趙虎，田斌，孫偉，張華，劉小龍，李輝，賈博喧

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

由于室內(nèi)土槽試驗(yàn)臺不受季節(jié)和農(nóng)時等自然條件的影響，可以對田間工況重復(fù)模擬[1-2]，已成為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)過程中的重要設(shè)備[3-4]。目前，國內(nèi)外的一些科研單位和大學(xué)設(shè)有土槽試驗(yàn)裝置。國外如美國、意大利、英國等，國內(nèi)如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等設(shè)置有針對多種土壤工作部件的土壤試驗(yàn)臺[5]。美國WES 土槽試驗(yàn)臺臺車[6]由電動機(jī)驅(qū)動臺車在鋼軌上運(yùn)動從而達(dá)到測試目的；ARRIAGA 等[7]研制了牽引動力為40 kW 拖拉機(jī)可調(diào)節(jié)尺寸的土槽試驗(yàn)臺。隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)開始被引入現(xiàn)有土槽測試臺中，意大利建成通過液壓驅(qū)動的土槽試驗(yàn)臺[8]。國內(nèi)試驗(yàn)土槽起步較晚，但由于吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)土槽在設(shè)計(jì)時應(yīng)用了自動化技術(shù)。例如，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)趙祚喜等[9-10]研制了遙控土槽控制系統(tǒng)，并通過不斷優(yōu)化增加了計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)與臺車定位系統(tǒng)；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的土槽試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)車的自動控制以及數(shù)據(jù)的自動采集、儲存和處理[11]。以上大部分為直線往復(fù)式土槽，由于工作部件的單向作業(yè)特性，必須退回起點(diǎn)再進(jìn)行試驗(yàn)，不能連續(xù)作業(yè)，只能進(jìn)行性能試驗(yàn)，且測試系統(tǒng)與顯示界面大多停留在虛擬樣機(jī)階段。顏華等[5]融合上、下位機(jī)的自動控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款圓環(huán)形土槽；陳建能等[12]通過PLC 對旋轉(zhuǎn)式圓形土槽試驗(yàn)臺進(jìn)行控制，使得該土槽運(yùn)行速度平穩(wěn)。這2 種土槽能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械在試驗(yàn)平臺上長時間循環(huán)作業(yè)，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，用土量大，能耗、噪聲及考慮振動對測量精度的影響都不適宜小型觸土部件測試，測試結(jié)果不通過圖線形式直接顯示，給使用者造成了一定不便。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 專用于觸土部件性能試驗(yàn)及可靠性實(shí)驗(yàn)的小型環(huán)形土槽控制系統(tǒng)，能夠?qū)ν寥篮?、功率、扭矩及受力?shù)據(jù)進(jìn)行及時存儲，并以數(shù)字與圖線2 種形式實(shí)時顯示。

1 小型環(huán)形土槽總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，小型環(huán)形土槽主要由槽體、觸土部件測試機(jī)構(gòu)、整形機(jī)構(gòu)、動力系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、顯示屏、萬向輪等部分組成。

圖1 小型環(huán)形土槽整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of small annular soil bin

觸土部件測試裝置由扭矩傳感器、挖掘裝置、信號發(fā)射器等組成，挖掘裝置的挖掘臂與扭矩傳感器連接，按照所需實(shí)驗(yàn)的要求調(diào)整安裝位置，測速裝置安裝在圓盤下部，由10 個磁鐵等距分布在圓盤上與圓盤上的霍爾元件相配合實(shí)現(xiàn)速度檢測。

