馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)牽引阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 麗 楊術(shù)明 王富偉 張秦瑋

（1.北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

寧夏馬鈴薯90%以上集中在中南部山區(qū)，馬鈴薯是寧夏南部山區(qū)地區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)，其中固原市馬鈴薯種植面積穩(wěn)定在200 萬(wàn)畝，農(nóng)民人均純收入的四分之一來(lái)自馬鈴薯，馬鈴薯種植業(yè)是促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增加農(nóng)民收入有重大作用的戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。收獲裝備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示，現(xiàn)有收獲機(jī)具存在如下問(wèn)題。

（1）挖掘進(jìn)口高度不足，導(dǎo)致膜、秧、土擁堵問(wèn)題突出，每20～30米作業(yè)距離需清理?yè)矶隆?/p>

（2）機(jī)具動(dòng)力輸入軸薯秧纏繞問(wèn)題嚴(yán)重，每20～30米作業(yè)距離需清理纏繞。

圖1 馬鈴薯收獲裝備作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

上述擁堵、纏繞、土壤黏度大等因素導(dǎo)致馬鈴薯收獲裝備牽引阻力大，動(dòng)力匹配不當(dāng)，挖掘作業(yè)不連續(xù)、不穩(wěn)定問(wèn)題突出，如圖1所示。

馬鈴薯收獲作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)拖拉機(jī)動(dòng)力選取過(guò)大導(dǎo)致動(dòng)力資源浪費(fèi)，動(dòng)力選取過(guò)小導(dǎo)致動(dòng)力不足、作業(yè)不連續(xù)。針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)牽引阻力測(cè)試技術(shù)研究。李祥在分析挖掘部件和關(guān)于牽引阻力相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯挖掘阻力測(cè)試裝置，通過(guò)田間試驗(yàn)，分析前進(jìn)速度、鏟面傾角、鏟刃斜角對(duì)牽引阻力的影響，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而減小馬鈴薯挖掘機(jī)的牽引阻力，降低功耗[1]；吳海平等為了探知振動(dòng)鏟篩的實(shí)際降阻效果，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置，并進(jìn)行了幾種不同作業(yè)狀況下的牽引阻力測(cè)試[2]；高文杰等以離散動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立拖拉機(jī)機(jī)組工作平衡時(shí)拖拉機(jī)各模塊的數(shù)學(xué)模型，對(duì)CATIA二次開(kāi)發(fā)建立拖拉機(jī)機(jī)組匹配系統(tǒng)[3]；鄧偉剛針對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)工作過(guò)程中牽引阻力和功率消耗大的問(wèn)題，以挖掘鏟為研究對(duì)象，對(duì)正切時(shí)的牽引力模型進(jìn)行了修正，建立了同時(shí)適用于正切和滑切的牽引力模型[4]。

傳統(tǒng)機(jī)械拉力表存在測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，本文集成單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及無(wú)線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)牽引阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牽引阻力，數(shù)據(jù)經(jīng)子控制器處理并經(jīng)無(wú)線傳輸模塊實(shí)時(shí)傳輸至主控制器，主控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，為優(yōu)化馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)動(dòng)力匹配提供了重要參考。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)牽引阻力無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、無(wú)線傳輸部分和監(jiān)測(cè)部分三部分組成。牽引阻力測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集部分安裝于受負(fù)荷拖拉機(jī)和收獲裝備之間，實(shí)時(shí)采集拉力并將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線傳輸部分，無(wú)線傳輸部分進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)部分，監(jiān)測(cè)部分完成數(shù)據(jù)的處理分析及存儲(chǔ)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 拖拉機(jī)牽引阻力無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

二、數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)方案

拉力傳感器通過(guò)拉鉤連接拖拉機(jī)和馬鈴薯收獲裝備。傳感器采集的拉力信號(hào)形式傳輸至單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，連續(xù)多次采集并進(jìn)行均值濾波，濾波后的拉力值通過(guò)單片機(jī)串口發(fā)送至無(wú)線傳輸模塊，數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)方案

（二）硬件設(shè)計(jì)

1.傳感器選型

拉力傳感器選擇S 型梁體結(jié)構(gòu)傳感器-QLLY，如圖4所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖4 拉力傳感器實(shí)物圖

表1 拉力傳感器技術(shù)參數(shù)表

2.采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于SolidWorks開(kāi)展數(shù)據(jù)采集模塊三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊三維結(jié)構(gòu)

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（三）軟件設(shè)計(jì)

利用KEIL 開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集模塊單片機(jī)軟件，軟件主要實(shí)現(xiàn)了初始化、拉力傳感器數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、均值濾波、串口發(fā)送等功能，軟件工作流程如圖7所示。

圖7 單片機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖

三、無(wú)線傳輸模塊選型

無(wú)線傳輸模塊為DTU、移動(dòng)基站、Internet 構(gòu)成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)與分控制器系統(tǒng)連接，完成數(shù)據(jù)發(fā)射，另一個(gè)與主控制器連接，完成數(shù)據(jù)接收，DTU無(wú)線傳輸模塊如圖8所示。

圖8 DTU無(wú)線傳輸模塊

四、監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

（一）上位機(jī)監(jiān)控面板設(shè)計(jì)

基于LabView軟件開(kāi)發(fā)了馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)牽引阻力測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)控面板，主要由顯示儀表、圖像曲線、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測(cè)試控制等模塊組成，監(jiān)控面板如圖9所示。

圖9 監(jiān)控面板

圖10 上位機(jī)程序框圖

（二）上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序包括串口初始化、串口緩沖、數(shù)據(jù)截取與保存等模塊，圖形化程序框圖如圖10所示。

五、結(jié)論

針對(duì)上述設(shè)計(jì)馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)牽引阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展了功能測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)采集牽引阻力數(shù)據(jù)，為優(yōu)化馬鈴薯收獲裝備拖拉機(jī)動(dòng)力匹配提供了重要參考。