丘陵山地小型稻麥聯合收割機轉速控制系統研制

張　韻，鮑向東，劉錫勇，許　敏

(貴州省山地農業機械研究所，貴州　550007)

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丘陵山地小型稻麥聯合收割機轉速控制系統研制

張韻，鮑向東，劉錫勇，許敏

(貴州省山地農業機械研究所，貴州550007)

摘要：轉速控制系統是機械設備運轉的主控單元，也是稻麥聯合收割機的核心構成部分，設計智能型轉速控制系統是增強設備性能的關鍵。為此，以單片機AT89C51作為控制器，對機械轉速控制系統進行了設計，研發了一種新型轉速控制模塊，旨在實現稻麥聯合收割機自動化控制。

關鍵詞：稻麥聯合收割機；轉速控制；PLC；丘陵山地

0引言

我國丘陵山地環境特殊，地質環境分布不均衡，影響了農業機械設備的正常運行。小型稻麥聯合收割機是現代農業機械化的主要設備之一，對其結構進行優化設計，不僅降低了農田收割作業難度，而且全面提升了機械生產自動化水平。轉速控制系統是機械設備的核心，利用PLC對稻麥聯合收割機轉速進行控制，可以實現“節能、安全、高效”等一體化收割生產模式。

1單片機控制系統

基于PLC技術設計系轉速控制系統，實現了人機設備平臺的一體化建設，為各種機電設備建立了虛擬化空間平臺。鑒于PLC技術應用優勢，轉速控制系統設計要考慮機械結構與電器結構的分布要求，對轉速控制系統升級改造提供科學的技術方案。此外，創建轉速控制系統后期需注意維護與管理，及時檢查系統程序與功能是否處于正常狀態，及時采取有效措施進行改造處理。這些對于我國電機技術發展有著重要意義，可帶動其它工業技術的革新進步。

2AT89C51性能及片內閃爍存儲器

此次研究經過多方考察及性能實驗，最終決定選擇AT89C51單片機與稻麥聯合收割機組建系統，是由于AT89C51單片機自身具備的功能滿足直流電機轉速控制系統的需要。

2.1　AT89C51的主要性能

AT89C51單片機作為一種全新的可編程控制器產品，在使用過程中能發揮出多個方面的作用，可對直流電機的轉速控制系統實現嚴格的操作控制，促進整體工作運行效率的提升。此控制系統包括控制器、放大器、被控制對象電動機及測量元件，如圖1所示。控制器由AT89C51單片機及其接口電路實現，單片機的輸出信號是數字信號，要想能夠驅動電動機必須要用D/A轉換器把數字信號轉換為模擬信號，測量元件采用霍爾開關式傳感器。

圖1　系統結構原理圖

對稻麥聯合收割機電機進行調速，要對電動機電樞回路電壓進行調速，改變施加于電機兩端的電壓大小，使電機以某一速度恒速旋轉。此次轉速控制系統設計選擇的是簡單的比例調節器算法，能夠對所設計系統進行調整控制，及時收集信息數據，以對相關系統結構加以修改調整。

2.2　片內閃爍存儲器

片內閃爍存儲器可實現數據一體化控制，為稻麥聯合收割機操控提供了多功能平臺，滿足了收割機械設備的自動化控制要求。隨著制造技術快速發展，E2PROM功能結構也在不斷調整，多種產品可形成相對穩固的控制模式，如表1所示。

目前，美國ATMEL公司生產的帶有片內閃爍存儲器的AT89C51/89C52/89C55單片機，由于價格便宜，且與MCS-51系列兼容，受到了我國廣大工程技術人員的歡迎。使用該系列單片機，省去了外擴存儲器的工作，只需了解片內閃爍存儲器的特性及如何對其編程即可。

表1　幾種典型E2PROM芯片的主性能

2.3　D/A轉換器及其與AT89C51單片機的連接

轉換器的功能是為了將稻麥聯合收割機不同的數據信號進行轉換，把某一類形式的信號轉變成其它類型的數據進行使用，轉換器實際上就是信號轉換裝置。對于直流電機轉速控制系統的設計，需要在自動化儀表設備和自動控制系統中把一種信號轉換成另一種與標準量或參考量比較后的信號，以便對各種信息數據的控制。此控制系統用于驅動直流電機的模擬信號，選用DAC0832轉換器來完成。

