（农业机械化工程专业论文）基于LabVIEW的农机田间在线遥测系统的研究.pdf

青岛农业人学硕十学位论文摘要 基于l a b v i e w 的农机田间在线遥 测系统的研究 摘要 农机的测试主要分为室内测试和田间测试。室内测试有很大的局限性，田间在线测试 比较困难。本课题第一次把无线传输技术和l a b v i e w 相结合用于农机的田间测试，能较 好地完成田问在线测试的工作。 以由我校机电工程学院研制的4 h ，2 花生收获机为被测对象，首先分析了4 h - 2 花生 收获机的空间受力情况，并根据其受力情况设计了可以在线测试且不影响花生收获机正常 工作的测力架，在测力架上设计传感元件，可以测试花生收获机所受各个空间参量。 农机的田间在线测试中，一个重要的问题是信号如何传输到外界。在本课题中，设计 了一套基于8 9 s 5 2 单片杌的数据采集系统。系统包括模数转换器m a x l 8 2 、8 9 s 5 2 单片机， 射频收发器s r w f - 1 0 6 等，使系统能实现数据无线传输的功能。本系统与传统的电缆传输 系统相比，提高了数据采集的抗干扰性，灵活性。 在数据处理的技术上，本课题采用了虚拟仪器一一【，a b v i e w 代替传统仪器，虚拟仪 器有强大的数据处理功能。通过l a b v i e w 编写的程序，能够完成信号的读取、实时显示 ( 波形显示和数值显示) 和存储等功能；并可以对信号进行时域分析。频域分析。 关键词：农机测试，数据采集，串行通信，无线发送，数据处理 青岛农业人学硕十学位论文 摘要 d e s i g n o fa no n l i n et e s t i n gs y s t e mo f a g r i c u l t u r a l m a c h i n e r yb a s i ci nl a b v i e w a b s t r a c t a g r i c u l t u r a lm a c h i n e r yt e s t i n gi sm a i n l yd i v i d e di n t oi n s i d et e s t i n ga n df i e l dt e s t i n g i n s i d et e s t i n gh a s l i m i t a t i o n s ，f i e l dt e s t i n gi sm o r ed i f f i c u l t i nt h i sr e s e a r c h ，i ti st h ef i r s tt i m et o c o m b i n ew i r e l e s st r a n s m i t t e c h n o l o g yw i t hl a b v i e w t ou s ef o rf a r mm a c h i n e r yt e s t i n g t h i ss y s t e mc a nc o m p l e t et h et a s ko fo n l i n e t e s t i n gw e l l i nt h er e s e a r c h t h et e s t e do b j e c ti s4 h 一2p e a n u th a r v e s t i n gm a c h i n ew h i c hi sm a d eb yc o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n go fo u rs c h 0 0 1 f i r s t l y , i ti sa n a l y z e dt h a tt h es p a t i a lf o r c eo f4 h 2 p e a n u th a r v e s t i n gm a c h i n e a c c o r d i n gt ot h es p a t i a lf o r c e ，ad y n a m o m e t e r i sd e s i g n e d ，w h i c hc a nt e s to nl i n e ， b u td on o ti n f l u e n c et h en o r m a lw o r ko ft h ep e a n u th a r v e s t i n gm a c h i n e as e n s o re l e m e n ti si n s t a l l e do nt h e d y n a m o m e t e r a ni m p o r t a n tp r o b l e mo f f a r mm a c h i n e r yo n l i n et e s t i n gi sh o wt ot r a n s m i tt h ec o l l e c t e dd a t ao u t ，t os o l v e t h i sp r o b l e m ，ad a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi sd e s i g n e db a s eo n8 9 s 5 2s i n g l e c h i p t h es y s t e mm a d eo f m