馬鈴薯收獲裝備拖拉機牽引阻力監測系統設計

趙 麗 楊術明 王富偉 張秦瑋

（1.北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學機械工程學院，寧夏 銀川 750021；3.北方民族大學機電工程學院，寧夏 銀川 750021）

寧夏馬鈴薯90%以上集中在中南部山區，馬鈴薯是寧夏南部山區地區重點發展的優勢特色產業，其中固原市馬鈴薯種植面積穩定在200 萬畝，農民人均純收入的四分之一來自馬鈴薯，馬鈴薯種植業是促進農村經濟發展和增加農民收入有重大作用的戰略性主導產業。收獲裝備作業現場調研結果顯示，現有收獲機具存在如下問題。

（1）挖掘進口高度不足，導致膜、秧、土擁堵問題突出，每20～30米作業距離需清理擁堵。

（2）機具動力輸入軸薯秧纏繞問題嚴重，每20～30米作業距離需清理纏繞。

圖1 馬鈴薯收獲裝備作業現場

上述擁堵、纏繞、土壤黏度大等因素導致馬鈴薯收獲裝備牽引阻力大，動力匹配不當，挖掘作業不連續、不穩定問題突出，如圖1所示。

馬鈴薯收獲作業現場拖拉機動力選取過大導致動力資源浪費，動力選取過小導致動力不足、作業不連續。針對這一問題開展馬鈴薯收獲裝備拖拉機牽引阻力測試技術研究。李祥在分析挖掘部件和關于牽引阻力相關理論的基礎上，設計了一種馬鈴薯挖掘阻力測試裝置，通過田間試驗，分析前進速度、鏟面傾角、鏟刃斜角對牽引阻力的影響，并進行參數優化，從而減小馬鈴薯挖掘機的牽引阻力，降低功耗[1]；吳海平等為了探知振動鏟篩的實際降阻效果，設計了動態測試裝置，并進行了幾種不同作業狀況下的牽引阻力測試[2]；高文杰等以離散動力學為基礎，建立拖拉機機組工作平衡時拖拉機各模塊的數學模型，對CATIA二次開發建立拖拉機機組匹配系統[3]；鄧偉剛針對馬鈴薯收獲機工作過程中牽引阻力和功率消耗大的問題，以挖掘鏟為研究對象，對正切時的牽引力模型進行了修正，建立了同時適用于正切和滑切的牽引力模型[4]。

傳統機械拉力表存在測試數據不準確、實時性差等問題，本文集成單片機技術、傳感器技術及無線傳輸技術設計馬鈴薯收獲裝備拖拉機牽引阻力監測系統。傳感器實時監測牽引阻力，數據經子控制器處理并經無線傳輸模塊實時傳輸至主控制器，主控制器將數據發送至上位機監控系統。測試結果表明，該系統可實現數據遠程、實時采集與存儲，為優化馬鈴薯收獲裝備拖拉機動力匹配提供了重要參考。

一、系統總體方案設計

馬鈴薯收獲裝備拖拉機牽引阻力無線監測系統主要由數據采集部分、無線傳輸部分和監測部分三部分組成。牽引阻力測試過程中，數據采集部分安裝于受負荷拖拉機和收獲裝備之間，實時采集拉力并將數據發送至無線傳輸部分，無線傳輸部分進而將數據傳輸至監測部分，監測部分完成數據的處理分析及存儲。系統總體設計方案如圖2所示。

圖2 拖拉機牽引阻力無線監測系統總體設計方案

二、數據采集模塊設計

（一）數據采集模塊設計方案

拉力傳感器通過拉鉤連接拖拉機和馬鈴薯收獲裝備。傳感器采集的拉力信號形式傳輸至單片機系統，單片機系統對模擬信號數據進行處理，連續多次采集并進行均值濾波，濾波后的拉力值通過單片機串口發送至無線傳輸模塊，數據采集模塊設計方案如圖3所示。

圖3 數據采集模塊設計方案

（二）硬件設計

1.傳感器選型

拉力傳感器選擇S 型梁體結構傳感器-QLLY，如圖4所示，技術參數如表1所示。

圖4 拉力傳感器實物圖

表1 拉力傳感器技術參數表

2.采集模塊結構設計

基于SolidWorks開展數據采集模塊三維結構設計，設計結果如圖5、圖6所示。

圖5 數據采集模塊三維結構

圖6 數據采集模塊內部結構

（三）軟件設計

利用KEIL 開發了數據采集模塊單片機軟件，軟件主要實現了初始化、拉力傳感器數據采集、AD轉換、均值濾波、串口發送等功能，軟件工作流程如圖7所示。

圖7 單片機系統軟件流程圖

三、無線傳輸模塊選型

無線傳輸模塊為DTU、移動基站、Internet 構成的無線通信網絡，其中一個與分控制器系統連接，完成數據發射，另一個與主控制器連接，完成數據接收，DTU無線傳輸模塊如圖8所示。

圖8 DTU無線傳輸模塊

四、監測模塊設計

（一）上位機監控面板設計

基于LabView軟件開發了馬鈴薯收獲裝備拖拉機牽引阻力測試系統監控面板，主要由顯示儀表、圖像曲線、數據存儲、測試控制等模塊組成，監控面板如圖9所示。

圖9 監控面板

圖10 上位機程序框圖

（二）上位機程序設計

上位機程序包括串口初始化、串口緩沖、數據截取與保存等模塊，圖形化程序框圖如圖10所示。

五、結論

針對上述設計馬鈴薯收獲裝備拖拉機牽引阻力監測系統開展了功能測試，結果表明，該系統能夠穩定、可靠、實時采集牽引阻力數據，為優化馬鈴薯收獲裝備拖拉機動力匹配提供了重要參考。