聯合收割機多路智能轉速報警器的研制

劉春旭　單愛軍　蘆磊

摘 要：聯合收割機在作業時經常由于喂入量的變化、作物含水量的不同以及篩板間隙調整不當等諸多原因造成發動機、軸流滾筒等關鍵工作部件的轉速低于正常數值，如果不能及時發現并采取相應措施，就會造成物料堵塞或其它機械故障，影響收割作業的正常進行。因此設計一款以單片機為核心的智能監視報警裝置，可以對多達8路的轉速信號進行監測，配備了行進速度、電瓶電壓、機油壓力狀態檢測等實用功能，同時根據用戶的使用習慣對控制軟件的智能化程度進行了優化設計。

關鍵詞：聯合收割機;轉速;報警器;智能

中圖分類號：S225文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.013

0 引言

聯合收割機是農業機械中結構最為復雜、科技含量較高、制造工藝水平要求很嚴的產品，而正是由于其結構非常復雜，在使用過程中經常由于各種外部原因或調整、操作不當，造成各種各樣的故障。其中以滾筒堵塞故障最為常見，其故障原因主要有作物太濕、太密，雜草多，行走速度過快，脫粒間隙小，滾筒轉速低，傳動皮帶打滑，發動機輸出功率不足，逐稿輪和逐稿器打滑不轉等。

為了減少上述故障對作業的影響，就需要對幾個關鍵運轉部件的轉速進行監測，一旦某一路或幾路轉速低于預先設定的報警閾值時，立刻發出報警提示，駕駛員可以根據具體情況采取減慢車速、加大油門或停車檢查等不同措施。

本文對一種能夠實現上述功能的聯合收割機多路智能轉速報警器的硬件設計進行了詳細介紹，同時對控制軟件的主要功能模塊以及智能化優化設計進行了簡要說明。

1 硬件結構設計

1.1 轉速傳感器的選用

轉速傳感器選用LJ2A3-2-Z/BX接近開關，NPN常開信號輸出、檢測距離2 mm，供電電壓為直流6～36 V。這種傳感器具有性能可靠、便于安裝和調整、抗干擾性強、能耐受灰塵、適用范圍廣以及價格低廉等優點，非常適用于本產品的應用場合。

1.2 顯示終端

為了降低制造成本，顯示終端采用液晶屏結合PCB背板的設計方案。同時在PCB外露面采用環氧樹脂封裝固化，以避免電路板過孔以及電子元件管腳裸露可能引起的短路問題，同時也可以避免用戶私拆本產品。

同樣出于成本考慮，液晶屏選用了武漢中顯公司的SDWe043T04T，其主要性能參數如表所示。

PCB背板的厚度為2.0 mm，以提高產品外殼的機械強度。在PCB上集成了STC12C5A60S2單片機作為終端的控制核心。該單片機是STC生產的單時鐘/機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾，且指令代碼完全兼容傳統的新一代8051單片機，但運行速度快8～12倍。其主要技術參數如下：

（1） 工作電壓：3.5～5.5 V;

（2） 工作頻率范圍：0～35 MHz;

（3） 用戶應用程序空間：60 KB;

（4） 片上RAM容量：1280 B;

（5） 通用端口數量：44個;

（6） 具有EEPROM功能;

（7） 具有看門狗功能;

（8） 集成外部掉電檢測電路。

環氧樹脂選用水晶滴膠，先將A組份和B組份膠按比例混合，再按0.5%比例（重量比）加入黑色色膏進行攪拌，可以起到遮蓋電路板走線、過孔以及電子元件管腳的目的。然后在水平放置狀態下進行涂裝，經過24 h固化后即可。完成封裝的顯示終端如圖所示。

1.3 附加功能

為了滿足作業要求，除了轉速檢測以外，顯示終端還需要增加以下的功能。

（1） 行進速度（距離）檢測。該功能是通過檢測與驅動輪存在固定傳動比例關系的傳動軸的轉速，再結合驅動輪的外徑計算得出的。由于機型的不同，需要用戶設置正確的“計米比例”參數。

（2） 糧倉倉滿狀態檢測。該功能是通過紅外對射式傳感器實現的，傳感器安裝在糧倉頂部，當糧食達到預定存量后，紅外傳感器的接收端被遮擋，從而發出“糧倉倉滿”信號。

（3） 機油壓力狀態檢測。該功能是通過機油壓力開關實現的，屬于開關量信號輸入，為了防止外界干擾信號串入單片機系統，采用TLP521光電耦合器進行了光電隔離。

（4） 電瓶電壓檢測（12 V/24 V機型通用）。該功能是通過STC12C5A60S2單片機片內集成的A/D轉換功能實現的。由于電瓶電壓最高可達28 V左右，因此采用了電阻分壓電路，同時并接5.1 V穩壓管進行保護。

2 軟件設計

2.1 主要軟件功能模塊

（1） 主輔參數分時顯示模塊。由于顯示區域有限，因而采用輪流顯示的方式。

（2） 參數設置模塊。針對不同的機型，可以設置不同的報警閾值。

（3） 發動機功率狀態顯示模塊。根據發動機當前轉速與設定報警閾值的比值計算并顯示。

（4） 用戶信息注冊模塊。每一個終端對應唯一的注冊碼，為產品的售后工作提供了技術保障。

2.2 軟件智能化的優化設計

用戶調查表明，機手對此類報警器產品反響最大的兩個缺陷分別是“誤報警”和“參數設置繁瑣”。針對上述問題，對控制軟件的智能化程度進行了優化設計。

（1） “作業狀態”自動識別功能。當所有參與作業的任意一個部件的轉速進入正常范圍后，即判定機器進入“作業狀態”，此后如果任意一個作業部件的轉速低于設定的報警閾值，就會發出報警提示。

（2） 發動機狀態識別功能。該功能可以根據發動機轉速的不同，區分為“高速”和“低速”兩種狀態。在“高速”狀態時，當任意一個作業部件的轉速低于設定的報警閾值時，就會發出報警;而在“低速”狀態時，只要作業部件的轉速不為零，就不會發出報警。這一功能完美地解決了同類產品普遍存在的“收油門誤報警”的技術難題。

（3） “一鍵設置”功能。當機器處于正常作業狀態時，機手可以通過一次按鍵操作就能完成所有的參數設置，且具有數據掉電保護功能，設置參數不會丟失。其控制邏輯是將正常工況下各個被監測轉速的數值進行記錄，此后如果轉速低于該數值的若干比值（可設定），即判定為故障。該功能極大地減少了機手在參數設定時的工作量，同時也避免了“參數錯誤輸入”的現象。由于合理的參數是隨著作物種類、不同地塊、環境濕度、作物含水量不同而變化的，在使用過程中要求用戶隨時逐個調整參數設定是十分繁瑣且不合理的，而該功能很好地解決了這個問題。

3 結論

由于上述報警器在設計時充分考慮了用戶的實際使用要求，將單片機的可編程和智能化的特性加以充分利用，從而使產品具備了技術先進、功能實用、物美價廉等諸多優點。經過近3年的實際應用和多輪的技術改進，現已小批量試銷數百臺，得到了用戶的一致好評。

參考文獻：

[1] 孟鵬祥，耿端陽，李玉環，等.基于單片機與DGUS顯示的精密播種機監測系統研究[J].農機化研究，2017（2）：171-175.

[2] 劉春旭，趙德春，單愛軍.紅外反射式播種機電子監測裝置的設計[J].農機化研究，2010（6）：117-120.

[3] 劉春旭.智能播種監視系統的研制及產品化設計[J]. 農機化研究，2012（8）：69-72.