a x l 8 2 a dc o n v e r t o ra n d8 9 s 5 2s i n g l e c h i pa n dat w o w a yr a d i on a m e ds r w f 一1 0 6a n ds oo n i tc a nw i r e l e s s t m n s m i tt h es i g n a l c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw i r et r a n s m i s s i o n ，i th a si m p r o v e dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y a n da g i l i t yo f s i g n a lc o l l e c t i n g v i r t u a li n s t r u m e n tn a m e dl a b v i e wi su s e df o rd a t ap r o c e s s i n gi n s t e a do ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n ti nt h i s s t u d y l a b v i e wh a sp o w e r f u lf u n c t i o ni nd a t ap r o c e s s i n g t h ep r o g r a mc o m p i l e dw i t hl a b v l e wh a st h e a b i l i t i e so fr e a d i n gs i g n a l r e a l t i m es h o w i n ga n dd a t as t o r i n ga n ds oo n ，i t a l s oe l mb cc a r r i e do u t t i m e - d o m a i na n a l y s i sa n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s k e y w o r d s ：t e s t i n go ff a r mm a c h i n e ；d a t ac o l l e c t i n g ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；w i r e l e s st r a n s m i t i o n ；d a t a p r o c e s s i n g i l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明芽表示谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者签名 节年月q 臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签字： 毒。永良 签字同期：叫年b 月纠同 y多i ，zv 同天矽 出多岫 名 年 签 哼 者 护 帆 ： 文 期 论 r 位 字 学 签 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 我国是个农业大国，现有耕地1 9 5 l 亿亩，其中机耕面积占5 5 亿亩。农民占我 国人口的8 0 1 3 。现在农业机械在农村非常普及，但是农机的工作环境和条件依然非常恶 劣。农机的作业质量需要保证，农民的人身安全需要保障，一种好的农机测试方法能更好 的保证农机质量。 测试技术与科学研究、工程实践密切相关。在各种新产品的设计和制造工作中，测 试工作的重要性已占首位。测试系统的成本己达生产该产品总成本的5 0 一7 0 ，它是保 证产品实际性能指标和正常工作的重要手段，是其先迸性能及实用水平的重要标志。在农 机产品的生产中也是如此，一台新型的机器问世以后，首先就要对它的各项性能指标进行 测量和试验。检验其是否符合最初的设计要求。测试技术的先进性直接影响着新产品的性 能和质量，以及产品更新的周期。农机测试的基本目标是为农机理论研究和产品设计提供 科学数据。农机测试的另一目标是分析产品质量和工作性能l ”。 农机测试一般分为室内测试和用问测试i ”。农机测试通常是在室内进行。有多种室内 测试的技术、方法。农机的室内作业是模仿阡l i 日j 工作，有很大的局限性。农机在f f i 问作业 时会遇到很多随机现象，室内测试不能尽全模仿，有一定的误差。由于这些随机因素，用 问在线测试有一定的难度。现在科技非常发达，计算机及电子技术等很多高新科技广泛用 于各行业，包括农业。利用计算机及电子技术能解决用问在线测试的很多难题，并提高测 试精度和工作效率。本课题还利用了虚拟仪器技术。取代传统仪器，大大提高了测试系统 的性价比。 1 2 国内外研究现状 1 2 ，1 基于土槽的测试系统 七槽的优点是使用方便，槽内土壤容易控制，信号采集和传输都很容易实现，且重复 性强。尤其是室内土槽，不受自然条件和气候的影响，一年四季都可做试验。常用于科 学研究中，也用于农机的测试。 具有代表性的是华南农业大学洪添胜等研制的一套室内土槽计算机测试系统i ”。