阅读说明：本技术 联合收割机的粮箱谷物堆积高度测量装置 (Grain box grain stacking height measuring device of combine harvester ) 是由 张方明 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：一种联合收割机的粮箱谷物堆积高度检测装置,3只平板电容器构成测量传感器,每只电容器的极板间距、宽度相同,谷物填充量传感器竖立于粮箱的内壁,谷物参考传感器平立于粮箱内的底部,粉尘传感器平立于粮箱内的顶部,每只传感器通过同轴电缆与测量ECU电连接。3只固定电容元件分别与3只平板电容器构建了3组桥臂,信号发生电路产生的正弦信号、三组桥臂的分压信号通过两只独立的四路模拟开关,输入到峰峰值检测电路和平均值转换电路,由单片机通过A/D变换获得四路信号的峰峰值、平均值,计算出实时环境下的谷物与粉尘的介电常数,从而计算出谷物的堆积高度。本装置不仅可以连续测量,而且够适应不同含水量的谷物和粉尘环境的测量。(A grain stacking height detection device for a grain tank of a combine harvester is characterized in that 3 flat capacitors form measuring sensors, the distance and the width of the pole plates of each capacitor are the same, a grain filling quantity sensor is vertically arranged on the inner wall of the grain tank, a grain reference sensor is horizontally arranged at the bottom in the grain tank, a dust sensor is horizontally arranged at the top in the grain tank, and each sensor is electrically connected with a measuring ECU (electronic control unit) through a coaxial cable. 3 fixed capacitance elements and 3 flat capacitors respectively construct 3 groups of bridge arms, sinusoidal signals generated by a signal generation circuit and partial pressure signals of three groups of bridge arms are input into a peak-to-peak value detection circuit and an average value conversion circuit through two independent four-way analog switches, a singlechip acquires peak-to-peak values and average values of the four-way signals through A/D conversion, and dielectric constants of grains and dust in a real-time environment are calculated, so that the accumulation height of the grains is calculated. This device not only can continuous measurement, enough adapts to the measurement of the cereal of different water contents and dust environment moreover.)

联合收割机的粮箱谷物堆积高度测量装置

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及联合收割机的传感器技术。

背景技术

我国南方水田地区的收割机通常配备了粮箱，其容量约为1000～1500升，用于临时存储谷物，通常这些临时存储的谷物在地头通过蛟龙卸载到运输车上。常规的粮箱内部配置了一只粮箱报警传感器，当谷物堆积到达该水平位置时，机器发出粮箱满的警报声，一般来说，粮箱的容量满足收纳一个往返趟的谷物。然而，受我国的联产承包制、水田管理能力、地形等各种因素的制约，大多数水田的面积不是很大，一趟收割回来，并不一定能装满一箱谷物。此时，驾驶员只能依靠粮箱上方的玻璃观测窗，每次经过地头时，谷物如果已经堆积超过百分之七八十，就卸粮，否则就继续收获。这说明这只粮箱报警传感器并不能满足生产上的实际需求，需要新型能够实时反映谷物堆积高度的传感器装置。

采用电测技术测量谷物、煤炭等颗粒物物位的装置已经有多个专利公开。例如“一种连续电容传感器”(中国专利CN98110100.3)提出了一种管状电容传感器，但对于谷物颗粒，其流动性远不如液体，较难反映粮箱内实际的谷物填充量。“压力式数字物位传感器及其测量方法”(中国专利CN200810054853.8)提出了在棒状体上、沿纵轴线密集设置压电陶瓷片的传感器结构，那么物位下的压电陶瓷会产生微弱电信号，经过信号放大、整形后，转换成高或低电平，由此来测量物位。该方法需要大量的压电陶瓷片，以及与之匹配的硬件检测元器件，测量电路的成本较大。“一种谷物联合收割机的实时测产系统及方法”(中国专利201811092523.8)使用了电容式物位传感器，它的测量电极***粮箱的内部测量谷物的高度。然而，刚收获的谷物，含水量差异大，仅仅一只电极，需要额外的校正处理，距离生产应用还有一段距离。

