WDB800圆捆机草捆称重系统设计与试验

刘 超，尹建军，陈树人，肖 君，汤明明

(江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

0 引言

在我国秸秆及牧草资源十分丰富，农作物秸秆年产量超7亿t，2014年我国草原总面积为392 832.7khm2，累计种草保留面积为23 083.6khm2 [1]。由于人工收储秸秆和牧草需要耗费大量的人力物力，打捆机在秸秆及牧草的收获、运输及存储过程中起到极为重要的作用。打捆机按照草捆外形分为方捆打捆机和圆捆打捆机，圆捆打捆机由于其结构简单、价格较低、配套动力较小等原因，在国内外秸秆及牧草收获运输存储过程中得到广泛应用。近年来，国内对于打捆机的研究正在向智能化和自动化方向快速发展[2]。

草捆质量的实时监测对于圆捆机草捆密度系统稳定性的监测，以及牧草及秸秆的产量分布研究具有十分重要意义。对于体积一定的草捆监测其质量即可换算为草捆密度，得到田间草捆质量的变化情况、草捆平均质量、田间总作物质量和产量、草捆密度控制系统的稳定性，以及绘制产量图显示整个作业区域的作物分布。

实际应用中，草捆称重多采用传统称重方式：在草捆落地后利用叉车和磅秤进行称重，需要多台设备及人工操作配合[3]。

本文基于STM32设计了WDB800圆捆机草捆称重系统，实现了圆捆机草捆的随车动态称重，并就试验台最佳安装方案设计了试验台优选试验方案。同时，根据方案优选试验所得草捆称重系统有效信号曲线的平稳性来确定试验台最终安装方案。

1 草捆称重系统整体结构

1.1 草捆称重系统总体结构

草捆称重系统主要包括固定架、质量采集模块、信号调理模块、存储模块、串口通信模块、处理器、电源模块和LCD显示屏，如图1所示。质量采集模块包括称重传感器和角度传感器。称重传感器安装称重试验台固定架上，角度传感器安装在圆捆打捆机尾轴上。

图1 草捆称重系统总体结构图

当角度传感器监测到尾轴转动角度大于10°时，处理器开始采集数据，称重传感器采集草捆重力垂直于秤台面的分力，累计采集数据量大于1 000时停止采集数据。传感器输出的信号经过信号调理模块放大转换后，由处理器计算处理后得出的草捆的质量，计算结果送入存储模块并通过LCD显示屏显示。

1.2 硬件部分设计

1.2.1 传感器的选型

由于在称量过程中，草捆沿称重试验台滚动，试验台与草捆之间有相对运动，因此草捆的称量过程为动态称重。选择悬臂梁式称重传感器，具有精度高、防尘好、易于安装和拆卸等特点，常用于各种电子汽车衡、料斗秤等动态称重监测中[4-7]。角度传感器选择旋转编码器监测称重试验台与水平面的夹角。

1.2.2 处理器的选型

圆捆机草捆动态称重装置选择基于ARM系列Cortex-M3内核的STM32F103ZET6处理器为核心处理器。STM32F103ZET6处理器是一款资源非常丰富的32位微处理器，拥有64kB SRAM、512kB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个DMA控制器(共12个通道)、5个串口、1个USB、3个12位ADC、1个SDIO接口、1个FSMC接口，以及112个通用IO口等资源，功能强大且价格低廉[8]。

1.2.3 电源模块

草捆称重装置电源通过并联两台容量为10AH、12VDC输出的便携式锂电池为传感器及信号变送器供24VDC工作电压，同时预留出一个12VDC的电源接口为STM32处理器供电。将电源固定在圆捆机一侧机架上，可以在田间作业过程中为处理器和传感器长时间提供稳定电源。

1.2.4 传感器安装位置

由于圆捆机草捆成型机理，其成型室四周均由钢辊组成，传感器不能安装在成型室内，故将圆捆机草捆称重系统试验台安装在圆捆机后仓仓口。利用草捆从成型室内滚出时落在后仓仓口的溜草架上，其压力使溜草架尾部与地面接触形成便于草捆滚落的斜坡这一特征(见图2)，用集成称重装置的称重试验台替代溜草架，实现草捆的随车动态称重。

图2 溜草架斜置状态

1.2.5 试验台固定架设计

称重试验台需与圆捆机尾轴焊接，因此试验台与尾轴焊接后则不易再改动，试验台优选试验时固定架的长度需要调整，提出将该试验台固定架分为上下两部分，其结构如图3所示。

1.固定架上半部分 2.固定架下半部分 3.两侧固定孔 4.两侧固定配合槽 5.试验台长度及称重装置安装位置调节孔 6.调节孔配合槽

固定架实物图如图4所示。其可以根据固定架的长度要求和传感器不同安装位置要求，在固定架相应位置钻直径为φ12的安装调节孔，并在固定架两侧开出对应的配合槽以配合安装调节孔调整固定架的长度。