该系 统由土槽、试验台车和测试系统组成。可以对农机车辆和农机具的各参数测量。其土槽的 组成示意图如图l l 所示。该系统的硬件包括传感器、信号处理和控制部分。其实验是以 犁为试验机具，所测得量主要有：拉力、扭矩、转速及台车的行进速度。该系统的测试软 件部分是用c 语言编写，试验数 青岛农业大学硕十学佗论文 1 绪论 据是通过记录仪 | 实现的。土槽的工 是对用闯工作的 阳删的真实工作 定的差异。并且土 用率比较低。通常 一项研究就需建 橹，研究结束后又 槽拆掉。这些都会 大的浪费。因此现 变频基电动机帆蛾变速馨电动机及变速装置 氍攀鹾露距 城簋邕垄墼堡錾置銮璺蕉；：量丝墼：鱼蛰垫鬓焦璧嚣：。 图1 - 1 室内土稽测试系统 f i g l - lt e s t i n gs y s t e mo i la ni n d o o rs o i lb i n 等仪器 作方法 模拟，与 还有一 槽的利 只为做 一个土 会把土 造成很 在有很 多研究所和大学己不再只为农机测试建土槽，转为田问测试的研究。 1 2 2 农机综合测试仪 农机综合测试仪是一种农机综合参数测量的装置。可测量牵引力、耕深、耕宽、角度、 速度、打滑率、油耗量等。适合于拖拉机和农机具f r 问试验时使用。主要由模数转换器、 电子二计数器、切换电路、译码器、显示器、时基等组成【”。农机综合测试仪是一种传统的 农机测量仪器，虽然它能测量多种参数，但其操作方比较麻烦，需要用传统的电缆进行数 掘传输，使测试工作比较繁琐，精度也不够高。 1 2 3 田间测试系统 1 9 8 9 年，w a t t s 和l o n g s t a f f 设计了种田i 、b j 测试的可移动式装置和数据处理系统f 6 l 。 系统包插：s c h o l t z 三点悬挂式测力计、动力输出轴上的扭矩一转速仪、测量机组前进速 俊的雷达传感器和转速的感应传感器、测量油耗的流量计及测量耕深的传感器等。该装置 易于安装，但每次安装时必须对各种传感器进行校正。 1 9 9 6 年，r a g n i 和s a n t o r 设计了一种可移动式测试系统，用于测试分析拖拉机和耕 作部件的相互作用1 7 j 。系统包括：三点悬挂式测力计、单轴向负载盒、动力输出轴上的扭 矩转速仪。另外还包括对轮速、驾驶角度、发动机转速、拖拉机倾角等参数测量的装置。 垓系统的缺点是只能安装在八十千瓦的拖拉机上，而不能转移到别的拖拉机上。 1 9 9 8 年，h a r r i v 等设计了一种用h j 单轴牵引式测试装置，可用于测量机具的牵引 力，前进速度、动力输出轴转速和扭矩、液压回路中的压力、流量以及耕作深度，通过附 加传感器，系统还能进一步测量拖拉机的滑转率及土壤表面的坡度等“。测试系统组成为： 单轴牵引装置、各传感器、三点悬挂式测力计、与动力输出轴转速和液压回路快速连接的 裴臀、p l c 控制的数据采集系统及标准p c 等。 上述农机测试系统，试验数据由人工处理，工作量大，计算结果不精确。而且采集频 2 青岛农业人学硕十学侮论文 1 绪论 率较低，信号容易失真测试精度低。 1 2 4 遥测系统 黑龙江农垦农鉴定站姜黎晨研制了一套农机的无线传输和数据采集系统”。采用自车 遥测与单片机数据处理相结合，适时实地进行数据采集、频谱分析、参数计算、磁记录及 显示。主要测的是拖拉机的制动力、扭矩、温度等。该系统的设计框图见图卜2 。这个系 统所用到的元件都比较低级，采样频率比较低，系统工作速度和精度都不是很高。 2 0 0 5 年7 月，由北 京f 农 业机械 试验签 定推广 站丌：发、 研制的 农业机 械现场 遥测车 通过了 非 压 电 i 乜 图i - 2 黑龙江农垦农机鉴定站遥测系统框图 f i g l 一2f r a m e w o r k o fad i s t a n tt e n t i n gs y s t e mf o rh e i l o n g j i a n gn o n g k e n f a r m m a c h i n e r ya p p r a i s a ls t a t i o n 技术箍定呷1 。遥测车采h j 局域网络进行数捌传输。它以播种机组为试验机具进行试验， 采州c c d 技术进行摊种精度的测量，利用g i ，s j 星定化系统洲量农业机械用l i h j 行走速度和 距离，用智能删 扛力传感器测以机器：【作阻力。这种逐洲4 i 利用的很多高新技术，同时也 造成成本增_ j ，就h 前一1 t m 农业的现：佚晰。、“并不利 ：推广。 1 3 虚拟仪器的概念和发展 1 3 ，1 虚拟仪器的概念 传统仪器在很长一段时间罩一直对人类生产生活起着巨大作用。2 0 世纪8 0 年代初， 随着计算机技术和通讯技术的迅猛发展，相继出现了智能仪器、卡式仪器等新型测试仪器。 它们是计算机技术、总线技术、数字化技术等与传统仪器技术相结合的产物。从2 0 世纪 8 0 年代末到9 0 年代初，随着世界科技水平飞速发展，特别是计算机软、硬件技术，总 线接口技术以及数字化技术的不断成熟，出现了以v x l 、p x i 等总线形式的自动化测试系 统。在此基础上，8 0 年代中后期，国外提出了虚拟仪器( v i a u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的概念， 青岛农业人学硕十学位论文 1 绪论 它是在专用仪器系统的基础上发展起来的新型仪器，很快得到了许多发达国家的认同。