1.2 工作原理

小型試驗(yàn)土槽的動力由異步電動機(jī)提供，電動機(jī)將動力傳遞給蝸輪蝸桿減速器，經(jīng)蝸輪蝸桿減速機(jī)減速變向后帶動觸土部件及測試系統(tǒng)工作。由霍爾元件進(jìn)行測速計(jì)算，當(dāng)霍爾元件多次重復(fù)檢測到小磁鋼的磁場時表明機(jī)器正常開始工作，機(jī)器繼續(xù)運(yùn)行并開始發(fā)送數(shù)據(jù)。觸土部件作業(yè)后，由安裝在其后的整形、鎮(zhèn)壓裝置完成土壤恢復(fù)，確保觸土部件工作環(huán)境的一致性。觸土部件測試機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速可以通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。扭矩傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過STM32 單片機(jī)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)化，并通過ATKLORA 發(fā)射模塊發(fā)送給上位機(jī)模塊和顯示屏模塊，上位機(jī)模塊將得到的數(shù)據(jù)保存，顯示屏實(shí)時顯示測試數(shù)據(jù)。

2 控制系統(tǒng)總體方案及關(guān)鍵電路

控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，硬件部分主要有：扭矩傳感器、霍爾元件、顯示屏、單片機(jī)、串口轉(zhuǎn)U口元件、上位機(jī)、無線發(fā)射模塊等。采用STM32F103 作為該系統(tǒng)的主芯片，該芯片是基于Cortex-M3 內(nèi)核，其主頻可達(dá) 72 MHz[13]。其包含18 個通道，可測量16 個外部和2 個內(nèi)部信號源[14]；可以實(shí)現(xiàn)單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行通道的A/D 轉(zhuǎn)換方式[15]。系統(tǒng)配置硬件如表1所示。將被測挖掘鏟臂安裝在傳感器的卡槽內(nèi)，通過螺栓固定并調(diào)節(jié)觸土部件入土深度，將霍爾元件安裝在裝置圓盤下部進(jìn)行測速。

表1 系統(tǒng)配置硬件表Tab.1 Hardware system configuration

2.1 系統(tǒng)控制方案

小型環(huán)形土槽系統(tǒng)控制原理圖如圖2 所示，控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊、顯示器顯示模塊、上位機(jī)儲存模塊組成。3 個模塊之間通過ATKLORA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊和顯示器顯示模塊均有獨(dú)立的CPU 進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)模塊直接由電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control block diagram

2.2 控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵電路

根據(jù)外部通道數(shù)量以及所需處理數(shù)據(jù)能力的要求，選擇嵌入式微控制器STM32F103C8T6 作為CPU。當(dāng)機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，將傳感器測試的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的PA 口傳遞給STM32F103，通過STM32F103 將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換并存儲，當(dāng)在一組數(shù)據(jù)存儲完成，數(shù)據(jù)信息通過無線發(fā)射接口ATKLORA發(fā)送給顯示器、上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控以及處理儲存。顯示器接收數(shù)據(jù)同時受CPU 控制。該系統(tǒng)以USB串口通信電路，采用CH340G 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，顯示器及上位機(jī)成功接收傳感器數(shù)值后將其解碼，并通過USART HMI 內(nèi)置函數(shù)將其顯示在顯示屏上，可以實(shí)時觀測到數(shù)據(jù)值。

表2 元器件IO 口分配表Tab.2 Component IO port allocation

2.3 測速及系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)程序

2.3.1 測速原理及控制

圓盤測速裝置對于測試過程中的速度要進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測及輸出，選用霍爾元件進(jìn)行測速，測速原理如下：

將霍爾元件接入PB12，并在測速模塊圓盤下端同軸心上等距分布10 個小磁塊。通過計(jì)算相鄰兩次脈沖信號的時間間隔從而得到其轉(zhuǎn)速。通過在開機(jī)后查看計(jì)數(shù)器值是否正常寫入判斷其工作狀態(tài)，同時開始接收扭矩傳感器和功率數(shù)值，數(shù)值精確到X.X r/min。速度值對應(yīng)空間如圖3 中所示A、B 二位。

