微聯合收獲機氣流式清選裝置嵌入式設計

邱　林，李榮輝

( 1.廣西農業職業技術學院 電子信息工程系，南寧　530007；2.廣西水利科學研究院，南寧　530007)

?

微聯合收獲機氣流式清選裝置嵌入式設計

邱林1，李榮輝2

( 1.廣西農業職業技術學院 電子信息工程系，南寧530007；2.廣西水利科學研究院，南寧530007)

摘要：微型聯合收割機氣流式清選裝置作業過程中，由于其轉速較高，容易產生籽粒損失問題，當風力不足時，還容易出現堵塞問題，影響了機器的正常收割作業。為此，提出了一種新型氣流式清選裝置。該裝置利用嵌入式單片機和μC/OS-II實時操作系統增加了反饋監測設備，借助高速攝像拍攝不同籽粒和莖稈雜質在清選裝置中的運動情況，對電機的最佳轉速進行調節。為了實現裝置的實時監控和反饋調節，將μC/OS-II實時系統在MC9S12XS128 單片機上進行了移植，取得了良好效果。對清選裝置進行了測試，結果表明：清選裝置可在較低轉速下完成對谷物籽粒和雜物的分離，損失率低，分離效率較高，符合高精度微型聯合收割機的設計標準。

關鍵詞：聯合收獲機；清選裝置；氣流式；嵌入式系統

0引言

近年來，聯合收割機技術已經逐漸成熟，正向著自動化和智能化方向發展。其中，自行走和麥稈粉碎、均勻拋灑等技術的創新，配合自動監控和報警等電控裝置，使收割機的操作越來越簡單，收割效率和質量也越來越高。由于大型收割機機械比較笨重，不適合在山區和丘陵等小規模種植地帶作業，因此需要研制適合丘陵和山區地帶的微型聯合收獲機。在新型微聯合收獲機的發展過程中，秸稈的粉碎增加了谷物籽粒和莖稈分離的難度，需要對清選裝置進行改進。將嵌入式實時操作系統和硬件應用到清選裝置的設計中，可以有效地提高清選分離的監測水平和自動化調控性能，對于提高清選裝置的分離效率和質量具有重要的意義。

1聯合收獲機械清選裝置分類和性能

在山區和丘陵地區進行收割作業時，微型收割機是最常用的機械，影響微型聯合收獲機工作質量和效率的主要因素是籽粒分離裝置。籽粒分離裝置的類型主要包括風機和振動篩式、風機和圓筒篩式、氣流式清選裝置。這3種篩選裝置性能和優劣性各不相同，其裝置結構和性能如下：

1)風機和振動清選裝置。風機和振動清選裝置主要是由單風道的離心機和振動清選裝置組成，是最簡單的一種聯合收獲機谷物清選裝置。

2)風機和圓筒清選裝置。風機和圓筒清選裝置主要由單道離心風機和圓筒構成，其分離的主要部件為圓筒裝置。該裝置有效地縮短了整機的長度，減輕了振動，增加了裝置的可靠性。

3)氣流式清選裝置。氣流式清選裝置主要由分離筒和吸雜風機組成，根據物料密度和阻力等系數的不同，按照不同懸浮速度將籽粒和莖稈等雜質分離。

氣流式清選裝置和一般的清選裝置相比，結構簡單、體積小、功耗低，工作穩定性和可靠性程度高。氣流式清選裝置主要是旋風式的，應用時間較早，其節能性和分離性能較好，是聯合收獲機最常用的。

2旋風分離清選系統的結構和工作原理

籽粒清選裝置是聯合收獲機的重要部件，其性能的好壞直接關系到聯合收獲機的作業質量，因此需要對其進行重點設計。本次研究設計的微型聯合收獲機的清選分離裝置主要包括揚谷設備、旋風分離器和吸雜風機，其結構如圖1所示，旋風分離器如圖2所示。工作時，清選裝置將籽粒在揚谷設備內拋扔，然后經管道進入旋風分離器；在旋轉氣流的作用下，質量較輕的莖稈被吸雜風機排出分選裝置，籽粒在重力作用下進入籽粒收集裝置。