虚 拟仪器的实现代表了2 1 世纪测试仪器发展的新方向i l 。”l 。 虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术和电子仪器技术的发展而产生的一种新型 仪器，它是将仪器( 例如a d ，d a 转换器，i 0 ) 、计算机资源( 如微处理器，存储器， 显示器) 、软件( 例如软面板，图形界面，数据处理，信息交换等) 有效地结合起来，构 成的软硬结合、虚实共体的新一代电子仪器i ”。 图卜3 虚拟仪器的组成 f i g l - 3m a k e u po f v l 1 3 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器以硬件为基础，软件是其核心部分，所以素有“软件即仪器”之称。对于虚 拟仪器在构成上包括如下几个部分：( 1 ) 各种具有测试分析功能的软件，典型的如美国n i 的l a b v i e w 、h p 的h p v e e 和美国d a t a 。o gg r a b 的d a s y l a b 等，这些软件都象人的大脑 一样处于主宰地位：( 2 ) 计算机及相关的附件，这些如同虚拟测试仪器的心脏和动力；( 3 ) 商性能模数转换器和数模转换器，该部分如同虚拟测试仪器的左右手：( 4 ) 传感器和放大 器这相当于虚拟测试仪器的左右腿。其构成如图卜3 所示。 1 3 3 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器具有许多传统仪器无法比拟的优点( 见表卜1 ) ，用户可 自行定义仪器的功能和结构，且构建容易，转换灵活，因此应用领域十分广阔i i “。通过 查阅国内外各种相关杂志可知，虚拟仪器目j j 用在航空测试领域、工业、农业、国防、教 学与实验等各个方面。在农业工程领域，虚拟仪器的应用还在仞始阶段，主要局限于实验 室的研究中。随着科学技术的发展，虚拟仪器的应用范围必将越来越广阔盯- 2 ”。 4 青岛农业大学硕十学位论文 1 绪论 表1 _ 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b l e l - ic o m p a r ev i r t u a li n s t r u m e n tw i t ht r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 虚拟仪器传统仪器 开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发 展 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络 序既可。上门服务 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高 剐户可定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接 开发与维护费川降至最低 技术更新周 | l 短( 约1 2 年) 封闭性、仪器问相互配合较差 关键是硬件，升级成本较高，且升级必须f 载升级程 价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 只有厂家能定义仪器功能 功能单一，只能连接有限的独立设备 开发与维护费川较高 技术更新周期艮( 约5 - - 1 0 年) 1 3 4 关于l a b v i 酬介绍 现在比较常用的虚拟仪器平台有b a s i c 、v b 、v c 、d d l p h i 、l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 等。其中最常用的是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 开 发的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 。 a b a 为前面板；b 为后面板 图1 4l a b v i e w 环境 f i g l 一4c i r c u m s t a n c eo fl a b v i e w l a h v i e w 不仅是一个功能完整的软件开发环境，还是一种功能强大的编程语言1 2 4 - 2 6 1 。 它采用的是图形化语言，即g 语占( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 。非常易学，编程也非常简单。 图卜4 中的a 和b 图分别是一个l a b v i e w 程序的前面板和程序框图。 农机测试具有多因素、动念性和复杂性等特点，因此，采用传统的实验仪器来单独测 量各个指标，然后再用手工或其它方法进行数据分析处理，显然是比较费时、费力，且误 差很大；而采用虚拟仪器技术，能够对试验对象的各个指标同时进行数据的测量、实时处 理和实时分析，有利于节省不必要的浪费，更有利于提高测试水平，得出更精确的结论【3j 。 1 4 课题的提出 5 青岛农业人学硕十学位论文 农业机械的测试可以分为：田间测试和室内测试。同问测试中有很多因素是多变的、 不可控制的。