3系統的軟件設計

PLC技術是計算機操作系統實用性技術之一，借助PLC平臺可實現多種信息處理要求，滿足了收割機網絡化操作平臺使用標準。基于PLC技術設計轉速控制系統，可為稻麥聯合收割機操作收割機建立廣泛的交流平臺，進而加快了轉速控制調配要求。例如，建立子系統模塊編成子程序，以便主程序調用。本控制系統模塊子程序包括鍵值讀入子程序、顯示子程序、T0中斷控制子程序及外部中斷0子程序。

3.1　系統主程序流程圖

控制系統主程序主要完成一些初始狀態的設置、等待按鍵的輸入、調用鍵值讀入子程序、調用顯示子程序及向ADC0832輸出數據等，用于驅動直流電機，完成直流電機控制系統的整個功能。主程序流程如圖2所示。

3.2　讀鍵值子程序流程圖

讀鍵值子程序可以根據收割機運轉方向進行控制，實現了收割機數字化控制要求，滿足整體機械設備的操控要求，工作過程如圖3所示。

1)在鍵盤掃描子程序中，首先判斷鍵盤上有無鍵按下。其方法為：P1.4～P1.7輸出全為0，讀P1.0～P1.3的狀態。若P1.0～P1.3為全1，則說明鍵盤無鍵按下；若不全為1，則說明鍵盤可能有按下。

2)借助數字軟件持續運行10s；消除按鍵抖動情況，確實有鍵按下時，進行下一步。

3)求按下鍵的鍵號。用掃描法，逐列置0掃描，讀入行線的狀態，確定行值，再確定列值，從而確定鍵碼。

4)保存鍵碼。

3.3　顯示子程序流程圖

本次稻麥聯合收割機控制系統顯示部分采用4位LED顯示器，前兩位用于顯示設定的電機轉速值，后兩位用于顯示測得的電機轉速值。LED顯示器有兩種顯示方式，包括表態靜態顯示與動態顯示。一是靜態顯示，一般片內I/O口不足供應，需要在片外擴充；適用于需要較少位數的場合；二是動態顯示；輸出口線少，占用的資源少。本控制系統采用動態顯示方式，其程序流程如圖4所示。

圖2　系統主程序流程圖

圖3　鍵值讀入子程序流程圖

圖4　顯示子程序流程圖

3.4　T0中斷控制子程序流程圖

T0用于定時器，用于定時采集電機的轉速信號，并根據采集信號與給定信號進行比較，從而確定CPU向ADC0832輸出的信號值大小，以便于CPU實時輸出控制信號，控制電機的轉速。T0工作于方式1，其子程序流程如圖5所示。

圖5　T0中斷定時控制子程序流程圖

3.5　外部中斷0中斷子程序流程圖

外部中斷0(即P3.2引腳)接霍爾開關傳感器的輸出引腳，用于把器傳感采集的脈沖信號輸入到單片機中的接口。所以，外部中斷0子程序的功能就是把相關的計數脈沖緩沖器加1，如圖6所示。

圖6　外部中斷0服務子程序程序流程圖

4稻麥聯合機轉速控制實現方法

轉速控制系統為稻麥聯合收割機提供多樣式控制平臺，為農業生產操控提供不同的功能。隨著互聯網普及化發展，轉速控制功能受到了廣泛認可，設計符合收割機需求的轉速控制平臺是不可缺少的。PLC技術憑借其獨特的功能優勢，為轉速控制系統設計提供諸多便捷，可從系統結構與操控平臺等雙方面建立數據庫體系。例如，PLC單片機運用于直流電機控制后，按照稻麥聯合收割機控制要求進行調整，構建了適合PLC操控的運行模式，如圖7所示。

圖7　直流電動機模型

4.1　直流電機的結構

直流電機自動化是人機交流的主要工具，PLC智能系統必須配備專用語言系統，根據人工語音輸出提供語言信號轉換模式，快速地掌握微型微機服務器功能定位型號，向稻麥聯合收割機傳送有效的語言指令。例如，智能數據庫可利用語音識別技術對稻麥聯合收割機身份進行驗證，及時掃描識別不同稻麥聯合收割機的身份。圖8、圖9分別為直流電機的結構示意圖和剖面圖。其收割機內部的定子、轉子等結構部分均實現了電機系統的多功能控制。

