電子信息技術在農業廢棄物高效粉碎機防堵塞中的應用

泰山智能制造產業研究院 吳乃剛

農業廢棄物粉碎機的出現，使秸稈等農廢物變廢為寶，粉碎后的產品經過加壓、增密成型后形成“農廢煤炭”。這項工作農民在田間地頭就能操作，增加收入的同時還保護了環境，環保節能利國利民。

隨著農業廢棄物粉碎機的大量使用，廢棄物的堵塞是最常見的影響效率的問題，一旦發生堵塞，輕則無法工作，重則燒壞電機損壞設備，為了解決這一問題，我們通過研究實驗設計使用了喂入反饋以及主軸轉速反饋相結合的方式，從根本上解決堵塞問題。

秸稈等農業廢棄物通過運料裝置進入料倉后，分批進入粉碎腔，經高速旋轉的動片與外壁相互作用，將物料揉碎，可以選擇經過拋送風葉將揉碎的物料拋送至指定位置或直接從下方的卸料口經運料小車運走。

喂入量反饋裝置工作原理：當喂入筒內物料較少或叉車連續上料（14）超過設定的喂入量后，安裝在料斗下部（7）的稱重傳感器的電測片將感應到的電量變化經處理器隨時上傳智能化控制箱，經運算、判斷，及時發出缺料急需上料或喂入量超重減緩上料的警報。防止缺料降低產量空耗電能或因上料超重造成驅動機構損壞。

其中稱重傳感器選用壓力傳感器，分別安裝在圖1中序號7、8 之間，稱重傳感器輸出0～5V 的電壓信號，數據傳輸至控制箱后，利用AT89C51 與ADC0809 組成的電壓采集系統進行采集計算出平均重量，ADC0809擁有8 路模擬量輸入，并通過3 位地址輸入端進行選擇，輸入數據傳輸至AT89C51，由其進行計算，并按照提前設定的喂入值對電磁閥進行相應的運行，停止或主軸反轉等指令的控制運行。AT89C51 與轉速傳感器控制系統形成閉環調速系統，我們利用PWM 輸出脈寬調制控制原理，控制系統通過控制變頻器逆變電路晶閘管的導通角，從而實現調速，使電動機正常運行。

圖1 喂入反饋裝置

壓力傳感器目前市面上主要有應變式、陶瓷壓力式、擴散硅式和藍寶石式等。考慮到粉碎機工作環境，筆者選擇的是陶瓷壓力傳感器，因為它的外壁是能夠抗腐蝕的陶瓷，它的內部也沒有液體的傳遞，而是壓力直接作用在陶瓷膜片（類似于壓力彈簧片）的上表面，使膜片產生隨重量變化的形變，而厚膜電阻則印刷在陶瓷膜片的背面，成為一個惠斯通電橋，通過壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個隨壓力變化而成正比的線性、同時與激勵電壓也成正比的電壓信號。如圖2 所示。

圖2 稱重傳感器內部線路圖

ADCO8O9 將 0～5V 模擬信號轉換為 00～FF 數字信號并傳送給AT89C51 單片機，由AT89C51 單片機通過放大接收，進行數據存儲及處理，完成對模擬量信號的采集。ADC0809 的時鐘輸入由單片機89C51 提供的地址鎖存控制輸入信號ALE 在經D 觸發器的二分頻后充當。當CPU 訪問外存儲器時，ALE 的輸出就可以作為外部鎖存地址低字節的控制信號來使用；當無訪問時，ALE 端以1/6 的時鐘振蕩頻率固定地輸出正脈沖。本實驗中使用的時鐘頻率為6MHz。那么1/6 的輸出就是1MHz，然后再經二分頻后為500kHz。二者接口電路如圖3 所示。

圖3 ADC0809 與80C51 的接口電路

為了保證防堵效果，筆者還采用了轉速控制。轉速傳感器使用的是霍爾傳感器，它基于霍爾效應，就是當置于磁場中的金屬片通過電流I 時，金屬片兩側會產生霍爾電壓U，該電壓的大小會隨著磁場輕度變化而變化，同時霍爾轉速傳感器對環境要求比較低，最關鍵是低速可以使用，這一點在農機上應用起來比光電式和磁電式都方便。其傳感器如圖4 所示。

圖4 傳感器

霍爾傳感器轉速測量系統一直以簡單高效而被大家普遍使用，它是以單片機AT89C51 為數據處理核心，采用了定時器定時中斷的方法實現計數的，通過對測量數據進行計算得到轉速，并可通過數據來控制電磁閥的通斷。

霍爾傳感器內部電路圖如圖5 所示，分壓電阻是R1 電阻，將傳感器檢測到的磁場中的信息轉化為模擬電壓信號時（AO），檢測到的模擬量信號就會接入由LM393 組成的比較器，在與LM393 比較器芯片所接的分壓電阻分壓后的模擬電壓進行比較，進而得出DO數字信號（高低電平1 或0）。其中的C1、C2 為濾波電容，C1 電容的用處是對對電源進行濾波，為了讓電源輸出更穩定。C2 電容對模擬信號進行濾波，從而保證模擬信號輸出的穩定性。通過這兩處應用，可以有效地減少測量時的誤差，R2、R3 均為串聯在LED 燈線上的限流電阻，來保護LED 燈，防止其燒壞，LED 燈均為低電平亮。R4 的作用是作為上拉電阻，它主要是把不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，相當于一個鉗子，把高出閾值（或設定值）的信號卡在那里，同時它還能起到限流作用。從而保證LM393 比較器輸出的高低電平信號在進入單片機引腳連接時的讀取更加穩定。

圖5 LM393 及引腳圖輸入輸出

這里需要說的是，LM393 是常用的電壓比較器，具有高增益、寬頻帶等特點。

圖6 霍爾傳感器模塊內部電路圖

當轉速突然下降時，中心處理程序會根據稱重傳感器和ADCO8O9 以及AT89C51 對物料的重量進行判斷，決定是否停止物料的輸送，并會通過中心控制向電磁閥下達指令，主軸停止旋轉，并點亮報警器，此時可以選擇人工操作或者不去管它讓其自動運行，當旋鈕選至人工操作時，控制系統自動切斷主電源，僅保留數據采集以及控制系統電源供應，電機、傳動軸保持靜止，防止對操作員造成誤傷。當報警十秒后無操作，系統自動反向旋轉，在反向旋轉相應時間后（實驗設定值10 秒）系統重新開始正向運轉，如果此時繼續堵塞報警，系統會重復上次暫停（這次時間為15 秒），然后正向運轉。當連續兩次暫停后，繼續發生堵塞，系統會根據指令斷電停止運行，僅保留報警蜂鳴器電源持續報警。

圖7

通常物料的堆積問題，不僅是加大對粉碎機的磨損或者燒壞電器元件甚至燒壞電機，更重要的是在實際操作中，許多農戶會直接用工具將物料勾出，甚至直接用手取出，這樣對人身安全有很大隱患，每年都有因粉碎機操作不當受傷的案例。本設備通過電氣控制系統和新型機械結構的結合，利用51 系列單片機的穩定性以及普適性，通過壓力和轉速傳感器的信號采集，充分利用自動控制手段，大大提高了粉碎機的智能化，既解決了堵塞問題，又節省各類人工，從根本上解決因物料堆積產生的一系列問題。