张　韵，鲍向东，刘锡勇，许　敏

(贵州省山地农业机械研究所，贵州　550007)



丘陵山地小型稻麦联合收割机转速控制系统研制

张韵，鲍向东，刘锡勇，许敏

(贵州省山地农业机械研究所，贵州550007)

摘要：转速控制系统是机械设备运转的主控单元，也是稻麦联合收割机的核心构成部分，设计智能型转速控制系统是增强设备性能的关键。为此，以单片机AT89C51作为控制器，对机械转速控制系统进行了设计，研发了一种新型转速控制模块，旨在实现稻麦联合收割机自动化控制。

关键词：稻麦联合收割机；转速控制；PLC；丘陵山地

0引言

我国丘陵山地环境特殊，地质环境分布不均衡，影响了农业机械设备的正常运行。小型稻麦联合收割机是现代农业机械化的主要设备之一，对其结构进行优化设计，不仅降低了农田收割作业难度，而且全面提升了机械生产自动化水平。转速控制系统是机械设备的核心，利用PLC对稻麦联合收割机转速进行控制，可以实现“节能、安全、高效”等一体化收割生产模式。

1单片机控制系统

基于PLC技术设计系转速控制系统，实现了人机设备平台的一体化建设，为各种机电设备建立了虚拟化空间平台。鉴于PLC技术应用优势，转速控制系统设计要考虑机械结构与电器结构的分布要求，对转速控制系统升级改造提供科学的技术方案。此外，创建转速控制系统后期需注意维护与管理，及时检查系统程序与功能是否处于正常状态，及时采取有效措施进行改造处理。这些对于我国电机技术发展有着重要意义，可带动其它工业技术的革新进步。

2AT89C51性能及片内闪烁存储器

此次研究经过多方考察及性能实验，最终决定选择AT89C51单片机与稻麦联合收割机组建系统，是由于AT89C51单片机自身具备的功能满足直流电机转速控制系统的需要。

2.1　AT89C51的主要性能

AT89C51单片机作为一种全新的可编程控制器产品，在使用过程中能发挥出多个方面的作用，可对直流电机的转速控制系统实现严格的操作控制，促进整体工作运行效率的提升。此控制系统包括控制器、放大器、被控制对象电动机及测量元件，如图1所示。控制器由AT89C51单片机及其接口电路实现，单片机的输出信号是数字信号，要想能够驱动电动机必须要用D/A转换器把数字信号转换为模拟信号，测量元件采用霍尔开关式传感器。

图1　系统结构原理图

对稻麦联合收割机电机进行调速，要对电动机电枢回路电压进行调速，改变施加于电机两端的电压大小，使电机以某一速度恒速旋转。此次转速控制系统设计选择的是简单的比例调节器算法，能够对所设计系统进行调整控制，及时收集信息数据，以对相关系统结构加以修改调整。

2.2　片内闪烁存储器

片内闪烁存储器可实现数据一体化控制，为稻麦联合收割机操控提供了多功能平台，满足了收割机械设备的自动化控制要求。随着制造技术快速发展，E2PROM功能结构也在不断调整，多种产品可形成相对稳固的控制模式，如表1所示。

目前，美国ATMEL公司生产的带有片内闪烁存储器的AT89C51/89C52/89C55单片机，由于价格便宜，且与MCS-51系列兼容，受到了我国广大工程技术人员的欢迎。使用该系列单片机，省去了外扩存储器的工作，只需了解片内闪烁存储器的特性及如何对其编程即可。

表1　几种典型E2PROM芯片的主性能

2.3　D/A转换器及其与AT89C51单片机的连接

转换器的功能是为了将稻麦联合收割机不同的数据信号进行转换，把某一类形式的信号转变成其它类型的数据进行使用，转换器实际上就是信号转换装置。对于直流电机转速控制系统的设计，需要在自动化仪表设备和自动控制系统中把一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较后的信号，以便对各种信息数据的控制。此控制系统用于驱动直流电机的模拟信号，选用DAC0832转换器来完成。