一个重要的问题是测试信号如何传输，如果用传统的有线传输，由于电缆过 长，对信号有很大的衰减，传输的距离受到很大的限制；且有些地段条件比较恶劣，例如 水用内，很难展开电缆。而无线遥测可以很好地解决这些问题【2 7 l 。 农业机械的测试中，有些参数不能直接测出，需要把它分成几个分量进行测试，然后 把测试结果按照相应的方法合成所需参数，要求这些分参量必须是同一时刻的测量值，因 为不同时刻的分量合成是没有意义的。 对所测试的信号需进行多种类型的分析与处理，如数据的存储、时域波形的显示、信 号的频谱分析、信号的合成处理等。这些处理均需要借助于计算机的强大信号处理功能进 行。 综上所述，把信号无线传输和虚拟仪器技术结合起来应用于农业机械测试，不仅能够 提高农业机械测试的精确性、可靠性，而且用一台计算机代替所有的传统的数据处理仪器， 能够提高性价比。 1 5 研究的内容与技术路线 1 5 ，1 研究内容 研究内容主要分为测力机构选用与设计、信号采集与i j i 端处理系统设计、无线传输系 统设计和虚拟仪器信号处理编程设计。 机械测试主要包括农机的力学性能测试、运动参数测试、工作参数测试及其它。在本 研究中，主要测试内容为农机具在田间工作状态下的受力情况，如图1 5 所示。要测试这 些力学参数需要设计一些机构，该机构必须既不影响农机的币常工作，又能乖确的测出需 要的各个参量。 信号采集与数据前端处理系统设计，工作是根据需要选择符合要求的传感器。信号由 传感器传出后，首先要经过调理，包括信号的放大、滤波、a d 转 图卜5 农机测试内容 f i g l - 5c o n t e n to f f a r mm a c h i n e r yt e s t 青岛农业大学硕十学位论文 1 绪论 换等，之后可供单片机系统调用。要实现多通道信号同时采集，是将采集后的信号由采样 保持器把信号保持一段时间，直至单片机系统逐个调出，并按顺序逐个通过无线发送模块 向外发送。信号采集过程见图l - 6 。 图1 6 信号采集过程 f i g l 一6p r o c e s so f c o l l e c t i n gs i g n a l 由于农机在田问工作的环境比较恶劣，又限于中国农机的设施比较简陋，把计算机置 于农机上实时处理数据并不可行，需要把数据传输出去。传统的田间测试方法都是用电缆 传输数据，本课题选择无线传输，所用的无线收发模块为s r w f - 1 0 6 无线模块，如图1 7 所示，传输距离能到到1 5 0 0 米。它与外界有多种连接方式，本课题中，使用r s 2 3 2 串口 通讯数据线与外界连接t 。 圈1 - 7s r w f 一1 0 6 无线模块 f i g l - 7w i r e l e s sm o d u l en a m e ds r w f - 1 0 6 虚拟仪器捌有强大的信号处理功能，只需一台电脑就可以完成所有的信号各种处理工 作，包括存储、显示、分析等。l a b v i e w 的编程是用的图形语言，所编程序直观简易。使 用起束非常方便。 1 5 2 研究技术路线 首先选择我校机电工程学院研制的4 h 一2 花生收获机作为试验机具，研究并分析机具 在工作时的主要受力。然后选用框架式悬挂测力装置对4 h - 2 花生收获 7 青岛农业人学硕十学位论文 1 绪论 机的受力进行测量，框架为“n ”型，这种装置不影响拖拉机动力输出轴的使用。 在框架的受力敏感处粘贴应变片。应变片式传感器是将被测物理量( 力，位移，速度等) 成比例的转换成电信号的器件。把应变片的产生的电信号导出，进入数据采集系统。 信号经过滤波、放大、a d 转换后，再经过一对无线收发和r s 2 3 2 串口接线输入计算 机。采用信号多通道的同时采集，单通道的串行发送的方式。信号采集和调理电路由单片 机控制完成任务。数据传入计算机后，利用虚拟仪器强大的数据处理功能，对数据进行各 种分析、存储、显示等工作。 青岛农业大学硕十学位论文 1 绪论 测试系统的工作过程为：当花生收获机正常工作时，在远端控制的上位机发送开始采集命 令，下位机接收到控制信号，开始信号采集，信号经过单片机i j 端处理系统，通过无线收 发系统，传入上位机，进行数据处理并显示处理结果。采集结束时，由上位机发送结束采 集命令，系统停止工作。如图卜8 所示。 9 青岛农业人学硕士学位论文 2 机械结构的设计与选刖 2 机械结构的设计与选用 2 14 h 一2 花生收获机的介绍 4 h 2 花生收获机是由我校机电工程学院尚书旗教授主持研制的，它的收获原理是利 用一对相对的半开放框架的往复摆动进行收获，如图2 - 1 所示。在框架的底部和下侧面安 装挖掘铲和栅条，挖掘铲可以把花生从土壤中掘起，栅条的作用是通过往复摆动使被掘起 的花生和粘带的泥土分离。 图2 1 花生收获装置 f i 9 2 1t h ep e a n u th a r v e s t i n gi n s t a l l a t i o n 4 h - 2 花生收获机主要有限深轮、万向节、传动轴、偏心传动轮、连杆、长摆杆、立 轴、收获部件、长连杆、摆杆、悬挂装置、机架等零部件组成剐。其中摆杆、长连杆、长 摆杆形成反平行四边形机构，这种机构能够使一对相对的收获框架同频率反方向的往复摆 动。