圖3 str[]位置空間順序圖Fig.3 str[] position space sequence diagram

2.3.2 扭矩測量

本裝置通過扭矩傳感器所檢測到的扭矩值來衡量觸土部件在實(shí)驗(yàn)中的受力情況，選擇工作電壓為5 V 的雙法蘭DYJN-101 型扭矩傳感器。為了保證測試精度與電路安全，進(jìn)行分壓處理以確保單片機(jī)可以正常進(jìn)行工作。如圖4 所示，在扭矩傳感器上接入2個10 K分壓電阻（R）將5 V電壓變?yōu)?.5 V,所用扭矩傳感器（DYJN-101）的量程為1 000 N·m，因此3.3 V 對應(yīng)的扭矩（T）應(yīng)為 （1 000/2.5）×3.3=1 320 N·m。又因?yàn)榕ぞ貍鞲衅髡加?2 位空間，故應(yīng)將1 320 分為4 096 份。當(dāng)單片機(jī)將所測得的數(shù)據(jù)存儲后與所計(jì)算出的分配單位乘積作為扭矩傳感器的真實(shí)值。

圖4 扭矩傳感器分壓原理圖Fig.4 Schematic diagram of torque sensor partial voltage treatment

2.3.3 功率測量

功率是機(jī)械評價的重要指標(biāo)，本裝置消耗的功率無法直接測出，選擇利用功率與扭矩、運(yùn)動之間的相互關(guān)系，按照如式（1）計(jì)算。

式中：P——功率，kW；Tn——3 個扭矩之和，N·m。

通過計(jì)算3 個扭矩傳感器的值，得到每1 組扭矩在當(dāng)時的速度情況下對應(yīng)的功率值，功率值與所測得扭矩值一一對應(yīng)。在得到數(shù)值后，首先按照上述方式進(jìn)行分位處理，然后將其存儲到其對應(yīng)的I、G 兩空間中。

2.3.4 數(shù)據(jù)存儲

機(jī)器開始運(yùn)轉(zhuǎn)所測得的扭矩傳感器的值通過IO 口將模擬量傳遞給單片機(jī)，通過單片機(jī)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)存放在adc_date[]中，并作上述運(yùn)算得到的真實(shí)值存儲在str[]中。對所得到的數(shù)據(jù)做如下處理：一個數(shù)據(jù)值所對應(yīng)的存儲為二位，速度值對應(yīng)的為A、B 空間。將所得數(shù)據(jù)除以100 后得的數(shù)字存儲在A 空間；將數(shù)據(jù)與100 進(jìn)行取余處理，所得數(shù)據(jù)放置在B 空間。其余對應(yīng)關(guān)系如圖3 所示。另外，除標(biāo)志位外均可為0，當(dāng)為0 時代表其并未接入或造成短路。當(dāng)系統(tǒng)檢測到標(biāo)志位時開始通過ATKLORA 向顯示屏與上位機(jī)發(fā)送。

3 顯示方式及上位機(jī)儲存

3.1 數(shù)據(jù)顯示

為了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定進(jìn)行，實(shí)時對可能發(fā)生的問題進(jìn)行及時發(fā)現(xiàn)與調(diào)整，將單片機(jī)通過ATKLORA實(shí)時發(fā)送而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。顯示器顯示模塊軟件流程圖如圖5 所示，單片機(jī)程序中所發(fā)送字符名稱與顯示屏定義顯示數(shù)據(jù)名稱時刻保持一致。通過ATKLORA 接收端與其相連的CPU 將接收到的數(shù)據(jù)向顯示屏程序傳遞，顯示屏頁面如圖6 所示。

圖5 顯示器顯示模塊程序框圖Fig.5 Display module program block diagram

圖6 顯示屏頁面圖Fig.6 Display page map

通過WorkRate.txt="10"進(jìn)行測試，測試成功后CPU 向顯示屏發(fā)送通訊協(xié)議代碼3 組0xff，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，通過顯示器顯示模塊的CPU 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，檢測到0d、0a 標(biāo)志位后標(biāo)志一組值接收完成，當(dāng)顯示器接收到后，激活顯示器內(nèi)設(shè)程序。導(dǎo)入USART HMI 的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原處理，通過USART HMI 的“.txt”函數(shù)將傳入解析過的數(shù)值通過數(shù)字形式顯示在顯示器面板上。同時，通過USART HMI 的“add”函數(shù)，將所得的數(shù)據(jù)值實(shí)時擬合為曲線顯示在顯示界面上。

