电子信息技术在农业废弃物高效粉碎机防堵塞中的应用

泰山智能制造产业研究院 吴乃刚

农业废弃物粉碎机的出现，使秸秆等农废物变废为宝，粉碎后的产品经过加压、增密成型后形成“农废煤炭”。这项工作农民在田间地头就能操作，增加收入的同时还保护了环境，环保节能利国利民。

随着农业废弃物粉碎机的大量使用，废弃物的堵塞是最常见的影响效率的问题，一旦发生堵塞，轻则无法工作，重则烧坏电机损坏设备，为了解决这一问题，我们通过研究实验设计使用了喂入反馈以及主轴转速反馈相结合的方式，从根本上解决堵塞问题。

秸秆等农业废弃物通过运料装置进入料仓后，分批进入粉碎腔，经高速旋转的动片与外壁相互作用，将物料揉碎，可以选择经过抛送风叶将揉碎的物料抛送至指定位置或直接从下方的卸料口经运料小车运走。

喂入量反馈装置工作原理：当喂入筒内物料较少或叉车连续上料（14）超过设定的喂入量后，安装在料斗下部（7）的称重传感器的电测片将感应到的电量变化经处理器随时上传智能化控制箱，经运算、判断，及时发出缺料急需上料或喂入量超重减缓上料的警报。防止缺料降低产量空耗电能或因上料超重造成驱动机构损坏。

其中称重传感器选用压力传感器，分别安装在图1中序号7、8 之间，称重传感器输出0～5V 的电压信号，数据传输至控制箱后，利用AT89C51 与ADC0809 组成的电压采集系统进行采集计算出平均重量，ADC0809拥有8 路模拟量输入，并通过3 位地址输入端进行选择，输入数据传输至AT89C51，由其进行计算，并按照提前设定的喂入值对电磁阀进行相应的运行，停止或主轴反转等指令的控制运行。AT89C51 与转速传感器控制系统形成闭环调速系统，我们利用PWM 输出脉宽调制控制原理，控制系统通过控制变频器逆变电路晶闸管的导通角，从而实现调速，使电动机正常运行。

图1 喂入反馈装置

压力传感器目前市面上主要有应变式、陶瓷压力式、扩散硅式和蓝宝石式等。考虑到粉碎机工作环境，笔者选择的是陶瓷压力传感器，因为它的外壁是能够抗腐蚀的陶瓷，它的内部也没有液体的传递，而是压力直接作用在陶瓷膜片（类似于压力弹簧片）的上表面，使膜片产生随重量变化的形变，而厚膜电阻则印刷在陶瓷膜片的背面，成为一个惠斯通电桥，通过压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个随压力变化而成正比的线性、同时与激励电压也成正比的电压信号。如图2 所示。

图2 称重传感器内部线路图

ADCO8O9 将 0～5V 模拟信号转换为 00～FF 数字信号并传送给AT89C51 单片机，由AT89C51 单片机通过放大接收，进行数据存储及处理，完成对模拟量信号的采集。ADC0809 的时钟输入由单片机89C51 提供的地址锁存控制输入信号ALE 在经D 触发器的二分频后充当。当CPU 访问外存储器时，ALE 的输出就可以作为外部锁存地址低字节的控制信号来使用；当无访问时，ALE 端以1/6 的时钟振荡频率固定地输出正脉冲。本实验中使用的时钟频率为6MHz。那么1/6 的输出就是1MHz，然后再经二分频后为500kHz。二者接口电路如图3 所示。

图3 ADC0809 与80C51 的接口电路

为了保证防堵效果，笔者还采用了转速控制。转速传感器使用的是霍尔传感器，它基于霍尔效应，就是当置于磁场中的金属片通过电流I 时，金属片两侧会产生霍尔电压U，该电压的大小会随着磁场轻度变化而变化，同时霍尔转速传感器对环境要求比较低，最关键是低速可以使用，这一点在农机上应用起来比光电式和磁电式都方便。其传感器如图4 所示。

图4 传感器

霍尔传感器转速测量系统一直以简单高效而被大家普遍使用，它是以单片机AT89C51 为数据处理核心，采用了定时器定时中断的方法实现计数的，通过对测量数据进行计算得到转速，并可通过数据来控制电磁阀的通断。

霍尔传感器内部电路图如图5 所示，分压电阻是R1 电阻，将传感器检测到的磁场中的信息转化为模拟电压信号时（AO），检测到的模拟量信号就会接入由LM393 组成的比较器，在与LM393 比较器芯片所接的分压电阻分压后的模拟电压进行比较，进而得出DO数字信号（高低电平1 或0）。其中的C1、C2 为滤波电容，C1 电容的用处是对对电源进行滤波，为了让电源输出更稳定。C2 电容对模拟信号进行滤波，从而保证模拟信号输出的稳定性。通过这两处应用，可以有效地减少测量时的误差，R2、R3 均为串联在LED 灯线上的限流电阻，来保护LED 灯，防止其烧坏，LED 灯均为低电平亮。R4 的作用是作为上拉电阻，它主要是把不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，相当于一个钳子，把高出阈值（或设定值）的信号卡在那里，同时它还能起到限流作用。从而保证LM393 比较器输出的高低电平信号在进入单片机引脚连接时的读取更加稳定。

图5 LM393 及引脚图输入输出

这里需要说的是，LM393 是常用的电压比较器，具有高增益、宽频带等特点。

图6 霍尔传感器模块内部电路图

当转速突然下降时，中心处理程序会根据称重传感器和ADCO8O9 以及AT89C51 对物料的重量进行判断，决定是否停止物料的输送，并会通过中心控制向电磁阀下达指令，主轴停止旋转，并点亮报警器，此时可以选择人工操作或者不去管它让其自动运行，当旋钮选至人工操作时，控制系统自动切断主电源，仅保留数据采集以及控制系统电源供应，电机、传动轴保持静止，防止对操作员造成误伤。当报警十秒后无操作，系统自动反向旋转，在反向旋转相应时间后（实验设定值10 秒）系统重新开始正向运转，如果此时继续堵塞报警，系统会重复上次暂停（这次时间为15 秒），然后正向运转。当连续两次暂停后，继续发生堵塞，系统会根据指令断电停止运行，仅保留报警蜂鸣器电源持续报警。

图7

通常物料的堆积问题，不仅是加大对粉碎机的磨损或者烧坏电器元件甚至烧坏电机，更重要的是在实际操作中，许多农户会直接用工具将物料勾出，甚至直接用手取出，这样对人身安全有很大隐患，每年都有因粉碎机操作不当受伤的案例。本设备通过电气控制系统和新型机械结构的结合，利用51 系列单片机的稳定性以及普适性，通过压力和转速传感器的信号采集，充分利用自动控制手段，大大提高了粉碎机的智能化，既解决了堵塞问题，又节省各类人工，从根本上解决因物料堆积产生的一系列问题。