基于扭矩傳感器殺秧機傷薯、空轉報警裝置研制與試驗

劉崇林，趙勝雪，金麗宇，潘思奇，張明秋

(1.黑龍江工業(yè)學院 現代制造工程學院，黑龍江 雞西 158100；2.黑龍江省馬鈴薯機械化工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

馬鈴薯除了有“土豆”的稱呼外，還有洋芋、地蛋、薯仔、甘薯、番仔薯等別名。馬鈴薯屬茄科草本植物，種植遍布世界各地，是人類第四大食物來源。2015年，中國將馬鈴薯納入了戰(zhàn)略主糧。馬鈴薯可加工成饅頭、面條、米粉等主食，馬鈴薯塊莖中含有大量的膳食纖維、胡蘿卜素和抗壞血酸，這是禾谷類糧食中所沒有的[1-3]。

塊莖類農作物一般在收獲前需進行殺秧處理。對于馬鈴薯而言，殺秧主要是指馬鈴薯收獲前進行的莖稈粉碎還田作業(yè)環(huán)節(jié)，保證馬鈴薯機械化收獲作業(yè)的順利實現，提高收凈率和作業(yè)效率，保證壟溝壟臺的薯秧清理干凈[4]。

殺秧機作業(yè)前，應先將殺秧機提升至錘爪離地面20～25 cm高度，接合動力輸出軸運轉1～2 min，再掛擋作業(yè)。作業(yè)時禁止錘爪打土，若發(fā)現錘爪打土時，應調整地輪離地高度或拖拉機上懸掛拉桿長度，殺秧作業(yè)時，刀輥高速旋轉將地面浮土打起，影響駕駛員視線，如圖1所示，無法靠視覺判斷是否傷薯、空轉。往往會造成傷薯、未打秧情況連片出現，造成巨大的經濟損失[5-7]。

圖1 殺秧作業(yè)塵土飛揚

1 裝置組成及工作原理

設計了具有動態(tài)扭矩傳感器實時報警裝置，該裝置具有實時性、安裝簡單、價格便宜等特點。報警裝置將單片機與動態(tài)扭矩傳感器結合，以STC89C52型單片機為微控制器，利用動態(tài)扭矩傳感器對殺秧機刀輥作業(yè)時的扭矩進行實時監(jiān)測，通過二線串行接口將扭矩信號送至STC89C52微控制器，最后利用STC89C52微控制器完成對扭矩值的區(qū)分，扭矩值大于刀輥正常作業(yè)時的扭矩值時，連接單片機的蜂鳴器響起，實現檢測到殺秧機傷薯時的報警[4][8]。報警裝置主要由動態(tài)扭矩傳感器、STC89C52單片機和蜂鳴器組成。

1.1 刀輥扭矩值的采集原理分析

扭矩傳感器采用LH-NJ-02動態(tài)扭矩傳感器測量刀輥的扭矩值，控制器硬件主要以STC89C52單片機為核心控制芯片，在芯片中進行擴展。扭矩測量原理為，被測動力電機與反作用力負載電機通過彈性聯(lián)軸器同軸相連，并分別在兩個電機的轉子上安裝旋轉變壓器。系統(tǒng)安裝完成后，由于兩個電機轉子的位置通常不是相同的，因此需要將兩個旋轉變壓器檢測到的兩個電機轉子的角度差置為零，此時扭轉彈簧的形變量為零。測量動態(tài)扭矩時，反作用力負載電機處于卡死狀態(tài)，運行被測動力電機，系統(tǒng)最終處于一個平衡狀態(tài)，此時彈性聯(lián)軸器因形變產生扭轉角，通過兩個旋轉變壓器檢測出彈性聯(lián)軸器的扭轉角，即可測出被測動力電機的動態(tài)扭矩值M[10]。

1.2 接口電路設計

工作過程中，單片機與傳感器的連接較短，二者之間的連接需要增加一個5K上拉電阻，可以將不確定的信號通過電阻嵌位在高電平，電阻同時還可以起到限流作用，避免電流過大將器件燒壞。傳感器的合理電壓范圍為3～5.5 V，過高過低都會損壞傳感器，在接通電源后，需過一段時間才能發(fā)送指令，從而有效越過剛接通時的不穩(wěn)定狀態(tài)。為了抑制和防止電源中的干擾，可在電源端加一個小電容，起到濾波的作用。典型的應用電路如圖2所示。

