半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统设计

2014-01-13吴海东周洪如李洪昌

微特电机 2014年7期

吴海东，周洪如，李洪昌

(常州机电职业技术学院，常州213164)

0 引言

半喂入式联合收割机能够按序完成谷物的切割、脱粒、分离和清选等作业，脱粒工序是谷物收割的主要工序之一。夹持输送装置是切割部与脱粒部联系的中间环节，主要完成将切割好的谷物从割台部送至脱粒部的任务，使谷物的穗端喂入脱粒室。在实际作业中，夹持输送装置能否精确地将谷物穗部完全送入脱粒室，在一定程度上会影响脱粒工序的脱净率。本文介绍一种基于MSP430F449 单片机的半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统，该系统能够实时检测已收割谷物穗端位置，并自动调整夹持输送装置的位置，使进入到脱粒室中的谷物长度(穗端位置)保持在最佳状态，以提高脱粒能力。

1 控制系统的构思

半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统由穗端位置信息采集单元、开关信号单元、信息处理单元和执行单元等四部分组成。穗端位置信息采集单元主要由穗端传感器(包括茎根侧传感器和穗端侧传感器)构成，开关信号单元由脱粒深浅自动开关、脱粒开关、茎根传感器和脱粒深浅手动开关组成，信息处理单元由MSP430F449 单片机构成，执行单元由脱粒深浅继电器和直流电动机构成。系统硬件结构图如图1 所示。

当半喂入式联合收割机处于正常工作状态时，脱粒深浅控制系统中的ECU 对穗端传感器、脱粒深浅自动开关、脱离开关、茎根传感器、脱粒深浅手动开关等所提供的信号进行处理，而后对脱粒深浅继电器发出指令，由脱粒深浅继电器的工作状态控制直流电动机的正(反)转，进而控制夹持输送装置(穗端)的合适位置，再由穗端传感器将夹持输送装置的位置反馈给ECU，形成闭环控制，达到提高收割机的工作效率和脱净率的目的。

图1 控制系统硬件结构图

2 控制系统硬件设计与选用

2.1 信息处理单元选用

MSP430F449 单片机具有集成度高、功耗低、功能丰富等MSP430 系列的基本特点，其12 位A/D 转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性，片内比较器配合其他器件可构成单斜边A/D 转换器。MSP430F449 单片机中的A/D 转换器可以将穗端位置信息采集单元、开关信号单元的电模拟信号转换成数字信号，再由单片机进行运算和处理，通过单片机的I/O(如RS－232 通讯接口)向深浅控制继电器发送相应的控制指令。因此，选用MSP430F449 单片机作为半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统的信息处理单元。

2.2 穗端位置信息采集装置设计

穗端传感器包括茎根侧传感器和穗端侧传感器，属于开关型传感器。它们向信息处理单元(ECU)提供“高电平”或“低电平”开关信号。其结构如图2 所示。

图2 信息采集单元

茎根侧传感器是常闭型开关，用于检测谷物穗端茎根的位置。当谷物穗端茎根接触到传感器，则传感器内部开关处于打开状态，它向ECU 提供高电平信号。反之，它向ECU 提供低电平信号。

穗端侧传感器是常开型开关，用于检测谷物穗端顶部的位置。当谷物穗端顶部接触到传感器，则传感器内部开关处于闭合状态，它向ECU 提供低电平信号。反之，它向ECU 提供高电平信号。

2.3 开关信号装置设计

开关信号单元包括脱粒深浅自动开关、脱粒开关、茎根传感器(开关)和脱粒深浅手动开关。它们向信息处理单元(ECU)提供“高电平”或“低电平”开关信号。

脱粒深浅自动开关和脱粒开关是常开型开关，当它们处于闭合状态时，同时向ECU 输入低电平信号，作为启动脱粒深浅自动控制功能的必要条件之一。反之，脱粒深浅控制功能将解除。

茎根传感器是常开型开关，它设置在穗端传感器的上游，当有被割下的谷物穗端茎根接触到传感器，则传感器内部开关处于闭合状态，接通穗端传感器的“搭铁”回路，以告知ECU 被割下即将有谷物被脱粒。作为启动脱粒深浅自动控制功能的必要条件之一。反之，ECU 接收不到穗端传感器的信号，脱粒深浅控制功能将解除。

