采棉机输棉管道内火花检测系统的研制

苗中华 魏成雷

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

采棉机输棉管道内火花检测系统的研制

苗中华 魏成雷

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

以大型采棉机火灾预警研发为背景，开发了一种多输棉管道内微弱火花快速无漏检测的方法。采用一款进口PIN光电二极管作为微弱火花感应器，结合解码芯片MC145027的特殊解码原理，实现了硬件电路和应用程序设计，并在4MZ-5大型采棉机上完成了安装与测试试验。试验表明，该系统具有检测灵敏度高、响应速度快、可维护性强等优点，有助于大型农机装备自动化水平的提高。

采棉机 火花检测 火灾预警 解码芯片 位置识别 无漏检测 智能化 自动化 光电二极管

0 引言

随着我国农业机械化水平的提高，采棉机作为一种大型棉花收割装备，已在我国多地被推广使用。近年来，采棉机在收割过程中发生火灾事故的次数逐年上升，由此导致的经济损失不可估量。因此，开发一套能够应用于采棉机的火灾预警系统已成为采棉机智能化装备研究领域急需解决的问题之一。

本文在查阅文献资料和现场调研的基础上[1-3]，将光电检测技术和嵌入式微控制器技术相结合，设计了一套具有检测效率高、稳定性好、成本低等优点的预警系统。该预警系统已在4MZ-5大型采棉机上完成了安装和调试，经长时间的测试使用，达到了设计要求。该设计方案的可行性也得到了验证。

1 系统架构

系统采用三线主从式结构[4]，即整个微弱火花检测系统包括两个部分：监视器和探头装置。监视器和所有探头之间采用三线制连接，各探头之间可选择并联、串联两种连接方式。

整个系统工作原理为：主机(1号监视器)首先发出1号探头的地址编码序列，所有探头对接收到的编码序列进行解码匹配。如果1号探头匹配成功(其他探头匹配失败)，则1号探头回送主机一个信号编码序列，该序列包括主机地址编码序列以及有无火花信号的数据信息；如果1号探头匹配不成功(假定某种情形下)，等待主机第二次发送1号探头的地址编码序列，直至匹配成功(若发送次数超过设定值，仍然无法匹配成功，则该探头进入故障1处理模式)。接着，主机发送2号探头序列，依次类推，直至遍历完所有探头(若所有探头检测均进入故障1处理模式，则系统进入故障处理2模式)，再开启下一轮检测。故障处理1和故障处理2两种模式的设计，能够方便客户及时维修或更换发生故障的监视器和探头，提高系统的安全性。

2 检测原理

近年来，光电检测技术已广泛应用于军事、工业、农业等诸多领域。其以远距离、非接触、快速性、高灵敏度的检测和传输特点，受到越来越多研发者的关注。本设计采用国外进口的一款PIN光二极管作为微弱火花感应器[5]，且经过厂家特殊的工艺处理，对火花发出的特定光波段范围具有很高的灵敏度。该火花感应器是一种电流型传感器，光强越强，产生的光电流越大；在黑暗条件下，暗电流非常小，一般只有几微安[6]。

该感应器具有一般光电二极管的共性，可在光伏模式和光导模式下工作[7]。光伏模式是在零偏压下工作，电流和光强满足线性关系；光导模式是在反偏压下工作，其优点是切换速度比较高，但是缺点也很明显，光强度和光电流不满足线性关系。而本次设计需要较高精度，故选择在光伏模式下工作。该感应器采集到的信号非常微弱，而且夹杂外界的大部分噪声。系统采用三级信号处理电路，依次通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路，最终输出幅度合适、并已滤除噪声的待检测信号。

在现场环境下，经过实际电路测试发现，感应器的暗电流值仍较大，即在正常条件下实际输出电压值仍较大，达到0.4 V左右，这在一定程度上缩短了探测距离。为此，设计了双通道检测电路[8]和差分放大电路。经波形整形以及电平转换电路，在有火花的时候，最终输出一个高电平信号。另外，本方案设计的双通道检测电路，大大增加了探测距离，降低了传感器本身的误差。

3 研究重点

3.1 位置识别

MC145027通常用作解码器[9]，具有4位数据输出和5位地址编码，根据其地址的不同组合，可以产生243种不同的地址编码。通过芯片引脚的配置，便可为每个输棉管道设定一个唯一的位置编码。系统采用了五位一体的拨码开关，便于用户根据实际需要任意设定探头位置编号，提高了系统的灵活性。探头编码电路如图1所示。

Fig.1 Probe encoding circuit

位置编码分为主机编码和探头编码，主机编码设定为固定值“00000”，各探头编码由拨码开关进行设定。本设计用到6个探头，探头地址编码对应表如表1所示。

表1 探头地址编码对应表Tab.1 Correspondence of probe address encoding

3.2 信息加载

通过以上分析可知，MC145027解码芯片数据流中既包含了各探头的地址编码序列(A1～A5)，又包含了数据信息序列(D6～D9)，可以根据用户的实际需要进行数据位宽度、数据位的选择。

本设计只需要一位数据位即可：“0”表示没有火花存在；“1”表示有火花的存在。本设计选取D6位作为数据位，例如当主机接收数据流序列为“XXXXX0XXX”时，表示某一个探头未检测到火花；反之，当传输数据流序列为“XXXXX1XXX”时，表示某一个探头检测到火花(其中，“X”代表不确定值0或1)。