3.2 上位機(jī)存儲

上位機(jī)儲存模塊軟件流程圖如圖7 所示，主要分為上位機(jī)數(shù)據(jù)讀入存儲模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)調(diào)用模塊2 個部分。通過易語言5.8 進(jìn)行上位機(jī)編程。通過文本框編輯主頁面并在主頁面添加2 個按鈕——數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查看，如圖8 所示。

圖7 上位機(jī)儲存模塊程序框圖Fig.7 Block diagram of host computer storage module

圖8 上位機(jī)操作頁面Fig.8 Host computer operation page

上位機(jī)數(shù)據(jù)讀入儲存模塊在工作時，先進(jìn)行配置串口，將串口配置與CPU 相一致后，用過ATKLORA 接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，通過程序語句來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取是否完成的判斷。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢后按位進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，具體與顯示模塊數(shù)據(jù)解析模式相同。將所解析數(shù)據(jù)連同接收數(shù)據(jù)所接收到的時間點(diǎn)，按照時間順序進(jìn)行存儲。添加完成后，在數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入編輯。添加窗口程序集，完成后在編輯頁面之下新建工作表，將工作表中分為轉(zhuǎn)速、扭矩A、扭矩B、扭矩C、功率，并定義每一種數(shù)據(jù)類型，方便將STM32F103 通過ATKLORA 發(fā)送端所發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對號入座。在數(shù)據(jù)查看按鈕下編輯查看頁面，利用編輯工具模塊進(jìn)行構(gòu)建，并將相對應(yīng)的數(shù)據(jù)通道口進(jìn)行定義與標(biāo)定。

數(shù)據(jù)查看模塊是進(jìn)行特定點(diǎn)查看所必須的模塊，其主要作用是將所需要查看的數(shù)據(jù)時間輸入查看窗口，程序在數(shù)據(jù)庫中通過所給定的時間對相應(yīng)的時間點(diǎn)進(jìn)行檢索，并調(diào)取該時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，顯示在數(shù)據(jù)查看窗口。

4 系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證小型環(huán)形土槽控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理，通過對不同鏟面角度的馬鈴薯挖掘鏟進(jìn)行土槽實(shí)驗(yàn)，即將預(yù)設(shè)的顯示模塊、儲存模塊以及得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)情況與文獻(xiàn)中相對比，對比預(yù)設(shè)是否達(dá)到要求且最佳安裝角度是否一致。

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)開始前對試驗(yàn)土槽內(nèi)進(jìn)行土壤填充，土槽深度為550 mm，填充土壤高度為400 mm。土槽內(nèi)土壤分3 層，下層為直徑0.5～1.0 mm 的砂石鋪設(shè)，厚度為100 mm，中間層為直徑1.5～2.0 mm 的砂石，鋪設(shè)厚度為100 mm[16]；上層鋪設(shè)蘭州地區(qū)黃綿土，厚度為300 mm，土壤水分為13.93%。

由文獻(xiàn)[17]可知，馬鈴薯收獲機(jī)收獲過程中前進(jìn)速度為0.5～0.7 m/s，本次實(shí)驗(yàn)中選擇前進(jìn)速度為0.6 m/s，即馬鈴薯挖掘鏟的線速度v0=0.6 m/s。馬鈴薯挖掘鏟環(huán)繞土槽試驗(yàn)臺的半徑為1 m，故觸土部件測試機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速n0=5.73 r/min。電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，計(jì)算可知最大轉(zhuǎn)速為12.87 r/min，故將歐瑞2 000 變頻器設(shè)置為23.71 Hz。

