大功率拖拉机监控系统的设计

李爱传 李琳 王熙

摘要：大功率拖拉机监控系统的研究是精准农业技术的重要组成部分。试验针对黑龙江垦区应用的大功率拖拉机监视系统性能不高的问题，设计以单片机为核心的电子监视系统。该设计样机安装在黑龙江省某农场农机队的大功率拖拉机上试验，取得了比较满意的试验效果。特别适用安装有液压全负载换挡变速箱的大功率拖拉机。

关键词：大功率拖拉机；电子监视系统；单片机；精准农业

中图分类号：Ｓ２２４．２１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）15－3178-03

The Design of High-power Tractor Monitoring System

ＬＩ Ａｉ－ｃｈｕａｎａ，ＬＩ Ｌｉｎａ，ＷＡＮＧ Ｘｉｂ

（ａ．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ； ｂ． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｂａｙｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｄａｑｉｎｇ １６３３１９， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ａ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒing ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ８９Ｓ５２ ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ） ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｎ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ． Ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗａｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｏｆ ａｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｔｅａｍ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｔ ｗａｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｈｏｒｓｅｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： hｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ； eｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒing ｓｙｓｔｅｍ； ＭＣＵ； pｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ

大功率拖拉机是精准农业技术实施的一个重要机械设备。随着时代的变迁，大功率拖拉机越来越多地装备有先进的电子监视控制设备，智能监视系统是大功率拖拉机电子监视设备发展的必然趋势［１］。本设计主要针对当前应用的国产大功率拖拉机监视系统性能不高，造成排肥量、排种量、收获量浪费的情况给予及时调整。可以实现大功率拖拉机电子监视系统的国产化，进而节省进口这种设备的资金。可实现对拖拉机的自动检测，避免发生事故，减少不必要的经济损失。

１硬件资源配置

１．１监视系统的组成

设计的监视系统包括冷却液温度表、燃油表、发动机机油压力表和电压表，共计４块数字仪表。同时可以对变速器油压、发动机机油压力、发动机冷却液温度、离合器温度、液压油温度、空气滤清器堵塞、变速箱油滤清器堵塞、紧急故障、一般故障设计报警指示灯，共计９个指示灯。为了提高监视系统的准确性和可靠性，系统采用最先进的国产传感器，传感器完全国产，目的是不过分依赖国外的产品和技术。

１．２监视系统主要功能

１）电压监测。当钥匙开关在ＯＮ（接通）或者ＡＣＣ（辅助装置）位置时，电压监测仪表指示出蓄电池及发电机的电压。当电压表显示电压低于１１．８ Ｖ时，说明电瓶电不足；当电压表显示蓄电池电压为１１．８～１２．６ Ｖ时，说明电瓶存电比较充足。发动机工作时电压表指示发电机的电压，其电压为１３．２～１５．５ Ｖ，当电压表显示发电机的电压高于１５．５ Ｖ或低于１３．２ Ｖ时，应检查充电电路有无故障［２］。

２）液压油温度监测。液压油温度传感器安装在拖拉机全负载换挡变速箱中，当液压油温度达到１０２～１０５ ℃时，液压油温度报警指示灯及黄色维修指示灯亮，蜂鸣器发出警告音响。

３）发动机冷却液温度监测。气缸盖温度传感器位于气缸盖左后部的顶端，气缸温度传感器内部是一个开关，冷却液损耗或液面降低使缸盖温度增加，温度达到１２０～１３２ ℃时，传感器开关闭合使电路搭铁，此时发动机处于极热状态，应立即关闭发动机［１］。

４）离合器温度监测。离合器有两个液压油温传感器，一个装在液压油滤清器安全阀体内（四区段变速器），另一个安装在离合器壳体的右部，以测试离合器油的温度。为了防止误报警，在发动机启动大约几十秒后才能检查离合器的温度。

５）发动机机油压力监测。机油压力传感器安装于气缸盖的右侧，机油压力传感器在发动机不同转速时，都有不同的机油压力与其对应。当发动机机油压力过低时，机油压力指示灯和红色发动机停车灯亮，蜂鸣器发声警告。此时，应立即关闭发动机。

６）燃油量监测。监测传感器采用浮子型液位传感器。浮子漂浮在燃料油表面上且随着油的高低而改变位置，进而改变可变电阻器的电阻。

７）变速箱液压油滤清器阻塞监测。应用两个开关型传感器来检测变速箱液压油滤清器的阻塞情况，当液压油压力差达到２７５～３８０ ｋＰａ时，滤清器阻塞指示灯及黄色维修指示灯亮。当压力差达到５００～６５０ ｋＰａ时，滤清器阻塞指示灯及红色发动机停车指示灯亮。

