采棉機輸棉管道內火花檢測系統的研制

苗中華 魏成雷

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

采棉機輸棉管道內火花檢測系統的研制

苗中華 魏成雷

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

以大型采棉機火災預警研發為背景，開發了一種多輸棉管道內微弱火花快速無漏檢測的方法。采用一款進口PIN光電二極管作為微弱火花感應器，結合解碼芯片MC145027的特殊解碼原理，實現了硬件電路和應用程序設計，并在4MZ-5大型采棉機上完成了安裝與測試試驗。試驗表明，該系統具有檢測靈敏度高、響應速度快、可維護性強等優點，有助于大型農機裝備自動化水平的提高。

采棉機 火花檢測 火災預警 解碼芯片 位置識別 無漏檢測 智能化 自動化 光電二極管

0 引言

隨著我國農業機械化水平的提高，采棉機作為一種大型棉花收割裝備，已在我國多地被推廣使用。近年來，采棉機在收割過程中發生火災事故的次數逐年上升，由此導致的經濟損失不可估量。因此，開發一套能夠應用于采棉機的火災預警系統已成為采棉機智能化裝備研究領域急需解決的問題之一。

本文在查閱文獻資料和現場調研的基礎上[1-3]，將光電檢測技術和嵌入式微控制器技術相結合，設計了一套具有檢測效率高、穩定性好、成本低等優點的預警系統。該預警系統已在4MZ-5大型采棉機上完成了安裝和調試，經長時間的測試使用，達到了設計要求。該設計方案的可行性也得到了驗證。

1 系統架構

系統采用三線主從式結構[4]，即整個微弱火花檢測系統包括兩個部分：監視器和探頭裝置。監視器和所有探頭之間采用三線制連接，各探頭之間可選擇并聯、串聯兩種連接方式。

整個系統工作原理為：主機(1號監視器)首先發出1號探頭的地址編碼序列，所有探頭對接收到的編碼序列進行解碼匹配。如果1號探頭匹配成功(其他探頭匹配失敗)，則1號探頭回送主機一個信號編碼序列，該序列包括主機地址編碼序列以及有無火花信號的數據信息；如果1號探頭匹配不成功(假定某種情形下)，等待主機第二次發送1號探頭的地址編碼序列，直至匹配成功(若發送次數超過設定值，仍然無法匹配成功，則該探頭進入故障1處理模式)。接著，主機發送2號探頭序列，依次類推，直至遍歷完所有探頭(若所有探頭檢測均進入故障1處理模式，則系統進入故障處理2模式)，再開啟下一輪檢測。故障處理1和故障處理2兩種模式的設計，能夠方便客戶及時維修或更換發生故障的監視器和探頭，提高系統的安全性。

2 檢測原理

近年來，光電檢測技術已廣泛應用于軍事、工業、農業等諸多領域。其以遠距離、非接觸、快速性、高靈敏度的檢測和傳輸特點，受到越來越多研發者的關注。本設計采用國外進口的一款PIN光二極管作為微弱火花感應器[5]，且經過廠家特殊的工藝處理，對火花發出的特定光波段范圍具有很高的靈敏度。該火花感應器是一種電流型傳感器，光強越強，產生的光電流越大；在黑暗條件下，暗電流非常小，一般只有幾微安[6]。

該感應器具有一般光電二極管的共性，可在光伏模式和光導模式下工作[7]。光伏模式是在零偏壓下工作，電流和光強滿足線性關系；光導模式是在反偏壓下工作，其優點是切換速度比較高，但是缺點也很明顯，光強度和光電流不滿足線性關系。而本次設計需要較高精度，故選擇在光伏模式下工作。該感應器采集到的信號非常微弱，而且夾雜外界的大部分噪聲。系統采用三級信號處理電路，依次通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路，最終輸出幅度合適、并已濾除噪聲的待檢測信號。

在現場環境下，經過實際電路測試發現，感應器的暗電流值仍較大，即在正常條件下實際輸出電壓值仍較大，達到0.4 V左右，這在一定程度上縮短了探測距離。為此，設計了雙通道檢測電路[8]和差分放大電路。經波形整形以及電平轉換電路，在有火花的時候，最終輸出一個高電平信號。另外，本方案設計的雙通道檢測電路，大大增加了探測距離，降低了傳感器本身的誤差。

3 研究重點

3.1 位置識別

MC145027通常用作解碼器[9]，具有4位數據輸出和5位地址編碼，根據其地址的不同組合，可以產生243種不同的地址編碼。通過芯片引腳的配置，便可為每個輸棉管道設定一個唯一的位置編碼。系統采用了五位一體的撥碼開關，便于用戶根據實際需要任意設定探頭位置編號，提高了系統的靈活性。探頭編碼電路如圖1所示。