旋風分離器主要包括籽粒出口、筒體、籽粒入口和莖稈雜質出口。假設籽粒流以速度V在裝置內曲線運動，在法線方向的加速度值為V2/n，n表示籽粒流的曲率半徑，根據徑向壓力梯度定于圓周離心力，可以得到

(1)

其中,ρ為氣體密度；n為氣流流線法線的微元。

壓力微元的公式為

(2)

其中，β為常數。

對n進行微分可得

(3)

代入(1)式，可以得到

(4)

對上式積分，可得

1nV=-1nn+1nC

(5)

籽粒和莖稈在分離器中的運動為螺旋線行，其所有流線平行，則螺旋線的曲率半徑可表示為

(6)

其中，H為螺旋線螺矩；r為旋轉半徑。

將n帶入式(5)整理，可得

(7)

由于在分離器的器壁附近的一個小范圍內，氣體的流速近似等于入口的流速Vj，因此得到常數C的表達式為

(8)

假設螺旋升角為α，則圓柱面半徑為r處的切向速度為

(9)

將其帶入(7)式，可得

(10)

根據分離速度可以測算出分離的效率，利用嵌入式實時系統分離效率反饋調節可以實現清選裝置的改進。其理論依據為PID控制，調整分離器電機的轉速后，可以有效地提高分選裝置的分離效率。

1.揚谷設備　2.旋風分離器　3.吸雜風機

1.籽粒出口　2.筒體　3.籽粒入口　4.莖稈雜質出口

3氣流清選裝置的改進

嵌入式系統也是計算機系統的組成部分之一，通常作為一種系統以板式、片式或者箱式嵌入主體設備中，以應用為主，技術基礎為計算機，軟件和硬件可以設計和剪裁，設計依據為在特定設備中完成特定的任務。嵌入式系統的成本、體積、穩定性、功能和功耗等各不相同，但共性是功能強、實時性好、結構簡單、可靠性高，將其應用在清選裝置的監控系統中，可以完成信息的反饋和處理及自動化控制功能。嵌入式系統的圖像傳感器安裝如圖3所示。

μC/OS-II實時嵌入式系統對鏡頭發送采集圖像指令，圖像信息返回處理器通過嵌入式系統實現采集信息和處理器的雙向通信功能，其過程如圖4所示。

圖3　圖像傳感器安裝

圖4　嵌入式系統框架圖

在系統開發過程中，硬件系統的設計是最重要的。只有設計合理的硬件系統，才能保證系統運行的穩定性。本設計采用單片機MC9S12XS128作為核心控制器，其硬件系統主要包括電源結構、電機控制模塊、速度識別模塊及清選率識別模塊，如圖5所示。

圖5　硬件系統結構框架

構建過程中，首先使用MC9S12XS128單片機的TIM模塊采集清選裝置的清選效率信息，然后對數據進行處理，得到清選率；利用單片機的PWM模塊對電機轉速進行控制，使用光電編碼傳感器對速度進行檢測，使用PID控制系統調整轉速， 提高轉速控制的精度。對嵌入式系統的實時操作軟件系統進行設計時，需要對任務進行劃分，根據系統功能將其劃分為若干任務模塊。當訪問相同指令資源時，將其放在一個任務中，可以避免資源沖突。每個任務作為一個獨立的功能模塊，其主要任務功能模塊主要為6個，如表1所示。

表1　清選裝置任務規劃表

利用μC/OS-II實時嵌入式系統可以對任務調度進行編程控制。利用Task_Star()設定優先級最高的任務，系統執行任務后完成初始化，建立其余5個任務；運行圖像采集任務，其指令為Task_Pictur()；向圖像處理發出信號，其指令為Task_Position()；對轉速和清選效率進行采集，指令為Task_PulseCnt()；利用Task_Steer()和Task_Motor()任務互斥信號Str_mutex反饋速度和清選效率信息，進而對電機轉速進行控制，提高清選裝置的清選效率。

