联合收割机多路智能转速报警器的研制

刘春旭　单爱军　芦磊

摘 要：联合收割机在作业时经常由于喂入量的变化、作物含水量的不同以及筛板间隙调整不当等诸多原因造成发动机、轴流滚筒等关键工作部件的转速低于正常数值，如果不能及时发现并采取相应措施，就会造成物料堵塞或其它机械故障，影响收割作业的正常进行。因此设计一款以单片机为核心的智能监视报警装置，可以对多达8路的转速信号进行监测，配备了行进速度、电瓶电压、机油压力状态检测等实用功能，同时根据用户的使用习惯对控制软件的智能化程度进行了优化设计。

关键词：联合收割机;转速;报警器;智能

中图分类号：S225文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.013

0 引言

联合收割机是农业机械中结构最为复杂、科技含量较高、制造工艺水平要求很严的产品，而正是由于其结构非常复杂，在使用过程中经常由于各种外部原因或调整、操作不当，造成各种各样的故障。其中以滚筒堵塞故障最为常见，其故障原因主要有作物太湿、太密，杂草多，行走速度过快，脱粒间隙小，滚筒转速低，传动皮带打滑，发动机输出功率不足，逐稿轮和逐稿器打滑不转等。

为了减少上述故障对作业的影响，就需要对几个关键运转部件的转速进行监测，一旦某一路或几路转速低于预先设定的报警阈值时，立刻发出报警提示，驾驶员可以根据具体情况采取减慢车速、加大油门或停车检查等不同措施。

本文对一种能够实现上述功能的联合收割机多路智能转速报警器的硬件设计进行了详细介绍，同时对控制软件的主要功能模块以及智能化优化设计进行了简要说明。

1 硬件结构设计

1.1 转速传感器的选用

转速传感器选用LJ2A3-2-Z/BX接近开关，NPN常开信号输出、检测距离2 mm，供电电压为直流6～36 V。这种传感器具有性能可靠、便于安装和调整、抗干扰性强、能耐受灰尘、适用范围广以及价格低廉等优点，非常适用于本产品的应用场合。

1.2 显示终端

为了降低制造成本，显示终端采用液晶屏结合PCB背板的设计方案。同时在PCB外露面采用环氧树脂封装固化，以避免电路板过孔以及电子元件管脚裸露可能引起的短路问题，同时也可以避免用户私拆本产品。

同样出于成本考虑，液晶屏选用了武汉中显公司的SDWe043T04T，其主要性能参数如表所示。

PCB背板的厚度为2.0 mm，以提高产品外壳的机械强度。在PCB上集成了STC12C5A60S2单片机作为终端的控制核心。该单片机是STC生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰，且指令代码完全兼容传统的新一代8051单片机，但运行速度快8～12倍。其主要技术参数如下：

（1） 工作电压：3.5～5.5 V;

（2） 工作频率范围：0～35 MHz;

（3） 用户应用程序空间：60 KB;

（4） 片上RAM容量：1280 B;

（5） 通用端口数量：44个;

（6） 具有EEPROM功能;

（7） 具有看门狗功能;

（8） 集成外部掉电检测电路。

环氧树脂选用水晶滴胶，先将A组份和B组份胶按比例混合，再按0.5%比例（重量比）加入黑色色膏进行搅拌，可以起到遮蓋电路板走线、过孔以及电子元件管脚的目的。然后在水平放置状态下进行涂装，经过24 h固化后即可。完成封装的显示终端如图所示。

1.3 附加功能

为了满足作业要求，除了转速检测以外，显示终端还需要增加以下的功能。

（1） 行进速度（距离）检测。该功能是通过检测与驱动轮存在固定传动比例关系的传动轴的转速，再结合驱动轮的外径计算得出的。由于机型的不同，需要用户设置正确的“计米比例”参数。

（2） 粮仓仓满状态检测。该功能是通过红外对射式传感器实现的，传感器安装在粮仓顶部，当粮食达到预定存量后，红外传感器的接收端被遮挡，从而发出“粮仓仓满”信号。

（3） 机油压力状态检测。该功能是通过机油压力开关实现的，属于开关量信号输入，为了防止外界干扰信号串入单片机系统，采用TLP521光电耦合器进行了光电隔离。

（4） 电瓶电压检测（12 V/24 V机型通用）。该功能是通过STC12C5A60S2单片机片内集成的A/D转换功能实现的。由于电瓶电压最高可达28 V左右，因此采用了电阻分压电路，同时并接5.1 V稳压管进行保护。

2 软件设计

2.1 主要软件功能模块

（1） 主辅参数分时显示模块。由于显示区域有限，因而采用轮流显示的方式。

（2） 参数设置模块。针对不同的机型，可以设置不同的报警阈值。

（3） 发动机功率状态显示模块。根据发动机当前转速与设定报警阈值的比值计算并显示。

（4） 用户信息注册模块。每一个终端对应唯一的注册码，为产品的售后工作提供了技术保障。

2.2 软件智能化的优化设计

用户调查表明，机手对此类报警器产品反响最大的两个缺陷分别是“误报警”和“参数设置繁琐”。针对上述问题，对控制软件的智能化程度进行了优化设计。

（1） “作业状态”自动识别功能。当所有参与作业的任意一个部件的转速进入正常范围后，即判定机器进入“作业状态”，此后如果任意一个作业部件的转速低于设定的报警阈值，就会发出报警提示。

（2） 发动机状态识别功能。该功能可以根据发动机转速的不同，区分为“高速”和“低速”两种状态。在“高速”状态时，当任意一个作业部件的转速低于设定的报警阈值时，就会发出报警;而在“低速”状态时，只要作业部件的转速不为零，就不会发出报警。这一功能完美地解决了同类产品普遍存在的“收油门误报警”的技术难题。

（3） “一键设置”功能。当机器处于正常作业状态时，机手可以通过一次按键操作就能完成所有的参数设置，且具有数据掉电保护功能，设置参数不会丢失。其控制逻辑是将正常工况下各个被监测转速的数值进行记录，此后如果转速低于该数值的若干比值（可设定），即判定为故障。该功能极大地减少了机手在参数设定时的工作量，同时也避免了“参数错误输入”的现象。由于合理的参数是随着作物种类、不同地块、环境湿度、作物含水量不同而变化的，在使用过程中要求用户随时逐个调整参数设定是十分繁琐且不合理的，而该功能很好地解决了这个问题。

3 结论

由于上述报警器在设计时充分考虑了用户的实际使用要求，将单片机的可编程和智能化的特性加以充分利用，从而使产品具备了技术先进、功能实用、物美价廉等诸多优点。经过近3年的实际应用和多轮的技术改进，现已小批量试销数百台，得到了用户的一致好评。

参考文献：

[1] 孟鹏祥，耿端阳，李玉环，等.基于单片机与DGUS显示的精密播种机监测系统研究[J].农机化研究，2017（2）：171-175.

[2] 刘春旭，赵德春，单爱军.红外反射式播种机电子监测装置的设计[J].农机化研究，2010（6）：117-120.

[3] 刘春旭.智能播种监视系统的研制及产品化设计[J]. 农机化研究，2012（8）：69-72.