圖2 LH-NJ-02典型電路連接圖

2 系統(tǒng)軟件的設計與實施

2.1 扭矩值讀取

單片機和動態(tài)扭矩傳感器通信采用串行二線接口SCK和LH-NJ-02二線串行通信協(xié)議與I2C協(xié)議不兼容。由于采用二線串行接口，LH-NJ-02的操作按照嚴格時序，有4條用戶命令，分別是測量扭矩命令03H、讀寄存器狀態(tài)命令07H、寫寄存器狀態(tài)命令06H和軟啟動命令1EH。單片機發(fā)出啟動命令，隨后發(fā)出一個后續(xù)8位命令碼，該命令碼包含3個地址位(芯片設定地址為000)和4個命令位，發(fā)送完該命令碼，將DATA總線設為輸入狀態(tài)等待SHT11的響應，SHT11接收到上述地址和命令碼后，在第8個時鐘下降沿，將DATA下拉為低電平作為芯片的ACK；在第9個時鐘下降沿之后，釋放DATA(恢復高電平)總線；釋放總線后，開始測量當前濕度，測量結束后，再次將DATA總線拉為低電平；單片機檢測到DATA總線被拉低后，確認濕度測量已經結束，發(fā)出SCK時鐘信號；芯片在第8個時鐘下降沿，輸出高字節(jié)數據；在第9個時鐘下降沿，單片機將DATA總線拉低作為ACK信號，然后釋放總線DATA，在隨后8個SCK周期下降沿，芯片發(fā)出低字節(jié)數據；接下來的SCK下降沿，單片機再次將DATA總線拉低作為接收數據的ACK信號；最后8個SCK下降沿芯片發(fā)出CRC校驗數據，單片機不予應答(NACK)則表示測量結束。CRC寄存器通過計算一個多項式(x8+x5+x4)之和來判定測量過程是否發(fā)生錯誤，一旦發(fā)現錯誤，單片機則發(fā)送軟啟動命令，重新進行測量。如果不使用CRC校驗，單片機可以在測量值LSB后保持應答信號ACK高電平，終止通信。LH-NJ-02在測量和通信完成后會自動返回睡眠模式[10-11]。

2.2 扭矩值輸出

單片機和扭矩傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時鐘線，DATA為數據線，硬件接口電路比較簡單。需要注意的是，DATA數據線需要外接上拉電阻，時鐘線SCK用于微處理器和LH-NJ-02之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對SCK最低頻率沒有要求，工作電壓高于4.5 V時，SCK頻率最高為10 MHz，而工作電壓低于4.5 V時，SCK最高頻率為1 MHz。由于所用單片機不具備I2C總線接口，使用單片機通用I/O口線來虛擬I2C總線，并利用RA0口來虛擬數據線DATA，RA1口線來虛擬時鐘線，在DATA端接入一只10 kΩ的上拉電阻時，在VDD及GND端接入一只0.1 μF的去耦電容[12-14]?？刂葡到y(tǒng)構成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)構成圖

3 扭矩值計算與試驗驗證

為檢驗該裝置的測量準確性和測量穩(wěn)定性，對其進行試驗，由于該裝置處于剛完成階段，可能會存在一些不可控因素導致數據不準的情況，因此采用計算機模擬試驗的方式，將模擬結果與實際試驗結果相對比，利用數學統(tǒng)計的方法評判其測量穩(wěn)定性。此次試驗驗證主要包含兩部分，分別為試驗設計、實際值與預測值的誤差分析。試驗設計方案選用雙因素試驗設計，利用扭矩傳感器打秧機傷薯報警裝置進行實際值與預測值的誤差分析，驗證設計的扭矩傳感器打秧機傷薯報警裝置的可行性及準確性[15]。

3.1 理論分析

在試驗初期參考東北農業(yè)大學呂金慶的《馬鈴薯殺秧機設計與試驗》中的殺秧機，最佳作業(yè)參數選取為：刀輥轉速1 600 r·min-1、殺秧機的前進速度5 km·h-1、壟上刀距壟臺高度為50 mm[3]，并依據NY/T 2706—2015馬鈴薯打秧機質量評價技術規(guī)范，得出刀距壟高度合理為45～65 mm，刀輥轉速為1 500～1 600 r·min-1，通過式(1)計算功效