3.3 无漏检测

采棉机输棉管道模型的建立和分析是系统研制的一个重要环节。经现场调研发现，每个采棉机输棉管道的横截面均为一个边长为22.5cm的正方形。探头安装位置选择4个侧壁中的某一个，管道简化图如图2所示。

图2 管道简化图

Fig.2 Simplified diagram of the pipeline

由于受所选择的火花探测传感器本身的设计影响，其感光面和外壳的存在影响了传感器的额探测视角范围。

当探测视角扩展到60°时，探测灵敏度接近数值0。结合输棉管道的结构可知，在管道内部存在如图2所示的两处盲区。如果不对这一情况进行处理，当有火星的棉花经过该区域时，探头是检测不到的，无遗漏检测也就更无从谈起。此外，本情况下的探测距离经实际测试，最大也只有21 cm左右，无法满足设计要求。在风速35 m/s、火花直径0.3 cm的条件下，探测距离与检测率试验结果统计如表2所示。

表2 探测距离-检测率试验结果统计表Tab.2 Statistics of experimental results of detection range - detection rate

综合考虑以上几个问题，本设计选择了对射式安装工艺，如图3所示。

图3 安装示意图

Fig.3 Schematic diagram of the opposite-type installation

该设计有两方面优势。一方面，解决了两个盲区存在的问题，其实际上是将输棉管道空间划分为上下(或左右)两个空间，分别对两个空间进行分时检测。另一方面，延伸了探测距离，极大地提高了灵敏度，探距-风速-火花直径-检测率试验统计表如表3所示。

4 软件设计

系统的可靠运行还需要相应的软件设计。软件设计不仅能保证系统的可靠运行，而且能够弥补硬件上的不足。由于本设计采用轮询机制，主机只能在同一时刻对某一个探头进行数据交互。在这段时间内，如果其他某一通道有火花存在，则可能造成对数据信息的漏测，对于本系统来说，这是致命的，故需要在软件中进行相应的设计。

表3 探距-风速-火花直径-检测率试验统计表Tab.3 Experimental statistics of exploration distance-wind velocity-spark diameter-detection rate

软件设计包括主机软件设计以及从机(探头)软件设计两个部分[10]。相对而言，探头的软件设计较为简单，主要负责完成数据采集、向主机发回送数据编码序列两个功能。而主机要完成对所有探头的循环扫描、数码管显示、报警处理等功能。主机工作流程如图4所示，从机(探头)工作流程如图5所示。

图4 主机软件流程图

Fig.4 Flowchart of mainframe software

图5 从机软件流程图

Fig.5 Flowchart of the slave software

5 结束语

本文以采棉机输棉管道内微弱火花检测为背景，提出了一套火灾预警装置设计方案。经过大量查阅资料，针对棉花火星发出的特定波段范围光线，选取了一款国外进口的PIN光电二极管作为探测器。综合考虑各方面因素，设计了符合要求的硬件电路，并完成了电

路仿真、软件设计、制版加工。现场调试表明，该设计可实现预期功能，满足现场需要。

[1] 金邵杰.高密板生产线的火花探测及灭火系统[J].工业技术，2002(6)：99-101.

[2] 汤宁平,陈明凯,王观海.多点火花与温度监测自动消防系统[J].福州大学学报，1996,24(1)：51-54.

[3] 汪秀清,石建中,王正纲.纺织工业中火花探测熄灭系统的应用[J].中国安全生产科学技术，2012,8(2)：102-105.

[4] 郑茂全.MC145026编码器在系统故障位置识别中的应用[J].煤矿自动化，2000(3)：36-37.

[5] 刘卫东,刘延冰,刘建国.检测微弱光信号的PIN光电检测电路的设计[J].电测与仪表，1999,36(4)：27-30.

[6] 刘彬,张秋婵.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003,27(3)：193-196.

[7] 郭培源,付扬.光电检测技术与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[8] 伯广宇,戚俊,李季,等.一种基于宽带低噪声THS4012运放的激光测高仪前置放大电路设计与实现[J] .大气与环境光学学报，2007，2(4):316-320.

[9] 朱金刚,李挺,姜田华.一种基于MC145027的群模拟信号检测系统[J].国外电子元器件，2000(7)：28-31.

[10]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2008.

Research and Development of the Spark Detection inside Cotton Transmission Pipeline of Cotton Picker

With R&D of fire early warning for large cotton picker as the background,a fast speed no-leakage detection method for weak spark inside multiple cotton transmission pipelines is proposed.A kind of imported PIN photodiodes are used as weak spark sensors,and the hardware circuit and software design are completed by combining with the special decoding principle of the decoding chip MC145027,and the test is conducted on 4MZ-5 large cotton picker.The experiments show that this system has the advantages of high detecting sensitivity,fast response speed and strong maintainability,it is useful for improving the automation level of the large farm machinery.

Cotton picker Spark detection Fire warning Decoding chip Location identification No leakage detection Intelligent Automation Photodiode

苗中华(1977—)，男，毕业于上海交通大学电子工程专业，获博士学位，副教授；主要从事机电装备智能控制理论及技术的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612013

修改稿收到日期：2016-06-13。