８）变速器油压监测。当发动机油压低于一定数值时，传感器内部开关闭合，变速器油压报警指示灯和红色停车指示灯亮，蜂鸣器发出音响。

９）空气滤清器堵塞监测。该传感器位于发动机进气管处，为真空开关型［３］，由于空气中有很多的灰尘和杂质，经过空气滤清器过滤后，才能供给发动机使用，当滤清器堵塞时，传感器开关闭合。经过３ ｓ的延时，空气滤清器阻塞指示灯及黄色维修指示灯亮，以提示驾驶员要对空气滤清器进行保养。

１．３监视系统的硬件电路

设计有报警指示灯及蜂鸣器驱动电路、模拟量放大电路、传感器信号Ａ／Ｄ转换电路、开关量传感器信号处理电路、转速信号放大处理电路、看门狗电路、抗干扰电路等［４］。系统有６路模拟量需要Ａ／Ｄ转换，即冷却液温度、机油压力、燃油量、工作电压、离合器温度、液压油温度。设计采用８路８位Ａ／Ｄ转换芯片ＡＤＣ０８０９［５］。ＡＤＣ０８０９的工作地址为

＃６８００Ｈ。系统显示采用四组三位发光ＬＥＤ数码管显示，采用新型的ＣＭＯＳ集成电路ＭＣ１４４９９，一片ＭＣ１４４９９可以直接驱动和控制四块ＬＥＤ八段显示器，由于其显示方式为动态扫描，有消耗功率低、输入线少等优点，很适合监视系统使用。报警信号灯驱动电路采用可编程并行接口电路８１５５，通过达林顿阵列ＵＬＮ２００３驱动超亮ＬＥＤ发光二极管。大功率拖拉机单片机监视系统电路原理图如图１所示。

２系统程序设计

监视系统程序设计采用结构化程序设计方法，主要包括如下程序模块：主程序模块、系统初始化及自检程序模块、模拟通道Ａ／Ｄ转换程序模块、开关量检测程序模块、ＬＥＤ数码管驱动程序模块、ＬＥＤ指示灯驱动程序模块、数据转换处理及报警判断程序模块、发动机转速测量程序模块、定时器中断服务程序模块、数字滤波程序模块等。Ａ／Ｄ转换程序采用查询方式。数字滤波程序采用消除脉冲干扰的去极值平均滤波法。

单片机８９Ｓ５２内部ＲＡＭ资源划分如表１所示。

单片机系统在现场使用时，会受到各种干扰的影响，如果不相应地采取抗干扰措施，单片机就不能正常工作。系统的抗干扰不可能完全依靠硬件电路解决，因此在软件中必须加入数字滤波程序。数字滤波处理的具体思路是：将连续进行Ｎ次采样的结果中的最大值和最小值去掉。对剩余的Ｎ－２个采样结果求算术平均值，用这种方法即可滤去脉冲干扰，又可滤去小的随机干扰，是一种效果较好的滤波方法，这里我们取Ｎ＝１０。发动机机油压力警告与拖拉机转速有关，采用查表方法，将特定转速下的参考压力值用ＭＯＶＣ这条指令从外部ＲＯＭ中送入到内部ＲＡＭ中。转速与压力对应关系如表２所示。

３小结

根据黑龙江垦区大功率拖拉机项目设计要求，提出监视系统研究方案并付诸实施，该设计样机安装在黑龙江省某农场农机队的大功率拖拉机上试验，取得了比较满意的试验效果。试验表明该系统技术先进，工作可靠。设计的监视系统的主要特点：①监视位置多；②可靠性高，成本低，体积小；③抗干扰性能好；④报警灵敏，显示清楚。特别适用安装有液压全负载换挡变速箱的大功率拖拉机。

现研制的监视系统数据处理能力较弱，下一步准备将ＡＲＭ系统用做监视系统的处理核心单元，数据处理能力肯定会极大地改善。运行可靠性和运行速度也会有较大的改观。

参考文献：

［１］ 王熙．农业机械电子监控技术研究［Ｍ］． 哈尔滨：东北林业大学出版社，２００５．

［２］ 王熙．汽车·拖拉机·收获机电器电子设备原理与维修［Ｍ］．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，２０００．

［３］ 单成祥．传感器的理论与设计基础及其应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，1999．

［４］ 李爱传，王熙，汪志强，等．电液驱动式变量施肥闭环控制系统研究［Ｊ］．中国农学通报，２００９，２５（７）：２７２－２７５．

［５］ 李爱传，汪志强，李琳，等． 电容式粮食水份检测系统研究［Ｊ］． 农业网络信息，２００９（２）：１１４－１１６．