4氣流清選裝置性能測試

利用嵌入式實時系統對微聯合收獲機清選裝置進行改進后，需要對其性能進行測試。為了完成測試實驗，在普通氣流式清選裝置上搭載了嵌入式實時系統，測試過程的場景如圖6所示。

圖6　實驗測試樣機實物圖

對改進后的氣流清選裝置的測試主要包括分選裝置莖稈速度測試和秸稈清潔率與籽粒損失率的測試。其中，莖稈分選速度的測試曲線如圖7所示。由圖7可以看出：改進后的清選裝置莖稈的速度運動較快，可以以更高的速度排出分離裝置，有效地提高了分選效率。

圖7　分選裝置莖稈速度測試曲線

根據國家聯合收割機的設計標準，需要對籽粒的清潔率和損失率進行測試和計算。假設籽粒箱的總體質量為w1，分離后籽粒的凈質量為w2，分離出破損小麥的凈質量為w3，則籽粒清潔率的計算公式為

(11)

清選損失率的計算公式可以寫成

(12)

根據清選裝置清潔率和損失率的計算公式，對本次改進后的聯合收獲機清選裝置的清選性能進行了測試，通過8次測試得到了如表2所示的結果。

表2　實驗測試結果

由表2可以看出：在6次實驗測試中，籽粒的清潔率都超過了99%，而籽粒的損失率均小于0.2%。根據國家聯合收割機清選裝置的標準要求，聯合收割機的籽粒清選率需要在98%以上，而籽粒的損失率需要小于1.5%，因此本次設計的清選裝置符合國家高精度聯合收割機的設計標準。

5結論

1)為了適應山區和丘陵地帶的收割作業需求，對微型聯合收割機的籽粒清選裝置進行了改進，并針對籽粒損失和風力不足造成阻塞等問題，設計了一種具有反饋調節能力的新型籽粒清選裝置，有效地提高了收割機的作業效率和作業質量。

2)為了實現籽粒清選裝置的自動化反饋控制，將嵌入式嵌入式單片機和μC/OS-II實時操作系統應用到了裝置的設計中，并將μC/OS-II實時系統在MC9S12XS128 單片機上進行了移植，取得了良好的效果。

3)對改進后的聯合收獲機籽粒清選裝置進行測試，測試項目包括自動控制反饋調節能力和谷物籽粒的分離效果。由測試結果可以看出：籽粒的清潔率超過了99%，籽粒的損失率均小于0.2%，達到了高精度聯合收割機的設計標準。

參考文獻：

[1]李洪昌,李耀明,唐忠.風篩式清洗裝置清選性能試驗研究[J].中國農機化,2010(6):54-57.

[2]唐忠,李耀明,李洪昌,等.聯合收獲機風篩式清選裝置清選室內渦流試驗[J].農業機械學報,2010,41(12):62-66.

[3]德啟科.使用水稻收獲機械的技術要點分析[J].農業科技與裝備,2012(1):58-59.

[4]尹健,楊寧,王妍.基于結構模塊化的微型山地稻麥聯合收割機設計[J].農機化研究,2011,33(11):106-109.

[5]李銀海,丁啟朔,羅海兵,等.微型聯合收割機氣流式清選裝置的仿真研究[J].農機化研究,2009,31(1):85-88.

[6]王升升,師清翔,倪長安,等.旋風分離清洗系統阻力特性及工況的試驗研究[J].河南科技大學學報:自然科學版,2011,32(4):53-56.

[7]倪長安,張利娟,劉師多,等.無導向片旋風分離清選系統的試驗分析[J].農業工程學報,2008,24(8):135-138.

