往复式割刀切割负荷在线监测系统的设计与实现

代秀峰，向 阳，龙振寰

（湖南农业大学 机电工程学院，湖南 长沙 410128）

1 前言

切割秸秆是联合收割机在田间作业的重要工序，切割性能直接影响收割效率和田间籽粒损失率[1]。在实际作业过程中，由于田间作业条件复杂多变，操作机手需要判断收割机的负荷情况并随时调整收割机速度等工作参数。这对机手的经验提出了较高的要求，即便是操作熟练的机手也难以对切割负荷做出准确判断。

智能化、自动化和通用化是联合收割机发展的趋势[2]。国外对联合收割机田间作业状态监测系统的研究已经取得了巨大进步，已经将物联网、传感器、网络等技术应用于联合收割机[3]。德国CLAAS公司将CEBIS信息显示系统应用于JAGUAR800系列的收割机，这套监测系统能够对收割机关键部件的状态进行信息采集、数据保存和智能化控制[4]。日本久保田公司采用定位系统、网络技术、电子传感技术和遥感测控系统等，研制出了联合收割机作业状态远程监控装置，将这套装置应用于联合收割机并推广使用。近年来，国内对联合收割机作业状态监测、故障诊断等相关技术开展了研究，并取得了一些突破[5]。南京农业大学谢蓓、尹文庆等基于CAN总线技术研制了联合收割机作业状态监测系统。该系统可以实时监测收割机前进速度、脱粒滚筒转速、搅龙转速、谷物损失率和喂入量等工作参数，同时还能够实现数据的存储及显示[6]。南通大学季彬彬、杨玉萍等利用 GPS技术测量联合收割机作业过程中机器的前进位移，并利用超声波测距仪测量收割机的实际割幅，从而通过计算收割面积实现智能测产功能[7]。山东农业大学侯佳林等利用STM32单片机研制了小麦秸秆往复式切割试验台，对切割试验台进行正交试验，分析影响切割性能的主次因子[8]，但未能在实际的联合收割机作业状态中进行监测。

笔者提出了一种往复式割刀切割负荷在线监测系统，有助于操作机手实时掌握切割负荷和联合收割机作业状态，有助于保持联合收割机良好的切割负荷条件，从而有效解决割刀堵塞问题并降低作业功耗。

2 系统结构与原理

监测系统结构如图1所示。本系统采用的DYLY-103型高精度拉压力传感器的结构形式为S型，量程为100kg，精度为0.03%。

为准确、直接测量切割负荷，将往复式切割器动刀杆从驱动端切断并用拉压力传感器将切断后的两部分重新连接起来，实际安装效果如图2所示。

拉压力传感器属于电阻应变式传感器，输出信号是非常微弱的电阻值变化，为保证数据测量精度，选用DY510型专用重量信号变送器，其综合精度为0.05%。为减少信号传输过程受到干扰，将信号变送器安装在靠近拉压力传感器的位置，同时输出信号选择具有更强抗干扰性能、更适合较远距离传输的4～20mA电流信号。由于单片机只能对模拟电压信号进行采样，因此在单片机信号输入端设置电流/电压（I/V）转换模块，将4～20mA电流信号转换为0～3.3V电压信号。

选择的STM32C8T6型单片机是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，最高工作频率可达72 MHz，具有硬件资源丰富和容易二次开发等优点，被广泛应用于低功耗、性价比高的小型控制系统中[9]，完全满足本系统对于运算性能的需求。同时STM32F103系列单片机自带3个ADC，精度为12位，每个ADC最多有16个外部通道，可直接将变换后的电压信号转换为数字信号并处理分析，为本系统的研发提供了便利。

采用的LCD1602液晶显示屏可显示2行、每行16个字符的数据，便于用户实时查看切割负荷的数据。同时，设置一个有源电子蜂鸣器作为报警器，用于在负荷超过设定值时主动发出报警，提醒用户做出相应处理。设置了“菜单”、“上移”、“下移”、“确认”共4个按键，利用LCD1602显示屏通过菜单显示与设置系统配置参数。为进一步深入分析研究数据，将监测到的数据通过单片机自带串行通信口发送出去，以便数据采集装置采集数据。

3 系统软件设计

由于田间切割作业情况复杂多变，往复式割刀工作时所承载的负荷为典型的随机载荷。针对往复式割刀切割负荷的特点，笔者采用统计学方法对割刀负荷情况进行评价，重点对切割负荷的均值与峰值进行计算与监测。其中均值为最近2秒时间内所采集的拉压力采样值的绝对值的平均值，峰值为开机或上次解除报警以来至当前时间内拉压力采样值的绝对值的最大值。

设计相应的软件流程如图3所示，图中左边为主程序流程，右边为定时中断程序流程。

切割负荷的采样与计算功能均采用定时中断方式实现，定时周期为10ms。定时中断程序触发后，系统首先调用ADC采样程序读取指定通道的数据并转换成对应的拉压力数据，然后应用读取到的新的拉压力数据重新计算切割负荷均值与峰值。为计算最近2秒时间内拉压力采样值的均值，在内存中设置200个整型变量用于保存最近200次采样数据，每次采集到新数据时更新采样点数对应的整型变量内容并将采样点数加1，如采样点数到达200则重新将采样点数设置为0。为实时更新峰值数据，在内存中设置一个峰值数据整型变量用于保存当前峰值数据，每新采集到一个数据均和当前峰值数据做比较，如该数据大于当前峰值数据则将其作为当前峰值数据。在重新开机或用户清零操作时，当前峰值数据被重新设置为0。虽然切割负荷均值和峰值均采用实时更新方式，但为保证数据显示的稳定性和良好的用户使用体验，显示屏刷新显示的周期被设置为2s。

4 系统调试

将本系统安装在碧浪4LZY-1.2履带自走式联合收割机上，启动收割机，通过人工将部分秸秆放入往复式割刀工作区域，观察显示屏的数据，并使用笔记本电脑和串口调试软件记录由本系统串口发送出来的数据，截取其中一段时长5s的数据，如图4所示。

调试实验结果表明，显示屏显示数据清晰、稳定，所采集的数据能充分体现切割工作特性变化规律，显示屏显示数据范围与记录数据一致。

5 结束语

基于拉压力传感器和STM32单片机研制的一套往复式割刀切割负荷在线监测系统可安装在采用往复式割刀的收割机上，对切割负荷进行实时监测与显示，并在负荷超过设定值时主动发出报警。该系统为操作机手实时掌握切割负荷、使收割机在最佳负荷状态下工作提供了极大的便利，有利于提高收割机的能量利用效率、减少超负荷情况的发生，并有利于降低对操作机手经验的要求。

由于切割负荷与收获喂入量以及后续的输送、脱粒、清选等作业环节有着密切的关系，本系统的研究也为进一步深入研究联合收割机的综合负荷和工作状态提供了参考。另外，本系统预留了通用串行通讯口用于实时输出负荷数据，可方便联接相应的自动控制装备或网络数据通信设备，为实现收割机无人驾驶自动作业以及农业物联网远程数据采集等智慧农业应用提供了良好的装备基础。

笔者仅针对收割机切割负荷在线监测设计了相应的硬件系统结构和软件算法，相关数据分布规律和往复式割刀切割特性等有待进一步研究。