4.2 實(shí)驗(yàn)方案與過程

將所測試的馬鈴薯挖掘鏟的入土角度分為15°，20°，30°，3 組在同樣的深度、同樣的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將最終得到的受力值與真實(shí)情況進(jìn)行對比用以驗(yàn)證土槽的實(shí)用性。

土槽內(nèi)填入蘭州市某地區(qū)挖掘的黃綿土，實(shí)驗(yàn)前在土槽內(nèi)澆水以提高土壤水分，并測量其含水率，土壤硬度為自然狀態(tài)下土壤。實(shí)驗(yàn)時，土槽內(nèi)土壤填充高度為400 mm，通過挖掘測試裝置來調(diào)節(jié)入土角度，利用電子量角器進(jìn)行測量以保證角度準(zhǔn)確。調(diào)整完成后，通過扭矩傳感器前方連接部件調(diào)整其入土深度，使其實(shí)際入土深度保持在250 mm 左右，調(diào)整好后開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)場景如圖9 所示。

圖9 土槽試驗(yàn)圖Fig.9 Soil bin test diagram

實(shí)驗(yàn)開始前，將數(shù)據(jù)接收端口與電腦端相連，打開數(shù)據(jù)采集軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。調(diào)整變頻器的頻率為23.71 Hz，挖掘鏟實(shí)際轉(zhuǎn)速為5.73 r/min。鏟面在受到土槽內(nèi)土壤的阻力下向后扭轉(zhuǎn)，扭矩傳感器將采集到的數(shù)值實(shí)時發(fā)送給顯示屏與電腦，并通過電腦端將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)后采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算整理后導(dǎo)出。由于采集到的值為扭矩，將其轉(zhuǎn)換為阻力整理，如圖10 所示。通過對3 種不同角度的馬鈴薯挖掘鏟在土槽內(nèi)相同土壤環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在安裝角度為20°時受到的阻力最小，在顯示屏與數(shù)據(jù)保存窗口按照預(yù)先設(shè)定顯示存儲，如圖11 所示。

圖10 不同安裝角度受力圖Fig.10 Force diagram of different installation angles

圖11 實(shí)時測試曲線圖Fig.11 Real-time test curve

將儲存在上位機(jī)中的數(shù)據(jù)整理后每組實(shí)驗(yàn)保留13 組數(shù)據(jù)。由以上數(shù)據(jù)可以看出，安裝角度從15°到20°的過程中，馬鈴薯挖掘鏟受阻力減?。划?dāng)安裝角度達(dá)到30°時挖掘阻力又一次增加，比原先15°時所受到的阻力更大。類似研究中，李祥[18]根據(jù)實(shí)際情況，得到三角平面挖掘鏟最佳的工作參數(shù)組合為鏟面傾角20°；楊小平[19]等在4U1600 型集堆式馬鈴薯挖掘機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)中為降低挖掘阻力安裝角度為21°～25°；李輝[20]在小型分離輪式馬鈴薯挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)、高海明[21]在4UM-600 型馬鈴薯挖掘機(jī)挖掘鏟的設(shè)計(jì)中也得同樣結(jié)論。綜上所述，本次環(huán)形土槽得到的最終結(jié)論與理論計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)情況一致。

5 結(jié)論

通過預(yù)先設(shè)置與環(huán)形土槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證，可以得出本文所設(shè)計(jì)的小型環(huán)形土槽所測試系統(tǒng)是真實(shí)可靠的，通過扭矩傳感器、STM32 單片機(jī)、顯示屏和上位機(jī)組成的數(shù)據(jù)測試、顯示與數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)能夠?qū)崟r將測試情況進(jìn)行反映與記錄，使得該小型環(huán)形土槽人機(jī)交互與數(shù)據(jù)傳輸存儲能力有了較大提升，能直觀地反映出觸土部件實(shí)時所受阻力情況，并及時記錄，大大減輕了人員在實(shí)驗(yàn)時的負(fù)擔(dān)。