(1)

式中P—功率，kW；

T—扭矩，N·m；

n—轉速，r·min-1。

得出使用約翰迪爾1204，功率為88.26 kW的扭矩傳感器的兩個臨界值分別為585.46 N·m、526.80 N·m。

1)當扭矩值高于585.46 N·m時，殺秧機離地高度過低出現傷薯情況。

2)當扭矩值低于526.80 N·m時，殺秧機離地高度過高則出現空轉不作業(yè)情況。

3.2 扭矩值驗證

為了驗證理論得出的兩個扭矩極值的準確性，于2021年7月15—22日在黑龍江省農墾九三管理局尖山農場進行了1204拖拉機牽引馬鈴薯殺秧機作業(yè)時扭矩值的測量、記錄。本次扭矩值的測量記錄，使用黑龍江八一農墾大學研發(fā)的田間機械動力學參數遙測儀(圖4)進行試驗，傳感器安裝位置如圖5所示。

圖4 機械動力學參數遙測儀

圖5 傳感器安裝位置

經過測量1204拖拉機牽引由河北布谷機械制造廠生產的馬鈴薯殺秧機，測得馬鈴薯殺秧機在相同前進速度、不同離地高度時的扭矩值，結果如表1所示。

表1 實際測量不同刀輥高度的扭矩值

通過試驗驗證發(fā)現在生產作業(yè)中的扭矩值大于理論計算的扭矩值，通過對比，實際值比理論值高11 N·m左右。為此在單片機中輸入極值，當扭矩值高于596.46 N·m時，殺秧機離地高度過低出現傷薯情況；當扭矩值低于537.80 N·m時，殺秧機離地高度過高出現空轉不作業(yè)情況。

3.3 田間試驗驗證

2021年8月22—24日在黑龍江省農墾九三管理局尖山農場進行了殺秧機田間殺秧作業(yè)傷薯報警試驗。試驗地為壟播水澆地和壟播旱地2種類型。每個試驗田長15 m，其中緩沖區(qū)3 m，試驗區(qū)均分為4部分。馬鈴薯品種為青薯9號，馬鈴薯殺秧機動力由拖拉機動力輸出軸提供，試驗拖拉機型號為約翰迪爾1204，田間機械動力學參數遙測儀、電子游標卡尺、卷尺等[16]。

圖6 田間試驗驗證

通過分析，本試驗先將殺秧機輸出軸運轉1～2 min，再掛擋作業(yè)，使殺秧機刀輥的轉速保持穩(wěn)定，選取機車前進速度、殺秧高度2個因素(表2)，每個因素選取3個水平進行雙因素試驗，以馬鈴薯殺秧傷薯報警準確率作為評價指標表。

表2 試驗因素與水平

殺秧傷薯報警準確度T1，測量選取長12 m的地塊，將每個地塊均分為4小段，測量結果分為報警準確、報警不準確、未報警準確和未報警不準確4種(表3)，殺秧機報警準確率為

表3 傷薯試驗方案與結果

(2)

式中T1—殺秧機傷薯報警準確率，%；

M—傷薯報警次數，次；

M1—傷薯準確報警次數，次；

M2—傷薯未報警傷薯次數，次。

殺秧機空轉報警準確度T2，測量選取長為12 m的地塊，將每個地塊均分為4小段，測量結果分為報警準確、報警不準確、未報警準確和未報警不準確4種(表4)，殺秧機報警準確率為

表4 空轉試驗方案與結果

(3)

式中T2—殺秧機空轉報警準確率，%；

L—空轉報警次數，次；

L1—空轉準確報警次數，次；

L2—空轉未報警傷薯次數，次。

試驗表明當拖拉機輸出轉速穩(wěn)定時，正常殺秧作業(yè)時報警準確率在95%以上，殺秧高度過低時或過高時準確率略低。

4 結論

本設計的扭矩傳感器打秧機傷薯報警裝置，是基于扭矩傳感器及單片機基礎上研制的，主要優(yōu)勢在于能對殺秧工作時出現的傷薯、空轉情況及時報警、及時處理，減少種植戶經濟損失，為馬鈴薯殺秧機研制提供參考。從實際試驗結果可見，該報警裝置穩(wěn)定性較好，達到了設計要求。