微联合收获机气流式清选装置嵌入式设计

邱　林，李荣辉

( 1.广西农业职业技术学院 电子信息工程系，南宁　530007；2.广西水利科学研究院，南宁　530007)



微联合收获机气流式清选装置嵌入式设计

邱林1，李荣辉2

( 1.广西农业职业技术学院 电子信息工程系，南宁530007；2.广西水利科学研究院，南宁530007)

摘要：微型联合收割机气流式清选装置作业过程中，由于其转速较高，容易产生籽粒损失问题，当风力不足时，还容易出现堵塞问题，影响了机器的正常收割作业。为此，提出了一种新型气流式清选装置。该装置利用嵌入式单片机和μC/OS-II实时操作系统增加了反馈监测设备，借助高速摄像拍摄不同籽粒和茎秆杂质在清选装置中的运动情况，对电机的最佳转速进行调节。为了实现装置的实时监控和反馈调节，将μC/OS-II实时系统在MC9S12XS128 单片机上进行了移植，取得了良好效果。对清选装置进行了测试，结果表明：清选装置可在较低转速下完成对谷物籽粒和杂物的分离，损失率低，分离效率较高，符合高精度微型联合收割机的设计标准。

关键词：联合收获机；清选装置；气流式；嵌入式系统

0引言

近年来，联合收割机技术已经逐渐成熟，正向着自动化和智能化方向发展。其中，自行走和麦秆粉碎、均匀抛洒等技术的创新，配合自动监控和报警等电控装置，使收割机的操作越来越简单，收割效率和质量也越来越高。由于大型收割机机械比较笨重，不适合在山区和丘陵等小规模种植地带作业，因此需要研制适合丘陵和山区地带的微型联合收获机。在新型微联合收获机的发展过程中，秸秆的粉碎增加了谷物籽粒和茎秆分离的难度，需要对清选装置进行改进。将嵌入式实时操作系统和硬件应用到清选装置的设计中，可以有效地提高清选分离的监测水平和自动化调控性能，对于提高清选装置的分离效率和质量具有重要的意义。

1联合收获机械清选装置分类和性能

在山区和丘陵地区进行收割作业时，微型收割机是最常用的机械，影响微型联合收获机工作质量和效率的主要因素是籽粒分离装置。籽粒分离装置的类型主要包括风机和振动筛式、风机和圆筒筛式、气流式清选装置。这3种筛选装置性能和优劣性各不相同，其装置结构和性能如下：

1)风机和振动清选装置。风机和振动清选装置主要是由单风道的离心机和振动清选装置组成，是最简单的一种联合收获机谷物清选装置。

2)风机和圆筒清选装置。风机和圆筒清选装置主要由单道离心风机和圆筒构成，其分离的主要部件为圆筒装置。该装置有效地缩短了整机的长度，减轻了振动，增加了装置的可靠性。

3)气流式清选装置。气流式清选装置主要由分离筒和吸杂风机组成，根据物料密度和阻力等系数的不同，按照不同悬浮速度将籽粒和茎秆等杂质分离。

气流式清选装置和一般的清选装置相比，结构简单、体积小、功耗低，工作稳定性和可靠性程度高。气流式清选装置主要是旋风式的，应用时间较早，其节能性和分离性能较好，是联合收获机最常用的。

2旋风分离清选系统的结构和工作原理

籽粒清选装置是联合收获机的重要部件，其性能的好坏直接关系到联合收获机的作业质量，因此需要对其进行重点设计。本次研究设计的微型联合收获机的清选分离装置主要包括扬谷设备、旋风分离器和吸杂风机，其结构如图1所示，旋风分离器如图2所示。工作时，清选装置将籽粒在扬谷设备内抛扔，然后经管道进入旋风分离器；在旋转气流的作用下，质量较轻的茎秆被吸杂风机排出分选装置，籽粒在重力作用下进入籽粒收集装置。

旋风分离器主要包括籽粒出口、筒体、籽粒入口和茎秆杂质出口。假设籽粒流以速度V在装置内曲线运动，在法线方向的加速度值为V2/n，n表示籽粒流的曲率半径，根据径向压力梯度定于圆周离心力，可以得到

(1)

其中,ρ为气体密度；n为气流流线法线的微元。

压力微元的公式为

(2)

其中，β为常数。

对n进行微分可得

(3)

代入(1)式，可以得到

(4)

对上式积分，可得

1nV=-1nn+1nC

(5)

籽粒和茎秆在分离器中的运动为螺旋线行，其所有流线平行，则螺旋线的曲率半径可表示为

(6)

其中，H为螺旋线螺矩；r为旋转半径。

将n带入式(5)整理，可得

(7)

由于在分离器的器壁附近的一个小范围内，气体的流速近似等于入口的流速Vj，因此得到常数C的表达式为

(8)

假设螺旋升角为α，则圆柱面半径为r处的切向速度为

(9)

将其带入(7)式，可得

(10)

根据分离速度可以测算出分离的效率，利用嵌入式实时系统分离效率反馈调节可以实现清选装置的改进。其理论依据为PID控制，调整分离器电机的转速后，可以有效地提高分选装置的分离效率。

1.扬谷设备　2.旋风分离器　3.吸杂风机

1.籽粒出口　2.筒体　3.籽粒入口　4.茎秆杂质出口

3气流清选装置的改进

嵌入式系统也是计算机系统的组成部分之一，通常作为一种系统以板式、片式或者箱式嵌入主体设备中，以应用为主，技术基础为计算机，软件和硬件可以设计和剪裁，设计依据为在特定设备中完成特定的任务。嵌入式系统的成本、体积、稳定性、功能和功耗等各不相同，但共性是功能强、实时性好、结构简单、可靠性高，将其应用在清选装置的监控系统中，可以完成信息的反馈和处理及自动化控制功能。嵌入式系统的图像传感器安装如图3所示。

