大功率拖拉機監控系統的設計

摘要：大功率拖拉機監控系統的研究是精準農業技術的重要組成部分。試驗針對黑龍江墾區應用的大功率拖拉機監視系統性能不高的問題，設計以單片機為核心的電子監視系統。該設計樣機安裝在黑龍江省某農場農機隊的大功率拖拉機上試驗，取得了比較滿意的試驗效果。特別適用安裝有液壓全負載換擋變速箱的大功率拖拉機。

關鍵詞：大功率拖拉機；電子監視系統；單片機；精準農業

中圖分類號：Ｓ２２４．２１文獻標識碼：Ａ文章編號：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

大功率拖拉機是精準農業技術實施的一個重要機械設備。隨著時代的變遷，大功率拖拉機越來越多地裝備有先進的電子監視控制設備，智能監視系統是大功率拖拉機電子監視設備發展的必然趨勢［１］。本設計主要針對當前應用的國產大功率拖拉機監視系統性能不高，造成排肥量、排種量、收獲量浪費的情況給予及時調整。可以實現大功率拖拉機電子監視系統的國產化，進而節省進口這種設備的資金。可實現對拖拉機的自動檢測，避免發生事故，減少不必要的經濟損失。

１硬件資源配置

１．１監視系統的組成

設計的監視系統包括冷卻液溫度表、燃油表、發動機機油壓力表和電壓表，共計４塊數字儀表。同時可以對變速器油壓、發動機機油壓力、發動機冷卻液溫度、離合器溫度、液壓油溫度、空氣濾清器堵塞、變速箱油濾清器堵塞、緊急故障、一般故障設計報警指示燈，共計９個指示燈。為了提高監視系統的準確性和可靠性，系統采用最先進的國產傳感器，傳感器完全國產，目的是不過分依賴國外的產品和技術。

１．２監視系統主要功能

１）電壓監測。當鑰匙開關在ＯＮ（接通）或者ＡＣＣ（輔助裝置）位置時，電壓監測儀表指示出蓄電池及發電機的電壓。當電壓表顯示電壓低于１１．８ Ｖ時，說明電瓶電不足；當電壓表顯示蓄電池電壓為１１．８～１２．６ Ｖ時，說明電瓶存電比較充足。發動機工作時電壓表指示發電機的電壓，其電壓為１３．２～１５．５ Ｖ，當電壓表顯示發電機的電壓高于１５．５ Ｖ或低于１３．２ Ｖ時，應檢查充電電路有無故障［２］。

２）液壓油溫度監測。液壓油溫度傳感器安裝在拖拉機全負載換擋變速箱中，當液壓油溫度達到１０２～１０５ ℃時，液壓油溫度報警指示燈及黃色維修指示燈亮，蜂鳴器發出警告音響。

３）發動機冷卻液溫度監測。氣缸蓋溫度傳感器位于氣缸蓋左后部的頂端，氣缸溫度傳感器內部是一個開關，冷卻液損耗或液面降低使缸蓋溫度增加，溫度達到１２０～１３２ ℃時，傳感器開關閉合使電路搭鐵，此時發動機處于極熱狀態，應立即關閉發動機［１］。

４）離合器溫度監測。離合器有兩個液壓油溫傳感器，一個裝在液壓油濾清器安全閥體內（四區段變速器），另一個安裝在離合器殼體的右部，以測試離合器油的溫度。為了防止誤報警，在發動機啟動大約幾十秒后才能檢查離合器的溫度。

５）發動機機油壓力監測。機油壓力傳感器安裝于氣缸蓋的右側，機油壓力傳感器在發動機不同轉速時，都有不同的機油壓力與其對應。當發動機機油壓力過低時，機油壓力指示燈和紅色發動機停車燈亮，蜂鳴器發聲警告。此時，應立即關閉發動機。

６）燃油量監測。監測傳感器采用浮子型液位傳感器。浮子漂浮在燃料油表面上且隨著油的高低而改變位置，進而改變可變電阻器的電阻。

７）變速箱液壓油濾清器阻塞監測。應用兩個開關型傳感器來檢測變速箱液壓油濾清器的阻塞情況，當液壓油壓力差達到２７５～３８０ ｋＰａ時，濾清器阻塞指示燈及黃色維修指示燈亮。當壓力差達到５００～６５０ ｋＰａ時，濾清器阻塞指示燈及紅色發動機停車指示燈亮。

