半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)設計

吳海東，周洪如，李洪昌

(常州機電職業(yè)技術學院，常州213164)

0 引 言

半喂入式聯(lián)合收割機能夠按序完成谷物的切割、脫粒、分離和清選等作業(yè)，脫粒工序是谷物收割的主要工序之一。夾持輸送裝置是切割部與脫粒部聯(lián)系的中間環(huán)節(jié)，主要完成將切割好的谷物從割臺部送至脫粒部的任務，使谷物的穗端喂入脫粒室。在實際作業(yè)中，夾持輸送裝置能否精確地將谷物穗部完全送入脫粒室，在一定程度上會影響脫粒工序的脫凈率。本文介紹一種基于MSP430F449 單片機的半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測已收割谷物穗端位置，并自動調(diào)整夾持輸送裝置的位置，使進入到脫粒室中的谷物長度(穗端位置)保持在最佳狀態(tài)，以提高脫粒能力。

1 控制系統(tǒng)的構思

半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)由穗端位置信息采集單元、開關信號單元、信息處理單元和執(zhí)行單元等四部分組成。穗端位置信息采集單元主要由穗端傳感器(包括莖根側(cè)傳感器和穗端側(cè)傳感器)構成，開關信號單元由脫粒深淺自動開關、脫粒開關、莖根傳感器和脫粒深淺手動開關組成，信息處理單元由MSP430F449 單片機構成，執(zhí)行單元由脫粒深淺繼電器和直流電動機構成。系統(tǒng)硬件結構圖如圖1 所示。

當半喂入式聯(lián)合收割機處于正常工作狀態(tài)時，脫粒深淺控制系統(tǒng)中的ECU 對穗端傳感器、脫粒深淺自動開關、脫離開關、莖根傳感器、脫粒深淺手動開關等所提供的信號進行處理，而后對脫粒深淺繼電器發(fā)出指令，由脫粒深淺繼電器的工作狀態(tài)控制直流電動機的正(反)轉(zhuǎn)，進而控制夾持輸送裝置(穗端)的合適位置，再由穗端傳感器將夾持輸送裝置的位置反饋給ECU，形成閉環(huán)控制，達到提高收割機的工作效率和脫凈率的目的。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結構圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計與選用

2.1 信息處理單元選用

MSP430F449 單片機具有集成度高、功耗低、功能豐富等MSP430 系列的基本特點，其12 位A/D 轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動掃描特性，片內(nèi)比較器配合其他器件可構成單斜邊A/D 轉(zhuǎn)換器。MSP430F449 單片機中的A/D 轉(zhuǎn)換器可以將穗端位置信息采集單元、開關信號單元的電模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由單片機進行運算和處理，通過單片機的I/O(如RS－232 通訊接口)向深淺控制繼電器發(fā)送相應的控制指令。因此，選用MSP430F449 單片機作為半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)的信息處理單元。

2.2 穗端位置信息采集裝置設計

穗端傳感器包括莖根側(cè)傳感器和穗端側(cè)傳感器，屬于開關型傳感器。它們向信息處理單元(ECU)提供“高電平”或“低電平”開關信號。其結構如圖2 所示。

圖2 信息采集單元

莖根側(cè)傳感器是常閉型開關，用于檢測谷物穗端莖根的位置。當谷物穗端莖根接觸到傳感器，則傳感器內(nèi)部開關處于打開狀態(tài)，它向ECU 提供高電平信號。反之，它向ECU 提供低電平信號。

穗端側(cè)傳感器是常開型開關，用于檢測谷物穗端頂部的位置。當谷物穗端頂部接觸到傳感器，則傳感器內(nèi)部開關處于閉合狀態(tài)，它向ECU 提供低電平信號。反之，它向ECU 提供高電平信號。

2.3 開關信號裝置設計

開關信號單元包括脫粒深淺自動開關、脫粒開關、莖根傳感器(開關)和脫粒深淺手動開關。它們向信息處理單元(ECU)提供“高電平”或“低電平”開關信號。

脫粒深淺自動開關和脫粒開關是常開型開關，當它們處于閉合狀態(tài)時，同時向ECU 輸入低電平信號，作為啟動脫粒深淺自動控制功能的必要條件之一。反之，脫粒深淺控制功能將解除。

莖根傳感器是常開型開關，它設置在穗端傳感器的上游，當有被割下的谷物穗端莖根接觸到傳感器，則傳感器內(nèi)部開關處于閉合狀態(tài)，接通穗端傳感器的“搭鐵”回路，以告知ECU 被割下即將有谷物被脫粒。作為啟動脫粒深淺自動控制功能的必要條件之一。反之，ECU 接收不到穗端傳感器的信號，脫粒深淺控制功能將解除。

脫粒深淺手動開關是雙擲式開關，通?；顒佑|臂處于中間位置，當用手撥動活動觸臂時，會接通左右兩側(cè)電路，分別向ECU 提供低電平信號，作為啟動脫粒深淺手動控制功能的充要條件。

2.4 脫粒深淺繼電器設計

脫粒深淺繼電器是半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)的直接執(zhí)行元件。脫粒深淺繼電器如圖3 所示，它由兩組雙擲式開關繼電器組成，圖中1、2號端子接電源正極，3 號端子接電源正極，4、5 號端子接電動機，6 號端子電源負極，7、8 號端子接ECU。