脱粒深浅手动开关是双掷式开关，通常活动触臂处于中间位置，当用手拨动活动触臂时，会接通左右两侧电路，分别向ECU 提供低电平信号，作为启动脱粒深浅手动控制功能的充要条件。

2.4 脱粒深浅继电器设计

脱粒深浅继电器是半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统的直接执行元件。脱粒深浅继电器如图3 所示，它由两组双掷式开关继电器组成，图中1、2号端子接电源正极，3 号端子接电源正极，4、5 号端子接电动机，6 号端子电源负极，7、8 号端子接ECU。

图3 脱粒深浅继电器结构图

当ECU 发出指令，使脱粒深浅继电器左边的线圈通电，则左边双掷式开关的常开触点闭合而常闭触点打开，使3 号与4 号端子导通。同样，当ECU发出指令，使脱粒深浅继电器右边的线圈通电，则右边双掷式开关的常开触点闭合常闭触点打开，使3号与5 号端子导通。

2.5 直流电动机选用

直流电动机是半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统的间接执行元件，直流电动机的作用是通过蜗轮蜗杆机构实现夹持输送装置摆动，使其达到合适的位置。

根据夹持输送装置的运动行程比较小、运动速度比较低等特点，脱粒深浅控制系统选用90ZYT08/H1 型永磁直流电动机(12 V，120 W)，该电机采用铁磁体永久磁铁激磁，系封闭自冷式，环境温度为－25 ～40°C，相对湿度≤95%(±25°C)，转速为1 500 r/min。该电动机具有下垂机械特性、线性调节特性，调速范围宽、体积小、效率高、结构简单、运行可靠和便于控制［1］，完全满足半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统驱动元件的要求。

3 控制系统电路设计

半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统电路如图4 所示。它由电源、点火开关、脱粒深浅继电器、直流电动机、限位开关(深侧、浅侧)、控制单元(ECU)、深浅手动开关、穗端侧穗端传感器、茎根侧穗端传感器、茎根传感器、深浅自动开关、脱粒开关等组成。

图4 控制系统电路

控制系统的工作过程是，当深浅手动开关处于原位时，在茎根传感器、深浅自动开关和脱粒开关都闭合后，ECU 将同时读取穗端侧穗端传感器和茎根侧穗端传感器的信号，并比较这两个信号。根据运算结果，发出控制指令，接通脱粒深浅继电器中左(右)线圈的搭铁回路，使左(右)双掷式开关常开触点闭合，从而接通直流电动机的电源，使直流电动机产生正向(反向)旋转，实现脱粒深浅自动控制功能。

控制系统具备深浅调整幅度限制功能，当深浅调整的幅度超过设计值，深侧(浅侧)的水平控制限位开关将被顶开，切断脱粒深浅继电器左(右)线圈的搭铁回路，使左(右)双掷式开关触点恢复原状，使深浅控制电机停止工作，起到保护作用。

当深浅手动开关被拨向左(右)位置时，分别接通左(右)搭铁回路，此时ECU 将发出停止自动控制命令(屏蔽穗端侧穗端传感器、茎根侧穗端传感器、茎根传感器、深浅自动开关、脱粒开关的信号)。取而代之的是手动深浅控制，ECU 根据深浅手动开关所处的位置(左或右)，进行运算并发出控制指令，接通脱粒深浅继电器中左(右)线圈的搭铁回路，使左(右)双掷式开关常开触点闭合，从而接通直流电动机的电源，使直流电动机产生正向(反向)旋转，实现脱粒深手动控制功能。

4 系统控制程序设计

半喂入式联合收割机脱粒深浅控制系统程序流程图如图5 所示。当检测到深浅手动开关处于接通状态时，系统进入脱粒深浅手动控制功能模式，由人工进行脱粒深浅的控制。当检测到深浅手动开关处于非接通状态时，系统进一步检测深浅自动开关和脱粒开关状态，如果检测到上述开关都处于接通状态，系统将读取穗端侧穗端传感器数值α，并判别是否α=1。如果α =1，系统将继续读取茎根侧穗端传感器数值β，并判别是否β =0，如果β =0，则接通继电器深侧(右侧)线圈，完成脱粒深控制;如果α≠1，系统将继续读取茎根侧穗端传感器数值β，并判别是否β=1，如果β=1，则接通继电器浅侧(左侧)线圈，完成脱粒浅控制。