3系统的软件设计

PLC技术是计算机操作系统实用性技术之一，借助PLC平台可实现多种信息处理要求，满足了收割机网络化操作平台使用标准。基于PLC技术设计转速控制系统，可为稻麦联合收割机操作收割机建立广泛的交流平台，进而加快了转速控制调配要求。例如，建立子系统模块编成子程序，以便主程序调用。本控制系统模块子程序包括键值读入子程序、显示子程序、T0中断控制子程序及外部中断0子程序。

3.1　系统主程序流程图

控制系统主程序主要完成一些初始状态的设置、等待按键的输入、调用键值读入子程序、调用显示子程序及向ADC0832输出数据等，用于驱动直流电机，完成直流电机控制系统的整个功能。主程序流程如图2所示。

3.2　读键值子程序流程图

读键值子程序可以根据收割机运转方向进行控制，实现了收割机数字化控制要求，满足整体机械设备的操控要求，工作过程如图3所示。

1)在键盘扫描子程序中，首先判断键盘上有无键按下。其方法为：P1.4～P1.7输出全为0，读P1.0～P1.3的状态。若P1.0～P1.3为全1，则说明键盘无键按下；若不全为1，则说明键盘可能有按下。

2)借助数字软件持续运行10s；消除按键抖动情况，确实有键按下时，进行下一步。

3)求按下键的键号。用扫描法，逐列置0扫描，读入行线的状态，确定行值，再确定列值，从而确定键码。

4)保存键码。

3.3　显示子程序流程图

本次稻麦联合收割机控制系统显示部分采用4位LED显示器，前两位用于显示设定的电机转速值，后两位用于显示测得的电机转速值。LED显示器有两种显示方式，包括表态静态显示与动态显示。一是静态显示，一般片内I/O口不足供应，需要在片外扩充；适用于需要较少位数的场合；二是动态显示；输出口线少，占用的资源少。本控制系统采用动态显示方式，其程序流程如图4所示。

图2　系统主程序流程图

图3　键值读入子程序流程图

图4　显示子程序流程图

3.4　T0中断控制子程序流程图

T0用于定时器，用于定时采集电机的转速信号，并根据采集信号与给定信号进行比较，从而确定CPU向ADC0832输出的信号值大小，以便于CPU实时输出控制信号，控制电机的转速。T0工作于方式1，其子程序流程如图5所示。

图5　T0中断定时控制子程序流程图

3.5　外部中断0中断子程序流程图

外部中断0(即P3.2引脚)接霍尔开关传感器的输出引脚，用于把器传感采集的脉冲信号输入到单片机中的接口。所以，外部中断0子程序的功能就是把相关的计数脉冲缓冲器加1，如图6所示。

图6　外部中断0服务子程序程序流程图

4稻麦联合机转速控制实现方法

转速控制系统为稻麦联合收割机提供多样式控制平台，为农业生产操控提供不同的功能。随着互联网普及化发展，转速控制功能受到了广泛认可，设计符合收割机需求的转速控制平台是不可缺少的。PLC技术凭借其独特的功能优势，为转速控制系统设计提供诸多便捷，可从系统结构与操控平台等双方面建立数据库体系。例如，PLC单片机运用于直流电机控制后，按照稻麦联合收割机控制要求进行调整，构建了适合PLC操控的运行模式，如图7所示。

图7　直流电动机模型

4.1　直流电机的结构

直流电机自动化是人机交流的主要工具，PLC智能系统必须配备专用语言系统，根据人工语音输出提供语言信号转换模式，快速地掌握微型微机服务器功能定位型号，向稻麦联合收割机传送有效的语言指令。例如，智能数据库可利用语音识别技术对稻麦联合收割机身份进行验证，及时扫描识别不同稻麦联合收割机的身份。图8、图9分别为直流电机的结构示意图和剖面图。其收割机内部的定子、转子等结构部分均实现了电机系统的多功能控制。