它的工作原理及工作过程为：该装置悬挂于拖拉机的后部，工作动力源于拖拉机的动 力输出轴，工作过程中在拖拉机的牵引下一方面前进，另一方面通过动力输出轴、万向节、 传动轴等一系列的传动机构，带动两个框架不断往复摆动，并不断前进，被挖掘出的花生 从框架中间的空间经过，然后可以很整齐的摆放在花生收获机走过的地面上，从而完成收 获过程。 2 24 h - 2 花生收获机受力测试装置的选用 2 2 14 h 一2 花生收获装置的空间整体受力分析 4 h - 2 花生收获机的收获原理是摆动收获，摆动式收获装置在作业时为均匀运动，机 体的整体受力比较平衡。由此可建立4 h 2 花生收获机的空间力学模型( 如图2 2 ) 。 0 青岛农业人学硕七学位论文2 机械结构的设计与选用 f ，i + f ，2 - ( f l + f 2 ) c d s 口 ( n3 + n4 ) s i n a 2 0 f “+ fr 2 十n 1 + n2 一g 一( f t + f 2 ) s i n a - ( n3 + n4 ) c o s 口2 0 m l + m2 + ( n l + n2 ) h 4 - g h l 一( n3 + n4 ) h2 一( f l + f 2 ) h3 2 0 = f 2 ；f 3 _ f 4 ；f 5 = f 6 ；f 2 f ，2 ； f “；fy 2 ：n 1 2 n2 ；n3 2 n 4 ： m l 。m2 以上各式中。h ，h ：。h ，h 。分别为 个对应作用点所受力到传感元件的距离； f f ，：牵引力的两个分力； f y l ，f 。：一垂直力的两个分力； m ，m ，一两个分扭矩； ，f ，一作用在两个挖掘铲上平行前进方向 的摩擦力； f ，f 。一作用在两个挖掘铲上垂直前进方 向的摩擦力； 1 ，测力框架2 、立轴 3 、栅条4 、挖掘铲图 图2 - 2 花生收获装置的受力分析 f i 9 2 2f o r c er e l a t i o n sf o rt h ep e a n u t h a r v e s t i n gi n s t a l l a t i o n l ，f 6 一栅条的工作阻力：g 一花生收获机的重力： n ，n ：支持力：n ，_ n 。一土壤对挖掘铲的作用力。 2 1 2 整体受力测试装置的选用 在测试时，花生收获机的动力源是泰山3 0 拖拉机，泰山3 0 拖拉机的悬挂机构是后 置、三点球铰谈型【3 0 l ；花生收获机的悬挂点是与8 8 k w 拖拉机的悬挂机构相配套的，因 此不能直接连接。选用我校尚书旗教授制作的兀型框架，测力框架可以实现泰山3 0 拖拉 机与花生收获机的衔接，它有两部分组成：1 、与泰山3 0 相匹配的悬挂架；2 、与花生收 获机相匹配的悬挂架。测力框架可以测定花生收获机在一定条件下所承受的整体的垂直 力、水平力和扭矩。 测力装置的结构有很多，如销实、杆式测力装置等1 3 1 1 ，由于4 h 2 花生收获机的工作 动力来自于拖拉机的动力输出轴，本试验采用国内外普遍采用的悬挂测力装置f 3 2j ，这种 装置连接在拖拉机和收获机之间，不会影响动力输出轴的使用。其基本结构如图2 3 所示。 图中的2 为传感元件，测力装置的两种悬挂架就是通过传感元件连接的，测试所用的应变 花( 片) 均匀布置在此元件上。 青岛农业人学硕十学位论文 2 机械结构的设计与选川 魍鱼 f 、泰山一3 0 拖拉机悬挂架2 、传感元件3 、花生收获机悬挂架 图2 - 3 测力框架 f i g2 - 3d y n a m o m e t e r 2 2 测力装置的标定 2 2 1 应变片的分布 图2 - 4 为粘贴在传感元件上的应变片的分命m 】。 矗i 融融 j 1 0 0 避：乙上一曼岛 墅兰- 4 一墨奠 醴二虬牟一点摄 夕竞均 ；矗期 巾 钼p 1 8 p 脚 3 6 0 + 矿) 图2 - 4 应变片( 花) 的分布与接挢方式 f i 9 2 _ 4d i s t r i b u t i n ga n dc o n n e c t i o no f s t r a i ng a u g el o a dc e l l 根据测力装置的实际工作需要，传感元件的材料选用4 5 钢管，其内径为4 5 m m 。外 径为5 5 m m 未得到良好的机械性能，对选用的材料进行调质处理一l ：淬火温度为 8 5 0 。c ，回火温度为5 5 0 。c ，油淬，调质后屈服极限盯，= 4 5 0 m p a 。 酗 青岛农业人学硕十学位论文 2 机械结构的设计与选朋 表2 - 1 测试系统的桥路连接情况 t a b l e 2 - 1c o n n e c t i o no f t e s t i n gs y s t e m r i r 2 ，r 3 ，r 4 rs ，r6 ，r 7 ，r 8 1 7 , 9 ，r i o ，r l l ，r 1 2 r 1 3 ，r 1 4 ，r 1 5 ，r 1 6 r 1 7 ，r t 8 r 1 9 ，r 2 0 r 2 l ，r 2 2 ，r2 3 ，r2 4 垂商应力i ( f “) 水平应力i ( f ，i ) 垂直应力l i ( f y 2 ) 水平麻力i i ( f ，2 ) 扭矩i ( m ，) 抖矩i i ( m2 ) 花生收获装置的整体受力通过传感元件的水平力、垂直力和扭矩来反映，测力装置主 要进行花生收获装置整体所受载荷的测定，根据花生收获装置的空间受力情况，沿着花生 收获装置所受力的主应力方向贴应变片，各个物理量都采用全桥接线的方法，以保证传感 器的灵敏度。