Fig.1 Probe encoding circuit

位置編碼分為主機編碼和探頭編碼，主機編碼設定為固定值“00000”，各探頭編碼由撥碼開關進行設定。本設計用到6個探頭，探頭地址編碼對應表如表1所示。

表1 探頭地址編碼對應表Tab.1 Correspondence of probe address encoding

3.2 信息加載

通過以上分析可知，MC145027解碼芯片數據流中既包含了各探頭的地址編碼序列(A1～A5)，又包含了數據信息序列(D6～D9)，可以根據用戶的實際需要進行數據位寬度、數據位的選擇。

本設計只需要一位數據位即可：“0”表示沒有火花存在；“1”表示有火花的存在。本設計選取D6位作為數據位，例如當主機接收數據流序列為“XXXXX0XXX”時，表示某一個探頭未檢測到火花；反之，當傳輸數據流序列為“XXXXX1XXX”時，表示某一個探頭檢測到火花(其中，“X”代表不確定值0或1)。

3.3 無漏檢測

采棉機輸棉管道模型的建立和分析是系統研制的一個重要環節。經現場調研發現，每個采棉機輸棉管道的橫截面均為一個邊長為22.5cm的正方形。探頭安裝位置選擇4個側壁中的某一個，管道簡化圖如圖2所示。

圖2 管道簡化圖

Fig.2 Simplified diagram of the pipeline

由于受所選擇的火花探測傳感器本身的設計影響，其感光面和外殼的存在影響了傳感器的額探測視角范圍。

當探測視角擴展到60°時，探測靈敏度接近數值0。結合輸棉管道的結構可知，在管道內部存在如圖2所示的兩處盲區。如果不對這一情況進行處理，當有火星的棉花經過該區域時，探頭是檢測不到的，無遺漏檢測也就更無從談起。此外，本情況下的探測距離經實際測試，最大也只有21 cm左右，無法滿足設計要求。在風速35 m/s、火花直徑0.3 cm的條件下，探測距離與檢測率試驗結果統計如表2所示。

表2 探測距離-檢測率試驗結果統計表Tab.2 Statistics of experimental results of detection range - detection rate

綜合考慮以上幾個問題，本設計選擇了對射式安裝工藝，如圖3所示。

圖3 安裝示意圖

Fig.3 Schematic diagram of the opposite-type installation

該設計有兩方面優勢。一方面，解決了兩個盲區存在的問題，其實際上是將輸棉管道空間劃分為上下(或左右)兩個空間，分別對兩個空間進行分時檢測。另一方面，延伸了探測距離，極大地提高了靈敏度，探距-風速-火花直徑-檢測率試驗統計表如表3所示。

4 軟件設計

系統的可靠運行還需要相應的軟件設計。軟件設計不僅能保證系統的可靠運行，而且能夠彌補硬件上的不足。由于本設計采用輪詢機制，主機只能在同一時刻對某一個探頭進行數據交互。在這段時間內，如果其他某一通道有火花存在，則可能造成對數據信息的漏測，對于本系統來說，這是致命的，故需要在軟件中進行相應的設計。

表3 探距-風速-火花直徑-檢測率試驗統計表Tab.3 Experimental statistics of exploration distance-wind velocity-spark diameter-detection rate

軟件設計包括主機軟件設計以及從機(探頭)軟件設計兩個部分[10]。相對而言，探頭的軟件設計較為簡單，主要負責完成數據采集、向主機發回送數據編碼序列兩個功能。而主機要完成對所有探頭的循環掃描、數碼管顯示、報警處理等功能。主機工作流程如圖4所示，從機(探頭)工作流程如圖5所示。

圖4 主機軟件流程圖

Fig.4 Flowchart of mainframe software

圖5 從機軟件流程圖

Fig.5 Flowchart of the slave software

5 結束語

本文以采棉機輸棉管道內微弱火花檢測為背景，提出了一套火災預警裝置設計方案。經過大量查閱資料，針對棉花火星發出的特定波段范圍光線，選取了一款國外進口的PIN光電二極管作為探測器。綜合考慮各方面因素，設計了符合要求的硬件電路，并完成了電

路仿真、軟件設計、制版加工。現場調試表明，該設計可實現預期功能，滿足現場需要。

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[10]李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社,2008.

Research and Development of the Spark Detection inside Cotton Transmission Pipeline of Cotton Picker

With R&D of fire early warning for large cotton picker as the background,a fast speed no-leakage detection method for weak spark inside multiple cotton transmission pipelines is proposed.A kind of imported PIN photodiodes are used as weak spark sensors,and the hardware circuit and software design are completed by combining with the special decoding principle of the decoding chip MC145027,and the test is conducted on 4MZ-5 large cotton picker.The experiments show that this system has the advantages of high detecting sensitivity,fast response speed and strong maintainability,it is useful for improving the automation level of the large farm machinery.

Cotton picker Spark detection Fire warning Decoding chip Location identification No leakage detection Intelligent Automation Photodiode

苗中華(1977—)，男，畢業于上海交通大學電子工程專業，獲博士學位，副教授；主要從事機電裝備智能控制理論及技術的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612013

修改稿收到日期：2016-06-13。