图8　直流电机结构示意图

图9　直流电机的结构剖面图

4.2　稻麦联合收割机的调速特性

4.2.1改变串借电阻

基于PLC数据库设计调度平台，对稻麦联合收割机结构操控、机械运转及数字调配等实施一体化控制，实现了收割机生产与管理调度的统筹化。电阻在直流转速控制中具有重要作用，借助电阻平台实现了转速自动化调节，满足了不同级别电流供输操作要求。丘陵山地小型稻麦联合收割机控制中，利用电阻调节可降低线路耗损率，为稻麦收割操作提供更具稳定性的操控平台。例如，在PLC控制下，链耙输送器工作可靠，输送能力较强，只要谷物被耙杆抓取，就能被强制输送，如图10所示。

1.输送槽　2.输送链轮　3.被动一轴

4.2.2供电电压

现阶段，丘陵山地推广稻麦联合收割机具有可行性，农业机械化生产建立稳定的平台，加快了机电系统操控的技术性要求。基于PLC设计转速控制系统，主要是对供电电源结构进行调整，通过改变电压高低形式实现转速控制的自动化调控。本设计方案里，通过电压调试方式形成稳定的供输模式，改变了电压不均衡状态造成的不利影响。例如，“三角履带行走装置”操控平台为稻麦联合收割机建立了多样式平台，如图11所示。其中，橡胶三角履带首次应用在“微型联合收割机”上，既可在旱田又可在水田和烂泥田收割作业；驱动轮、承重轮和张紧轮采用高强度尼龙一次成型。

1.特制橡胶履带　2.驱动轮　3.行走装置支架

4.2.3改变电机速度

PLC技术是行业发展的“风向标”，凭借数据库强大的数据处理功能，稻麦联合收割机操控与管理模式实现了优化升级。我国丘陵山区地质环境特殊，稻麦联合收割机运行面临诸多难度，基于PLC技术促使生产模式升级，利用先进技术辅助自动化生产流程，帮助收割机解决了传统生产流程的不足，可实现产品价值的最大化，成为一个行业创新改革的根本举措。在稻麦联合收割机“分离、清选、输粮、排渣”等结构一体化设计中，集分离、清选、输粮、排渣部分设计为一体，使结构小巧、紧凑；采用机械和气流双重排草，保证排草顺畅，提高了机器可靠性，如图12所示。

4.2.4改变磁通状态

稻麦联合收割机电机控制系统中，利用改变磁通方式体现出转速控制的优势，帮助操控者实现自主化调控。

1.出粮口　2.接插板　3.接插槽　4.隔离板

5结论

山地丘陵地质环境特殊，增加了农业生产作业难度，对稻麦联合收割机进行设计改造，提升电机转速控制系统具有可行性与实践性意义。AT89C51是机械自动化常用控制器，将其设定于稻麦联合收割机可提升设备作业效率，通过改变电阻、电压、速度等方式，实现了转速控制智能化调节，进而满足了联合收割机多功能运行需求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)12-0107-EA

Development of the Speed Control System of Small

Rice and Wheat Combine Harvester Zhang Yun, Bao Xiangdong, Liu Xiyong, Xu Min

(Guizhou Institute of Mountain Agricultural Machinery, Guizhou 550007, China)

Abstract：the speed control system is the main control unit of the mechanical equipment operation, but also the core component of the rice and wheat combine, design intelligent speed control system is the key to enhance the performance of the equipment. In this paper, the single chip microcomputer AT89C51 as the controller, the mechanical speed control system design, research and development of a new type of speed control module, so as to realize the rice and wheat combine automatic control.

Key words：rice and wheat combine; speed control; PLC; hill country

中图分类号：S225.3；S126

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0107-05

作者简介：张韵(1963-),女,江西玉山人，工程师，(E-mail)1054242499@qq.com。通讯作者：鲍向东(1963-)，男，上海人，研究员，(E-mail)2229577933@qq.com。

基金项目：贵州省科技厅项目(黔科合NY【2013】3058号)

收稿日期：2015-11-05