圖3 脫粒深淺繼電器結構圖

當ECU 發(fā)出指令，使脫粒深淺繼電器左邊的線圈通電，則左邊雙擲式開關的常開觸點閉合而常閉觸點打開，使3 號與4 號端子導通。同樣，當ECU發(fā)出指令，使脫粒深淺繼電器右邊的線圈通電，則右邊雙擲式開關的常開觸點閉合常閉觸點打開，使3號與5 號端子導通。

2.5 直流電動機選用

直流電動機是半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)的間接執(zhí)行元件，直流電動機的作用是通過蝸輪蝸桿機構實現(xiàn)夾持輸送裝置擺動，使其達到合適的位置。

根據(jù)夾持輸送裝置的運動行程比較小、運動速度比較低等特點，脫粒深淺控制系統(tǒng)選用90ZYT08/H1 型永磁直流電動機(12 V，120 W)，該電機采用鐵磁體永久磁鐵激磁，系封閉自冷式，環(huán)境溫度為－25 ～40°C，相對濕度≤95%(±25°C)，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。該電動機具有下垂機械特性、線性調(diào)節(jié)特性，調(diào)速范圍寬、體積小、效率高、結構簡單、運行可靠和便于控制［1］，完全滿足半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)驅(qū)動元件的要求。

3 控制系統(tǒng)電路設計

半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)電路如圖4 所示。它由電源、點火開關、脫粒深淺繼電器、直流電動機、限位開關(深側(cè)、淺側(cè))、控制單元(ECU)、深淺手動開關、穗端側(cè)穗端傳感器、莖根側(cè)穗端傳感器、莖根傳感器、深淺自動開關、脫粒開關等組成。

圖4 控制系統(tǒng)電路

控制系統(tǒng)的工作過程是，當深淺手動開關處于原位時，在莖根傳感器、深淺自動開關和脫粒開關都閉合后，ECU 將同時讀取穗端側(cè)穗端傳感器和莖根側(cè)穗端傳感器的信號，并比較這兩個信號。根據(jù)運算結果，發(fā)出控制指令，接通脫粒深淺繼電器中左(右)線圈的搭鐵回路，使左(右)雙擲式開關常開觸點閉合，從而接通直流電動機的電源，使直流電動機產(chǎn)生正向(反向)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)脫粒深淺自動控制功能。

控制系統(tǒng)具備深淺調(diào)整幅度限制功能，當深淺調(diào)整的幅度超過設計值，深側(cè)(淺側(cè))的水平控制限位開關將被頂開，切斷脫粒深淺繼電器左(右)線圈的搭鐵回路，使左(右)雙擲式開關觸點恢復原狀，使深淺控制電機停止工作，起到保護作用。

當深淺手動開關被撥向左(右)位置時，分別接通左(右)搭鐵回路，此時ECU 將發(fā)出停止自動控制命令(屏蔽穗端側(cè)穗端傳感器、莖根側(cè)穗端傳感器、莖根傳感器、深淺自動開關、脫粒開關的信號)。取而代之的是手動深淺控制，ECU 根據(jù)深淺手動開關所處的位置(左或右)，進行運算并發(fā)出控制指令，接通脫粒深淺繼電器中左(右)線圈的搭鐵回路，使左(右)雙擲式開關常開觸點閉合，從而接通直流電動機的電源，使直流電動機產(chǎn)生正向(反向)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)脫粒深手動控制功能。

4 系統(tǒng)控制程序設計

半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)程序流程圖如圖5 所示。當檢測到深淺手動開關處于接通狀態(tài)時，系統(tǒng)進入脫粒深淺手動控制功能模式，由人工進行脫粒深淺的控制。當檢測到深淺手動開關處于非接通狀態(tài)時，系統(tǒng)進一步檢測深淺自動開關和脫粒開關狀態(tài)，如果檢測到上述開關都處于接通狀態(tài)，系統(tǒng)將讀取穗端側(cè)穗端傳感器數(shù)值α，并判別是否α=1。如果α =1，系統(tǒng)將繼續(xù)讀取莖根側(cè)穗端傳感器數(shù)值β，并判別是否β =0，如果β =0，則接通繼電器深側(cè)(右側(cè))線圈，完成脫粒深控制;如果α≠1，系統(tǒng)將繼續(xù)讀取莖根側(cè)穗端傳感器數(shù)值β，并判別是否β=1，如果β=1，則接通繼電器淺側(cè)(左側(cè))線圈，完成脫粒淺控制。

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 結 語

本文介紹的半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺控制系統(tǒng)，通過對控制電路和控制程序的設計開發(fā)，對脫粒深淺直流電動機進行了可靠地控制，實現(xiàn)了半喂入式聯(lián)合收割機脫粒深淺手動與自動復合控制的目的。

［1］ 丁志剛.無刷直流電動機的研究和開發(fā)進展［J］.微電機(伺服技術)，2000，33(1):29－30.

［2］ 吳海東.高速插秧機插植部水平智能控制系統(tǒng)設計［J］. 微特電機，2014，42(6):67－69.