大功率拖拉機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

李愛傳 李琳 王熙

摘要：大功率拖拉機監(jiān)控系統(tǒng)的研究是精準農(nóng)業(yè)技術的重要組成部分。試驗針對黑龍江墾區(qū)應用的大功率拖拉機監(jiān)視系統(tǒng)性能不高的問題，設計以單片機為核心的電子監(jiān)視系統(tǒng)。該設計樣機安裝在黑龍江省某農(nóng)場農(nóng)機隊的大功率拖拉機上試驗，取得了比較滿意的試驗效果。特別適用安裝有液壓全負載換擋變速箱的大功率拖拉機。

關鍵詞：大功率拖拉機；電子監(jiān)視系統(tǒng)；單片機；精準農(nóng)業(yè)

中圖分類號：Ｓ２２４．２１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）15－3178-03

The Design of High-power Tractor Monitoring System

ＬＩ Ａｉ－ｃｈｕａｎａ，ＬＩ Ｌｉｎａ，ＷＡＮＧ Ｘｉｂ

（ａ．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ； ｂ． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｂａｙｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｄａｑｉｎｇ １６３３１９， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ａ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒing ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ８９Ｓ５２ ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Cｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｕｎｉｔ） ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｎ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ． Ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｗａｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ｏｆ ａｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｔｅａｍ， Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ ｐｒｏｖｉｎｃｅ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｉｔ ｗａｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｈｏｒｓｅｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｕｌｌ ｌｏａｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： hｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｔｏｒ； eｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒing ｓｙｓｔｅｍ； ＭＣＵ； pｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ

大功率拖拉機是精準農(nóng)業(yè)技術實施的一個重要機械設備。隨著時代的變遷，大功率拖拉機越來越多地裝備有先進的電子監(jiān)視控制設備，智能監(jiān)視系統(tǒng)是大功率拖拉機電子監(jiān)視設備發(fā)展的必然趨勢［１］。本設計主要針對當前應用的國產(chǎn)大功率拖拉機監(jiān)視系統(tǒng)性能不高，造成排肥量、排種量、收獲量浪費的情況給予及時調(diào)整?？梢詫崿F(xiàn)大功率拖拉機電子監(jiān)視系統(tǒng)的國產(chǎn)化，進而節(jié)省進口這種設備的資金?？蓪崿F(xiàn)對拖拉機的自動檢測，避免發(fā)生事故，減少不必要的經(jīng)濟損失。

１硬件資源配置

１．１監(jiān)視系統(tǒng)的組成

設計的監(jiān)視系統(tǒng)包括冷卻液溫度表、燃油表、發(fā)動機機油壓力表和電壓表，共計４塊數(shù)字儀表。同時可以對變速器油壓、發(fā)動機機油壓力、發(fā)動機冷卻液溫度、離合器溫度、液壓油溫度、空氣濾清器堵塞、變速箱油濾清器堵塞、緊急故障、一般故障設計報警指示燈，共計９個指示燈。為了提高監(jiān)視系統(tǒng)的準確性和可靠性，系統(tǒng)采用最先進的國產(chǎn)傳感器，傳感器完全國產(chǎn)，目的是不過分依賴國外的產(chǎn)品和技術。

１．２監(jiān)視系統(tǒng)主要功能

１）電壓監(jiān)測。當鑰匙開關在ＯＮ（接通）或者ＡＣＣ（輔助裝置）位置時，電壓監(jiān)測儀表指示出蓄電池及發(fā)電機的電壓。當電壓表顯示電壓低于１１．８ Ｖ時，說明電瓶電不足；當電壓表顯示蓄電池電壓為１１．８～１２．６ Ｖ時，說明電瓶存電比較充足。發(fā)動機工作時電壓表指示發(fā)電機的電壓，其電壓為１３．２～１５．５ Ｖ，當電壓表顯示發(fā)電機的電壓高于１５．５ Ｖ或低于１３．２ Ｖ時，應檢查充電電路有無故障［２］。

２）液壓油溫度監(jiān)測。液壓油溫度傳感器安裝在拖拉機全負載換擋變速箱中，當液壓油溫度達到１０２～１０５ ℃時，液壓油溫度報警指示燈及黃色維修指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出警告音響。

３）發(fā)動機冷卻液溫度監(jiān)測。氣缸蓋溫度傳感器位于氣缸蓋左后部的頂端，氣缸溫度傳感器內(nèi)部是一個開關，冷卻液損耗或液面降低使缸蓋溫度增加，溫度達到１２０～１３２ ℃時，傳感器開關閉合使電路搭鐵，此時發(fā)動機處于極熱狀態(tài)，應立即關閉發(fā)動機［１］。

４）離合器溫度監(jiān)測。離合器有兩個液壓油溫傳感器，一個裝在液壓油濾清器安全閥體內(nèi)（四區(qū)段變速器），另一個安裝在離合器殼體的右部，以測試離合器油的溫度。為了防止誤報警，在發(fā)動機啟動大約幾十秒后才能檢查離合器的溫度。

５）發(fā)動機機油壓力監(jiān)測。機油壓力傳感器安裝于氣缸蓋的右側，機油壓力傳感器在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速時，都有不同的機油壓力與其對應。當發(fā)動機機油壓力過低時，機油壓力指示燈和紅色發(fā)動機停車燈亮，蜂鳴器發(fā)聲警告。此時，應立即關閉發(fā)動機。

６）燃油量監(jiān)測。監(jiān)測傳感器采用浮子型液位傳感器。浮子漂浮在燃料油表面上且隨著油的高低而改變位置，進而改變可變電阻器的電阻。

７）變速箱液壓油濾清器阻塞監(jiān)測。應用兩個開關型傳感器來檢測變速箱液壓油濾清器的阻塞情況，當液壓油壓力差達到２７５～３８０ ｋＰａ時，濾清器阻塞指示燈及黃色維修指示燈亮。當壓力差達到５００～６５０ ｋＰａ時，濾清器阻塞指示燈及紅色發(fā)動機停車指示燈亮。

