 600 r·min-1、殺秧機(jī)的前進(jìn)速度5 km·h-1、壟上刀距壟臺(tái)高度為50 mm[3]，并依據(jù)NY/T 2706—2015馬鈴薯打秧機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范，得出刀距壟高度合理為45～65 mm，刀輥轉(zhuǎn)速為1 500～1 600 r·min-1，通過(guò)式(1)計(jì)算功效

(1)

式中P—功率，kW；

T—扭矩，N·m；

n—轉(zhuǎn)速，r·min-1。

得出使用約翰迪爾1204，功率為88.26 kW的扭矩傳感器的兩個(gè)臨界值分別為585.46 N·m、526.80 N·m。

1)當(dāng)扭矩值高于585.46 N·m時(shí)，殺秧機(jī)離地高度過(guò)低出現(xiàn)傷薯情況。

2)當(dāng)扭矩值低于526.80 N·m時(shí)，殺秧機(jī)離地高度過(guò)高則出現(xiàn)空轉(zhuǎn)不作業(yè)情況。

3.2 扭矩值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論得出的兩個(gè)扭矩極值的準(zhǔn)確性，于2021年7月15—22日在黑龍江省農(nóng)墾九三管理局尖山農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了1204拖拉機(jī)牽引馬鈴薯殺秧機(jī)作業(yè)時(shí)扭矩值的測(cè)量、記錄。本次扭矩值的測(cè)量記錄，使用黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研發(fā)的田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀(圖4)進(jìn)行試驗(yàn)，傳感器安裝位置如圖5所示。

圖4 機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀

圖5 傳感器安裝位置

經(jīng)過(guò)測(cè)量1204拖拉機(jī)牽引由河北布谷機(jī)械制造廠生產(chǎn)的馬鈴薯殺秧機(jī)，測(cè)得馬鈴薯殺秧機(jī)在相同前進(jìn)速度、不同離地高度時(shí)的扭矩值，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際測(cè)量不同刀輥高度的扭矩值

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)作業(yè)中的扭矩值大于理論計(jì)算的扭矩值，通過(guò)對(duì)比，實(shí)際值比理論值高11 N·m左右。為此在單片機(jī)中輸入極值，當(dāng)扭矩值高于596.46 N·m時(shí)，殺秧機(jī)離地高度過(guò)低出現(xiàn)傷薯情況；當(dāng)扭矩值低于537.80 N·m時(shí)，殺秧機(jī)離地高度過(guò)高出現(xiàn)空轉(zhuǎn)不作業(yè)情況。

3.3 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

2021年8月22—24日在黑龍江省農(nóng)墾九三管理局尖山農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了殺秧機(jī)田間殺秧作業(yè)傷薯報(bào)警試驗(yàn)。試驗(yàn)地為壟播水澆地和壟播旱地2種類型。每個(gè)試驗(yàn)田長(zhǎng)15 m，其中緩沖區(qū)3 m，試驗(yàn)區(qū)均分為4部分。馬鈴薯品種為青薯9號(hào)，馬鈴薯殺秧機(jī)動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供，試驗(yàn)拖拉機(jī)型號(hào)為約翰迪爾1204，田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測(cè)儀、電子游標(biāo)卡尺、卷尺等[16]。

圖6 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)分析，本試驗(yàn)先將殺秧機(jī)輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)1～2 min，再掛擋作業(yè)，使殺秧機(jī)刀輥的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，選取機(jī)車前進(jìn)速度、殺秧高度2個(gè)因素(表2)，每個(gè)因素選取3個(gè)水平進(jìn)行雙因素試驗(yàn)，以馬鈴薯殺秧傷薯報(bào)警準(zhǔn)確率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)表。

表2 試驗(yàn)因素與水平

殺秧傷薯報(bào)警準(zhǔn)確度T1，測(cè)量選取長(zhǎng)12 m的地塊，將每個(gè)地塊均分為4小段，測(cè)量結(jié)果分為報(bào)警準(zhǔn)確、報(bào)警不準(zhǔn)確、未報(bào)警準(zhǔn)確和未報(bào)警不準(zhǔn)確4種(表3)，殺秧機(jī)報(bào)警準(zhǔn)確率為

表3 傷薯試驗(yàn)方案與結(jié)果

(2)

式中T1—?dú)⒀頇C(jī)傷薯報(bào)警準(zhǔn)確率，%；

M—傷薯報(bào)警次數(shù)，次；

M1—傷薯準(zhǔn)確報(bào)警次數(shù)，次；

M2—傷薯未報(bào)警傷薯次數(shù)，次。

殺秧機(jī)空轉(zhuǎn)報(bào)警準(zhǔn)確度T2，測(cè)量選取長(zhǎng)為12 m的地塊，將每個(gè)地塊均分為4小段，測(cè)量結(jié)果分為報(bào)警準(zhǔn)確、報(bào)警不準(zhǔn)確、未報(bào)警準(zhǔn)確和未報(bào)警不準(zhǔn)確4種(表4)，殺秧機(jī)報(bào)警準(zhǔn)確率為

表4 空轉(zhuǎn)試驗(yàn)方案與結(jié)果

(3)

式中T2—?dú)⒀頇C(jī)空轉(zhuǎn)報(bào)警準(zhǔn)確率，%；

L—空轉(zhuǎn)報(bào)警次數(shù)，次；

L1—空轉(zhuǎn)準(zhǔn)確報(bào)警次數(shù)，次；

L2—空轉(zhuǎn)未報(bào)警傷薯次數(shù)，次。

試驗(yàn)表明當(dāng)拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，正常殺秧作業(yè)時(shí)報(bào)警準(zhǔn)確率在95%以上，殺秧高度過(guò)低時(shí)或過(guò)高時(shí)準(zhǔn)確率略低。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的扭矩傳感器打秧機(jī)傷薯報(bào)警裝置，是基于扭矩傳感器及單片機(jī)基礎(chǔ)上研制的，主要優(yōu)勢(shì)在于能對(duì)殺秧工作時(shí)出現(xiàn)的傷薯、空轉(zhuǎn)情況及時(shí)報(bào)警、及時(shí)處理，減少種植戶經(jīng)濟(jì)損失，為馬鈴薯殺秧機(jī)研制提供參考。從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，該報(bào)警裝置穩(wěn)定性較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。