[8]王繼剛,鄭緯民,鐘衛東,等.基于Linux的混合實時操作系統[J].清華大學學報:自然科學版,2009,49(7):1028-1031.

[9]胡曙輝,陳健.幾種嵌入式實時操作系統的分析與比較[J].單片機與嵌入式系統應用,2007(5):5-8.

[10]屈文新,樊曉椏.基于嵌入式微處理器的VxWorks系統移植[J].計算機應用研究,2007,24(6):262-264.

[11]葛建新.UC/OS-Ⅱ于MCS-51單片機的移植分析與研究[J].中國西部科技,2009,8(9):33-34.

[12]馮澤東,邵貝貝.用協處理器提高μC/OS-Ⅱ的實時性[J].單片機與嵌入式系統應用,2008(4):18-21.

[13]王雷,曾潔,陳少華,等.S12XD系列中XGATE協處理器的原理及應用[J].單片機與嵌入式系統應用,2008(2):42-44.

[14]許敬淑,傅華明.基于OV6630圖像傳感器和DSP的圖像采集系統設計[J].電子元器件應用,2008,10(1):30-35.

[15]崔業梅.基于嵌入式系統的圖像采集系統[J].長沙航空職業技術學院學報,2011,11(1):60-62.

[16]劉偉.基于MC9S12XS128微控制器的智能車硬件設計[J].電子設計工程,2010,18(1):102-103.

[17]徐桂芝.光電編碼器實現小車測速探討[J].現代商貿工業,2011(4):281.

[18]劉紅蕾,張鍵洋,郝寧,等.基于μC/OS-Ⅱ系統的智能尋跡模型車的設計與實現[J].現代電子技術,2009(20):23-25.

[19]王肖,徐友春,彭永勝,等.基于μC/OS-Ⅱ的智能車自動控制方案設計[J].軍事交通學院學報，2009,11(2):57-60.

[20]顧峰瑋,胡志超,王海鷗,等.鴨嘴滾輪式花生播種器設計與運動軌跡[J].中國農機化,2010(4):60-63.

[21]劉仕昌,陳鵬,徐平.小型畜力花生播種機的設計[J].中國農機化,2013,34(2):70-72.

[22]呂小蓮,劉敏基,王海鷗,等.花生膜上播種技術及其設備研發進展[J].中國農機化,2012(1):89-92.

[23]李國林,宋煒,毛俐,等.國內外幾種主要排種器的特點[J].農業科技與裝備,2011(8):70-73.

[24]何波,李成華,張家峰.傾斜圓盤勺式精密排種器充種過程的種子運動分析[J].沈陽農業大學學報, 2009,40(2):234-236.

[25]徐祝欣,田立忠,尚書旗,等.2BFD-4型花生覆膜播種機的設計與試驗[J].農業工程學報,2012,28(S2):13-17.

[26]曹玉寶.液壓傳動技術在聯合收割機中的應用[J].拖拉機與農用運輸車,2008(4):4-5.

[27]孫勇,王慶和,李文哲.新型履帶聯合收割機雙流傳動系統設計[J].現代化農業,2008(1):39-40.

[28]薛天茂.液壓無級底盤在梳穗式聯合收割機上的應用[J].福建農機,2009(4):30-31.

[29]郝金魁,張西群,齊新,等.工廠化育苗技術現狀與發展對策[J].江蘇農業科學,2012,40(1):349-351.

[30]羅昕,胡斌,黃力爍.氣吸式穴盤育苗精量播種機的設計與試驗[J].農機化研究,2010,32(11):130-132,140.

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

中圖分類號：S225；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0096-05

作者簡介：邱林(1983-)，女，廣西河池人，講師，碩士。通訊作者：李榮輝(1979-)，男，廣西武鳴人，高級工程師，博士，(E-mail)qlandlrh2015@sina.com。

基金項目：廣西高?？蒲许椖?201204LX621)

收稿日期：2015-08-29