８）變速器油壓監(jiān)測。當發(fā)動機油壓低于一定數(shù)值時，傳感器內(nèi)部開關閉合，變速器油壓報警指示燈和紅色停車指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出音響。

９）空氣濾清器堵塞監(jiān)測。該傳感器位于發(fā)動機進氣管處，為真空開關型［３］，由于空氣中有很多的灰塵和雜質(zhì)，經(jīng)過空氣濾清器過濾后，才能供給發(fā)動機使用，當濾清器堵塞時，傳感器開關閉合。經(jīng)過３ ｓ的延時，空氣濾清器阻塞指示燈及黃色維修指示燈亮，以提示駕駛員要對空氣濾清器進行保養(yǎng)。

１．３監(jiān)視系統(tǒng)的硬件電路

設計有報警指示燈及蜂鳴器驅(qū)動電路、模擬量放大電路、傳感器信號Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路、開關量傳感器信號處理電路、轉(zhuǎn)速信號放大處理電路、看門狗電路、抗干擾電路等［４］。系統(tǒng)有６路模擬量需要Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，即冷卻液溫度、機油壓力、燃油量、工作電壓、離合器溫度、液壓油溫度。設計采用８路８位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片ＡＤＣ０８０９［５］。ＡＤＣ０８０９的工作地址為

＃６８００Ｈ。系統(tǒng)顯示采用四組三位發(fā)光ＬＥＤ數(shù)碼管顯示，采用新型的ＣＭＯＳ集成電路ＭＣ１４４９９，一片ＭＣ１４４９９可以直接驅(qū)動和控制四塊ＬＥＤ八段顯示器，由于其顯示方式為動態(tài)掃描，有消耗功率低、輸入線少等優(yōu)點，很適合監(jiān)視系統(tǒng)使用。報警信號燈驅(qū)動電路采用可編程并行接口電路８１５５，通過達林頓陣列ＵＬＮ２００３驅(qū)動超亮ＬＥＤ發(fā)光二極管。大功率拖拉機單片機監(jiān)視系統(tǒng)電路原理圖如圖１所示。

２系統(tǒng)程序設計

監(jiān)視系統(tǒng)程序設計采用結構化程序設計方法，主要包括如下程序模塊：主程序模塊、系統(tǒng)初始化及自檢程序模塊、模擬通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序模塊、開關量檢測程序模塊、ＬＥＤ數(shù)碼管驅(qū)動程序模塊、ＬＥＤ指示燈驅(qū)動程序模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理及報警判斷程序模塊、發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量程序模塊、定時器中斷服務程序模塊、數(shù)字濾波程序模塊等。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序采用查詢方式。數(shù)字濾波程序采用消除脈沖干擾的去極值平均濾波法。

單片機８９Ｓ５２內(nèi)部ＲＡＭ資源劃分如表１所示。

單片機系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時，會受到各種干擾的影響，如果不相應地采取抗干擾措施，單片機就不能正常工作。系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件電路解決，因此在軟件中必須加入數(shù)字濾波程序。數(shù)字濾波處理的具體思路是：將連續(xù)進行Ｎ次采樣的結果中的最大值和最小值去掉。對剩余的Ｎ－２個采樣結果求算術平均值，用這種方法即可濾去脈沖干擾，又可濾去小的隨機干擾，是一種效果較好的濾波方法，這里我們?nèi)。危剑保?。發(fā)動機機油壓力警告與拖拉機轉(zhuǎn)速有關，采用查表方法，將特定轉(zhuǎn)速下的參考壓力值用ＭＯＶＣ這條指令從外部ＲＯＭ中送入到內(nèi)部ＲＡＭ中。轉(zhuǎn)速與壓力對應關系如表２所示。

３小結

根據(jù)黑龍江墾區(qū)大功率拖拉機項目設計要求，提出監(jiān)視系統(tǒng)研究方案并付諸實施，該設計樣機安裝在黑龍江省某農(nóng)場農(nóng)機隊的大功率拖拉機上試驗，取得了比較滿意的試驗效果。試驗表明該系統(tǒng)技術先進，工作可靠。設計的監(jiān)視系統(tǒng)的主要特點：①監(jiān)視位置多；②可靠性高，成本低，體積??；③抗干擾性能好；④報警靈敏，顯示清楚。特別適用安裝有液壓全負載換擋變速箱的大功率拖拉機。

現(xiàn)研制的監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力較弱，下一步準備將ＡＲＭ系統(tǒng)用做監(jiān)視系統(tǒng)的處理核心單元，數(shù)據(jù)處理能力肯定會極大地改善。運行可靠性和運行速度也會有較大的改觀。

參考文獻：

［１］ 王熙．農(nóng)業(yè)機械電子監(jiān)控技術研究［Ｍ］． 哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，２００５．

［２］ 王熙．汽車·拖拉機·收獲機電器電子設備原理與維修［Ｍ］．哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，２０００．

［３］ 單成祥．傳感器的理論與設計基礎及其應用［Ｍ］．北京：國防工業(yè)出版社，1999．

［４］ 李愛傳，王熙，汪志強，等．電液驅(qū)動式變量施肥閉環(huán)控制系統(tǒng)研究［Ｊ］．中國農(nóng)學通報，２００９，２５（７）：２７２－２７５．

［５］ 李愛傳，汪志強，李琳，等． 電容式糧食水份檢測系統(tǒng)研究［Ｊ］． 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，２００９（２）：１１４－１１６．