圖8　直流電機結構示意圖

圖9　直流電機的結構剖面圖

4.2　稻麥聯合收割機的調速特性

4.2.1改變串借電阻

基于PLC數據庫設計調度平臺，對稻麥聯合收割機結構操控、機械運轉及數字調配等實施一體化控制，實現了收割機生產與管理調度的統籌化。電阻在直流轉速控制中具有重要作用，借助電阻平臺實現了轉速自動化調節，滿足了不同級別電流供輸操作要求。丘陵山地小型稻麥聯合收割機控制中，利用電阻調節可降低線路耗損率，為稻麥收割操作提供更具穩定性的操控平臺。例如，在PLC控制下，鏈耙輸送器工作可靠，輸送能力較強，只要谷物被耙桿抓取，就能被強制輸送，如圖10所示。

1.輸送槽　2.輸送鏈輪　3.被動一軸

4.2.2供電電壓

現階段，丘陵山地推廣稻麥聯合收割機具有可行性，農業機械化生產建立穩定的平臺，加快了機電系統操控的技術性要求。基于PLC設計轉速控制系統，主要是對供電電源結構進行調整，通過改變電壓高低形式實現轉速控制的自動化調控。本設計方案里，通過電壓調試方式形成穩定的供輸模式，改變了電壓不均衡狀態造成的不利影響。例如，“三角履帶行走裝置”操控平臺為稻麥聯合收割機建立了多樣式平臺，如圖11所示。其中，橡膠三角履帶首次應用在“微型聯合收割機”上，既可在旱田又可在水田和爛泥田收割作業；驅動輪、承重輪和張緊輪采用高強度尼龍一次成型。

1.特制橡膠履帶　2.驅動輪　3.行走裝置支架

4.2.3改變電機速度

PLC技術是行業發展的“風向標”，憑借數據庫強大的數據處理功能，稻麥聯合收割機操控與管理模式實現了優化升級。我國丘陵山區地質環境特殊，稻麥聯合收割機運行面臨諸多難度，基于PLC技術促使生產模式升級，利用先進技術輔助自動化生產流程，幫助收割機解決了傳統生產流程的不足，可實現產品價值的最大化，成為一個行業創新改革的根本舉措。在稻麥聯合收割機“分離、清選、輸糧、排渣”等結構一體化設計中，集分離、清選、輸糧、排渣部分設計為一體，使結構小巧、緊湊；采用機械和氣流雙重排草，保證排草順暢，提高了機器可靠性，如圖12所示。

4.2.4改變磁通狀態

稻麥聯合收割機電機控制系統中，利用改變磁通方式體現出轉速控制的優勢，幫助操控者實現自主化調控。

1.出糧口　2.接插板　3.接插槽　4.隔離板

5結論

山地丘陵地質環境特殊，增加了農業生產作業難度，對稻麥聯合收割機進行設計改造，提升電機轉速控制系統具有可行性與實踐性意義。AT89C51是機械自動化常用控制器，將其設定于稻麥聯合收割機可提升設備作業效率，通過改變電阻、電壓、速度等方式，實現了轉速控制智能化調節，進而滿足了聯合收割機多功能運行需求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0107-EA

Development of the Speed Control System of Small

Rice and Wheat Combine Harvester Zhang Yun, Bao Xiangdong, Liu Xiyong, Xu Min

(Guizhou Institute of Mountain Agricultural Machinery, Guizhou 550007, China)

Abstract：the speed control system is the main control unit of the mechanical equipment operation, but also the core component of the rice and wheat combine, design intelligent speed control system is the key to enhance the performance of the equipment. In this paper, the single chip microcomputer AT89C51 as the controller, the mechanical speed control system design, research and development of a new type of speed control module, so as to realize the rice and wheat combine automatic control.

Key words：rice and wheat combine; speed control; PLC; hill country

中圖分類號：S225.3；S126

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0107-05

作者簡介：張韻(1963-),女,江西玉山人，工程師，(E-mail)1054242499@qq.com。通訊作者：鮑向東(1963-)，男，上海人，研究員，(E-mail)2229577933@qq.com。

基金項目：貴州省科技廳項目(黔科合NY【2013】3058號)

收稿日期：2015-11-05