８）變速器油壓監測。當發動機油壓低于一定數值時，傳感器內部開關閉合，變速器油壓報警指示燈和紅色停車指示燈亮，蜂鳴器發出音響。

９）空氣濾清器堵塞監測。該傳感器位于發動機進氣管處，為真空開關型［３］，由于空氣中有很多的灰塵和雜質，經過空氣濾清器過濾后，才能供給發動機使用，當濾清器堵塞時，傳感器開關閉合。經過３ ｓ的延時，空氣濾清器阻塞指示燈及黃色維修指示燈亮，以提示駕駛員要對空氣濾清器進行保養。

１．３監視系統的硬件電路

設計有報警指示燈及蜂鳴器驅動電路、模擬量放大電路、傳感器信號Ａ／Ｄ轉換電路、開關量傳感器信號處理電路、轉速信號放大處理電路、看門狗電路、抗干擾電路等［４］。系統有６路模擬量需要Ａ／Ｄ轉換，即冷卻液溫度、機油壓力、燃油量、工作電壓、離合器溫度、液壓油溫度。設計采用８路８位Ａ／Ｄ轉換芯片ＡＤＣ０８０９［５］。ＡＤＣ０８０９的工作地址為

＃６８００Ｈ。系統顯示采用四組三位發光ＬＥＤ數碼管顯示，采用新型的ＣＭＯＳ集成電路ＭＣ１４４９９，一片ＭＣ１４４９９可以直接驅動和控制四塊ＬＥＤ八段顯示器，由于其顯示方式為動態掃描，有消耗功率低、輸入線少等優點，很適合監視系統使用。報警信號燈驅動電路采用可編程并行接口電路８１５５，通過達林頓陣列ＵＬＮ２００３驅動超亮ＬＥＤ發光二極管。大功率拖拉機單片機監視系統電路原理圖如圖１所示。

２系統程序設計

監視系統程序設計采用結構化程序設計方法，主要包括如下程序模塊：主程序模塊、系統初始化及自檢程序模塊、模擬通道Ａ／Ｄ轉換程序模塊、開關量檢測程序模塊、ＬＥＤ數碼管驅動程序模塊、ＬＥＤ指示燈驅動程序模塊、數據轉換處理及報警判斷程序模塊、發動機轉速測量程序模塊、定時器中斷服務程序模塊、數字濾波程序模塊等。Ａ／Ｄ轉換程序采用查詢方式。數字濾波程序采用消除脈沖干擾的去極值平均濾波法。

單片機８９Ｓ５２內部ＲＡＭ資源劃分如表１所示。

單片機系統在現場使用時，會受到各種干擾的影響，如果不相應地采取抗干擾措施，單片機就不能正常工作。系統的抗干擾不可能完全依靠硬件電路解決，因此在軟件中必須加入數字濾波程序。數字濾波處理的具體思路是：將連續進行Ｎ次采樣的結果中的最大值和最小值去掉。對剩余的Ｎ－２個采樣結果求算術平均值，用這種方法即可濾去脈沖干擾，又可濾去小的隨機干擾，是一種效果較好的濾波方法，這里我們取Ｎ＝１０。發動機機油壓力警告與拖拉機轉速有關，采用查表方法，將特定轉速下的參考壓力值用ＭＯＶＣ這條指令從外部ＲＯＭ中送入到內部ＲＡＭ中。轉速與壓力對應關系如表２所示。

３小結

根據黑龍江墾區大功率拖拉機項目設計要求，提出監視系統研究方案并付諸實施，該設計樣機安裝在黑龍江省某農場農機隊的大功率拖拉機上試驗，取得了比較滿意的試驗效果。試驗表明該系統技術先進，工作可靠。設計的監視系統的主要特點：①監視位置多；②可靠性高，成本低，體積小；③抗干擾性能好；④報警靈敏，顯示清楚。特別適用安裝有液壓全負載換擋變速箱的大功率拖拉機。

現研制的監視系統數據處理能力較弱，下一步準備將ＡＲＭ系統用做監視系統的處理核心單元，數據處理能力肯定會極大地改善。運行可靠性和運行速度也會有較大的改觀。

參考文獻：

［１］ 王熙．農業機械電子監控技術研究［Ｍ］． 哈爾濱：東北林業大學出版社，２００５．

［２］ 王熙．汽車·拖拉機·收獲機電器電子設備原理與維修［Ｍ］．哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，２０００．

［３］ 單成祥．傳感器的理論與設計基礎及其應用［Ｍ］．北京：國防工業出版社，1999．

［４］ 李愛傳，王熙，汪志強，等．電液驅動式變量施肥閉環控制系統研究［Ｊ］．中國農學通報，２００９，２５（７）：２７２－２７５．

［５］ 李愛傳，汪志強，李琳，等． 電容式糧食水份檢測系統研究［Ｊ］． 農業網絡信息，２００９（２）：１１４－１１６．