表2 1 为各桥路的连接情况和所测量的参量。 2 2 2 传感器的标定 标定( 率定) ：通过试验建立传感器输入量与输出量之问的关系。 标定曲线：试验求得的传感器输入量与输出量之间的关系曲线( 输出特性曲线) 。 标定方法：利用己知的标准值输入到待杯定的传感器中，传感器得到相应的输出量， 将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线p 。 花生收获机的整体测力架是在静念状态的进行的标定，把测力架固定在一个悬空的横 梁上然后按照测力架的受力方向分别给测力架添加定量的力。在由测定系统测量出传感器 的变化。每个电桥在原始状念下时并不平衡的，需要加入一个平衡电阻，该电阻是一个可 调电阻，平衡电阻的作用调零，即全桥在零负载时输出为零。其电路图如2 5 所示。图中 r 。为平衡电阻。 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 青岛农业人学硕士学位论文 2 机械结构的设计与选用 图2 - 5 电桥平衡电路 f i 9 2 5b a l a n c ec i r c u i to f ab r i d g e f 邑桥的工作电压为5 v ，六个全桥电路的平衡电阻要达到平衡，其各自平衡电阻的调 整值见表2 - 2 。 表2 - 2 各电桥的平衡电阻值 t a b l e2 - 3v a l u eo f b a l a n c er e s i s t a n c ei ne v e r yb r i d g e 桥路 l23456 i 平衡阻值 ( q ) 2 1 7 4 3 1 1 62 5 1 21 9 0 32 7 4 12 0 5 2 标定步骤： ( 1 ) 、在空载状态下，调节电桥平衡电阻，是电压输出为0 。 ( 2 ) 、从零开始逐级加载至额定载荷，每次加载量为2 0 0 n ，待到系统稳定后记录相 应的载荷与输出电压值。 ( 3 ) 、逐级卸载，记录相应的载荷与输出电压值。表2 3 为各电桥在不同载荷下的输 出值。 传感器的标定就是要求出传感器的输入量和输出量之j 1 日j 的关系，由于传感元件在工作 中所承受的载荷没有超过材料的线性极限，因此传感器的标定曲线基本上为一条直线。但 是肯定存在非线性误差，造成这种误差的原因是：1 、转换原理的非线性，如电涡流传感器 线圈阻抗与距离的关系；2 、实际因素的影响如变面积式电容传感器受电极电场边缘效应 的影响；3 、电桥的非线性等n ”。 出于力与电压之间的关系呈线性，所以系统采用一元线性回归计算标定曲线夕= a + b x ， 青岛农业人学硕十学位论文2 机械结构的设计与选用 其中，x 代表加载力值( n ) ，多代表公式中算出的电压值( m v ) ，a 、b 为线性回归系统。 用这条回归直线算出的值，代表测定的数掘的平均值，实 表2 - f l 测试系统的标定值 t a b l e 2 - 3d e m a r c a t ev a l u e o ft e s ts y s t e m f “( n )f ，i ( n ) f y 2 ( n )f ，2 ( n ) m 1 ( n 。m ) m 2 ( n 。m ) 测值与平均值多之差v = y - 多代表残差。残差v 越小，说明回归直线越接近理想的最 佳直线。利用最小二乘法1 3 8 - 3 9 1 的基本思想，要求： 青岛农业人学硕十学伊论文2 机械结构的殴计与选_ l j q ，= v ( y ，- 9 ) 2 = 【j ，- ( a + b x ，) 】2 = m i n 根据辍值原理，令a q ，- o a q ，1 3 bi o ，即可求得a 、b 的值， a = y b x 扣，。1 。 其中；= 击缸歹= 吉喜y 6 = 羹；c x 一；，2 = 薹；x ? 一击( 萋；x ，) 2 。= 喜c 一一硕”一i ) = 喜一只一去喜一喜y 式中n 为试验数据个数在此n = 6 。 图2 - 6 最小二乘法拟合程序 f i 9 2 6p r o g r a mo fr e t u r n i n gl i n e a rd a t au s i n gl e a s ts q u a r e 在本课题中，直线的拟合过程是通过软件实现的，拟合程序是用l a b v i e w 语言编写 青岛农业人学硕十学位论文 2 机械结构的设计与选_ l l j 的。在l a b v i e w 中有v i ：l i n e a rf i t v i ，其功能就是以最小二乘法把所输入的数据拟合 成一条直线，整个拟合程序以l i n e a rf i t v i 为核心，不但可以显示出拟合的直线，而且还 可以得出拟合方程，即而得出传感器的标定系数。在程序运行之前，先把六个电桥的测量 值分别存为六个文本格式的文档；在程序执行时，程序会从这六个文档中调取数据。拟合 程序的前面板如图2 - 6 所示。面板上面的方框中的直线为拟合后的直线，直线上的点为拟 合值，点旁边的的“x ”表示原始数值，由图中可知传感器的变化基本呈线性。在面板下 面的方框中可以直接显示拟合方程，以及斜率等。在面板的右面有- n 数值，把原始数值 通过最小二乘法调整后的数值可以在这罩显示。 在程序上可以直接得出各电桥的线性回归方程如下： 1 桥的回归方程为： v 一0 3 3 + 0 2 0 5 nv 一电桥输出电压；n _ 一承受负载 标定系数为0 2 0 5 m v n 。 