μC/OS-II实时嵌入式系统对镜头发送采集图像指令，图像信息返回处理器通过嵌入式系统实现采集信息和处理器的双向通信功能，其过程如图4所示。

图3　图像传感器安装

图4　嵌入式系统框架图

在系统开发过程中，硬件系统的设计是最重要的。只有设计合理的硬件系统，才能保证系统运行的稳定性。本设计采用单片机MC9S12XS128作为核心控制器，其硬件系统主要包括电源结构、电机控制模块、速度识别模块及清选率识别模块，如图5所示。

图5　硬件系统结构框架

构建过程中，首先使用MC9S12XS128单片机的TIM模块采集清选装置的清选效率信息，然后对数据进行处理，得到清选率；利用单片机的PWM模块对电机转速进行控制，使用光电编码传感器对速度进行检测，使用PID控制系统调整转速， 提高转速控制的精度。对嵌入式系统的实时操作软件系统进行设计时，需要对任务进行划分，根据系统功能将其划分为若干任务模块。当访问相同指令资源时，将其放在一个任务中，可以避免资源冲突。每个任务作为一个独立的功能模块，其主要任务功能模块主要为6个，如表1所示。

表1　清选装置任务规划表

利用μC/OS-II实时嵌入式系统可以对任务调度进行编程控制。利用Task_Star()设定优先级最高的任务，系统执行任务后完成初始化，建立其余5个任务；运行图像采集任务，其指令为Task_Pictur()；向图像处理发出信号，其指令为Task_Position()；对转速和清选效率进行采集，指令为Task_PulseCnt()；利用Task_Steer()和Task_Motor()任务互斥信号Str_mutex反馈速度和清选效率信息，进而对电机转速进行控制，提高清选装置的清选效率。

4气流清选装置性能测试

利用嵌入式实时系统对微联合收获机清选装置进行改进后，需要对其性能进行测试。为了完成测试实验，在普通气流式清选装置上搭载了嵌入式实时系统，测试过程的场景如图6所示。

图6　实验测试样机实物图

对改进后的气流清选装置的测试主要包括分选装置茎秆速度测试和秸秆清洁率与籽粒损失率的测试。其中，茎秆分选速度的测试曲线如图7所示。由图7可以看出：改进后的清选装置茎秆的速度运动较快，可以以更高的速度排出分离装置，有效地提高了分选效率。

图7　分选装置茎秆速度测试曲线

根据国家联合收割机的设计标准，需要对籽粒的清洁率和损失率进行测试和计算。假设籽粒箱的总体质量为w1，分离后籽粒的净质量为w2，分离出破损小麦的净质量为w3，则籽粒清洁率的计算公式为

(11)

清选损失率的计算公式可以写成

(12)

根据清选装置清洁率和损失率的计算公式，对本次改进后的联合收获机清选装置的清选性能进行了测试，通过8次测试得到了如表2所示的结果。

表2　实验测试结果

由表2可以看出：在6次实验测试中，籽粒的清洁率都超过了99%，而籽粒的损失率均小于0.2%。根据国家联合收割机清选装置的标准要求，联合收割机的籽粒清选率需要在98%以上，而籽粒的损失率需要小于1.5%，因此本次设计的清选装置符合国家高精度联合收割机的设计标准。

5结论

1)为了适应山区和丘陵地带的收割作业需求，对微型联合收割机的籽粒清选装置进行了改进，并针对籽粒损失和风力不足造成阻塞等问题，设计了一种具有反馈调节能力的新型籽粒清选装置，有效地提高了收割机的作业效率和作业质量。

2)为了实现籽粒清选装置的自动化反馈控制，将嵌入式嵌入式单片机和μC/OS-II实时操作系统应用到了装置的设计中，并将μC/OS-II实时系统在MC9S12XS128 单片机上进行了移植，取得了良好的效果。

3)对改进后的联合收获机籽粒清选装置进行测试，测试项目包括自动控制反馈调节能力和谷物籽粒的分离效果。由测试结果可以看出：籽粒的清洁率超过了99%，籽粒的损失率均小于0.2%，达到了高精度联合收割机的设计标准。

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Embedded Design for Air Cleaning Device of Micro Combine Harvester

Qiu Lin1, Li Ronghui2

(1.Department of Electronic Information Engineering,Guangxi Agricultural Vocational College,Nanning 530007, China; 2.Guangxi Institute of Water Resources Research,Nanning 530007 , China)

Abstract：In the process of the operation of the air cleaning device in the micro combine harvester, it is easy to produce grain loss due to its high speed, and it is easy to be blocked when the wind is insufficient,which affects the normal operation of the machine. In order to solve the problems, it puts forward a new type of air cleaning device, which uses the embedded MCU and UC/OS-II real-time operating system to get the feedback monitoring equipment.With high speed camera, the best speed of electric machine is adjusted by different grain and stem of impurities in the cleaning device of the motion.In order to realize the real-time monitoring and feedback regulation of the device, the C/OS-II real-time system is transplanted on the MC9S12XS128 chip.The good effect is obtained. Finally, the device was tested and it was found that the device can be used to separate the grain and the debris at the lower speed. The loss rate of grain is low, and the separation efficiency is higher.

Key words：combined harvester; cleaning device; air flow; embedded system

中图分类号：S225；S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0096-05

作者简介：邱林(1983-)，女，广西河池人，讲师，硕士。通讯作者：李荣辉(1979-)，男，广西武鸣人，高级工程师，博士，(E-mail)qlandlrh2015@sina.com。

基金项目：广西高校科研项目(201204LX621)

收稿日期：2015-08-29