图4 固定架实物

1.3 软件部分设计

草捆称重系统软件程序是在keil uVision5环境下编写的，主程序流程图如图5所示。系统初始化并调用各个子程序[9-10]，若尾轴旋转角度大于10°则处理器接收传感器信号进行称重，显示草捆质量并存储。

子程序包括称重数据采集程序设计、LCD显示程序设计和存储程序设计，流程图如图6所示。

图5 主程序流程图

(a) 数据采集程序流程图 (b) 存储程序流程图

(c) 显示程序流程图

2 试验及结果分析

2.1 试验台方案优选试验

草捆动态称重过程与常规称重装置不同，并不处于水平静止状态而是与水平面存在一定角度，即斜置稳定位置状态。试验台的长度会影响称量时的角度，长度越长则固定架尾端与地面接触时试验台与水平面的倾角越小，传感器检测的压力越接近草捆的质量；同时，倾角越小则草捆滚动过程中的速度亦较慢，草捆滚动时对称重传感器的冲击力随之变小。称重装置即秤台的宽度不同会影响到有效数据采集的时间以及数据采集量；秤台的安装位置不同草捆落至试验台上时对称重装置的冲击力和草捆从台面滚过的速度的亦有较大变化。

为确定草捆称重试验台最佳方案，根据上述影响因素分析将固定架的长度L、秤台宽度B及秤台末端距固定架尾端距离D作为试验台方案优选试验的主要影响因素，由于这3个因素之间并不独立，故采用全面试验的方法进行试验。

田间作业时地面起伏不定，因此固定架长度不宜过长，否则圆捆机田间行驶时固定架会产生较为剧烈的振动从而影响传感器的精度和使用寿命；同时，草捆不宜直接落在秤台上，草捆质量较大落下时和秤台接触会产生巨大的冲击力，影响测量精度。综上所述，取固定架长度L为1、1.2、1.4m，秤台宽度B分别为0.4、0.6、0.8m，秤台末端距固定架尾端距离D为0.1、0.3、0.5、0.7m。试验安排如表1所示。

将试验台安装试验方案安装固定后，分别使用实际质量为40.3kg网卷代替草捆从试验台上滚落(见图8)，称重传感器试验数据如图7所示。

表1 草捆称重系统试验台优选试验设计方案

由图7中可以看出：网卷落在试验台上时称重传感器检测到相对网卷质量较为微小的信号波动，网卷自秤台上滚动时称重系统信号产生非常明显的爬升和骤降段，此段信号即为称重系统有效数据段。草捆从试验台上滚下后，试验台受到圆捆机弹簧的弹力回至初始位置，传感器输出逐渐衰减的振动信号。对比18组试验数据，可以看出L=1.2m、B=0.6m、D=0.1m时称重传感器有效数据段最为平稳，因此选择该组试验方案作为草捆称重试验台的最佳方案，最终实物图如图9所示。

(a) L=1m,B=0.4m,D=0.1m;

(b) L=1.2m,B=0.4m,D=0.1m;

(e) L=1.4m,B=0.4m,D=0.7m;

(f)L=1.4m,B=0.6m,D=0.5m;

L=1.4m,B=0.8m,D=0.1m;L=1.4m,B=0.8m,D=0.3m

图7 优选试验中称重系统信号

Fig.7 The signals of weighing system during optimizing test

图8 试验台优选试验

图9 称重系统试验台

Fig.9 The testbed of weighing system

2.2 草捆称重试验

为了检验草捆称重系统的监测精度，将水稻秸秆平铺在平地上进行现场测量试验。拖拉机牵引圆捆机沿平铺秸秆捡拾打捆，草捆成型后称重系统确定草捆质量(见图10)，试验数据如表2所示，草捆称重系统的最大监测误差为小于3%。

图10 现场试验

试验次数草捆实际重量M/kg监测值M1/kg误差/%1125.3123.1826-1.6898643262158.7157.8332-0.5461877763223.5227.97832.0037136474250.2245.7336-1.7851318945283.2280.1366-1.081709046325.7328.16230.7560024567358.6360.12350.4248466268372.1371.2569-0.2265788779401.3396.5635-1.18028906110420.8413.5642-1.719534221

3 结论

基于STM32处理器将称重装置与圆捆机溜草架集成,确定了草捆称重系统实验台的安装位置，完成了WDB800圆捆机草捆称重系统的设计并进行了试验研究，实现了草捆的随车动态称重。同时，通过对试验台影响因素分析和系统试验，确定了试验台安装方案，即选择固定架长度为1.2m、秤台宽度为0.6m、秤台末端距离固定架尾端0.1m的安装位置为试验台安装方案，能有效对圆捆机草捆质量实行动态监测，监测误差小于3%。

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