2 桥的回归方程为： v = - 4 9 5 + 0 1 4 3 n 标定系数为0 1 4 3 m v n 。 3 桥的回归方程为： v = ：0 4 7 6 + 0 2 0 7 n 标定系数为0 2 0 7 m v n 。 4 桥的回归方程为： v = 4 8 5 7 + 0 14 5 n 标定系数为0 1 4 5 m v n 。 5 桥的回归方程为： v = - 4 1 + o 3 2 8 n 标定系数为o 3 2 8 m v n 。 6 桥的回归方程为： v = 4 8 l + 0 3 3 l n 标定系数为0 3 3i m v n 。 2 4小结 v _ 一电桥输出电压：n 承受负载 v 一电桥输出电压：n 一承受负载 v 一电桥输出电压：n 一承受负载 v 一电桥输出电压；n 一承受负载 v 一电桥输出电压：n 一承受负载 4 h 2 花生收获机室悬挂式工作机具，在工作时使用拖拉机的上下拉杆与拖拉机连接， 花生收获机的工作动力来源与拖拉机的动力输出轴。根据悬挂式的工作机具的特点，在不 影响机具萨常工作的情况下设计了一套测试系统，测试系统有两个测力架联合组成，在测 1 7 青岛农业人学硕十学忙论文 2 机械结构的殴计与选m 试过程中，花生收获机完全能够下常工作。 根掘估计载荷选定了传感元件的材料，是传感元件所受的应力在材料的弹性极限以 下，并对传感元件进行了线行标定，标定是在静态状况下完成的，得出各桥路的标定系数。 在硬件上为嗣间在线测试做了充分的准备工作。 1 8 青岛农业大学硕七学位论文3 数据采集利无线收发系统殴计 3 数据采集和无线收发系统设计 3 1 数据采集系统的概述 数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技 术是信息科学的重要组成部分，己广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着 科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术的发展i j 景广阔。 数据采集就是将被测对象( 外部世界或现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以是化 学量，生物量) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传 输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程。 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 。d a s ) 。数据采 集系统一般包括传感器、放大器、滤波器、采样保持和a d 转换器等元件。2 1 ，多路数 据采集系统硬件基本组成示意图如图3 1 所示。 多 计 路 母 算 模 拟机 开 接 芙 口 图3 一l 数据采集系统基本组成 f i 9 3 - 1b a s i cm a k e u po f d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m 在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，这可通过多路模拟丌关来实现。 多路模拟丌关可以采用分时技术选通来自多个输入通道的某一路信号，因此，在多路模拟 丌关后的单元电路，如a d 及处理器电路等，只需一套即可，这样能节省数据采集系统的 成本和体积。 模数转换器a d 是模拟输入通道的关键电路，由于输入信号变化速度不同，系统对分 辨率，精度，转换速率及成本的要求也不同，需选用不同的芯片 4 3 - 4 4 。现在普遍采用单 片集成电路，有的单片a d 转换器内部还包含有采样保持电路，基准电源和接口电路， 大大方便了系统设计。a d 转换的结果要送给计算机，有并行输出和串行输出两种方式。 3 2 采集系统的要求 青岛农业人学硕十学位论文 3 数据采集雨i 无线收发系统设计 3 2 1 多路信号的并行采集 在花生收获机工作时，所受的力并非单一的，而且有些参量之间有着相互的联系，或 有些复杂的参数不能只用一个通道测量。有的参数需要采用几个传感器同时进行检测。如 空f b j 受力，就需要检测同一时刻几个不同方向的力信号，对于一个部件来讲，要研究它真 证的受力情况，必须把某些参量合成一个新的参量，而不同时刻测出的参量合成是没有意 义的。这就需要多路并行采集系统。图3 2 为多路信号并行采集示意图。 图3 - 2 多路信号并行采集示意图 f i 9 3 2s k e t c hm a po fp a r a l l e lc o l l e c t i n go fm u l t i p l e x e ds i g n a l s 针对如何保证不丢失信号，采用的方法是在某一采样时刻，利用采样保持电路锁定所 有信号。采样保持电路是高速、高精度a d 转换器中必不可少的重要电路单元，其作用是 对根据保持信号对指定的模拟信号进行采样，并将该采样信号保持一段时间。由后续电路 对信号进行读取和处理，直到全部通道采集处理完成】。 3 2 2 信号的串行发送 同一时刻的不同数据在数据存储器中连续存放，然后由单片机