为了克服现有的粮箱堆积高度传感装置的缺陷，本发明提供了一种改进的传感器装置。该装置不仅可以连续测量粮箱的谷物堆积高度，而且能够适应不同含水量的谷物对象和粉尘环境的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：3只平行板电容器构成谷物堆积高度测量装置，每只电容器的极板间距、宽度相同，其中第一只电容器是谷物填充量传感器C_g，它竖立于升运器出口对面的粮箱内壁上,极板的长度等于粮箱底部到升运器出口之间的距离；第二只电容器是谷物参考传感器C_r，它平立于粮箱的底部，横跨于粮箱底部的支架之间；第三只电容器是粉尘传感器C_d，它平立于粮箱内的顶部，极板的长度等于谷物参考传感器Cr的极板长度。当联合收割机作业时，谷物参考传感器C_r的极板之间的空间将首先被填充，并迅速被充满；此后，随着不断的收获作业，谷物填充量传感器C_g的极板之间的空间将逐渐被填充，谷物在极板之间的填充程度与粮箱内谷物的堆积高度是一致的；粉尘传感器C_d始终处于尘土飞扬的环境中。在任意时刻，谷物和尘土的介电常数均大于1，谷物填充量传感器Cg的电容值反映当前的粮箱内谷物堆积高度。每只传感器通过同轴电缆与一只测量ECU电连接，测量ECU固定于粮箱内部的顶部角落处。

测量ECU有3个BNC端口，每个端口对应一只平板电容器。测量ECU内部构建了3支并联的纯容性桥臂：电容C₁和谷物填充量传感器C_g构成的桥臂、电容C₂和谷物参考传感器C_r构成的桥臂，以及电容C₃和粉尘传感器C_d构成的桥臂。电容C₁，电容C₂，和电容C₃是电容元器件，他们的电容值是这么选定的：把谷物填充量传感器C_g和谷物参考传感器C_r各自淹没于谷物中，调整电容C₁和电容C₂的选择，使得C₁＝C_g，C₂＝C_r；在无尘土的环境下，调整电容C₃的选择，使得C₃＝C_d。尽管新收获的谷物的含水量是经常变化的，谷物的不同品种也使得他们的介电常数有所不同，但电容C₁、电容C₂与电容C₃一旦确定，就以硬件形式固定，不影响测量的结果。测量ECU还有一个电源通讯端口，能接入9-36V直流电，以及CAN网络。

测量ECU还包括RLC正弦波信号发生电路、TMUX1104四路模拟开关、LTC5507峰峰值检测电路和AD736平均值转换电路、PIC18F25K80单片机和TJA1050通讯电路组成。RLC正弦波信号发生电路产生的正弦信号、三组桥臂的分压信号分别与两只独立的TMUX1104四路模拟开关的S1-S4引脚电连接，即每一个信号同时接入TMUX1104四路模拟开关的同名引脚，第一只TMUX1104四路模拟开关的D引脚电连接到LTC5507峰峰值检测电路的Vin引脚，第二只TMUX1104四路模拟开关的D引脚电连接到AD736平均值转换电路的Vin引脚，LTC5507峰峰值检测电路的Vo引脚与PIC18F25K80单片机的AN0引脚电连接，AD736平均值转换电路的Vo引脚与PIC18F25K80单片机的AN1引脚电连接，PIC18F25K80单片机的RC0、RC1、RC2与第一只TMUX1104四路模拟开关的EN、A1、A0分别电连接，PIC18F25K80单片机的RC3、RC4、RC5与第二只TMUX1104四路模拟开关的EN、A1、A0分别电连接，PIC18F25K80单片机的CANTX、CANRX引脚与TJA1050通讯电路的TXD、RXD引脚电连接，TJA1050通讯电路的CANH、CANL引脚与测量ECU的CAN端口电连接。

测量ECU上电后，初始化PIC18F25K80单片机的RA、RC端口，使两只四路模拟开关全处于断开状态，再依次初始化定时器TIMER0、模数A/D变换和CAN通信寄存器，构建时间继电器T0，开启定时器和CAN通信中断功能。程序按照循环扫描的方式运行：当时间继电器T0时间到时，先使能第一只TMUX1104四路模拟开关，闭合第一路模拟开关，启动A/D变换，从AN0端口读出RLC正弦波信号发生电路产生的正弦信号的峰峰值U_ipp，然后依次读出谷物填充量传感器C_g、谷物参考传感器C_r和粉尘传感器C_d在各自桥臂中所产生的分压值U_gpp、U_rpp、U_dpp。关闭第一只TMUX1104四路模拟开关，再使能第二只TMUX1104四路模拟开关，闭合第一路模拟开关，启动A/D变换，从AN1端口读出RLC正弦波信号发生电路产生的正弦信号的平均值U_irms，然后依次读出谷物填充量传感器C_g、谷物参考传感器C_r和粉尘传感器C_d在各自桥臂中所产生的分压值U_grms、U_rrms、U_drms。这里认为谷物填充量传感器C_g由填充为谷物的电容与填充为尘土的电容并联而成，不失一般性地有：

其中，

式中，ε₀：空气的电导率，ε_g：谷物的电导率，ε_d：尘土的电导率

W：极板的宽度，L₁：谷物填充量传感器C_g的极板长度，x：当前的填充高度，d:极板的之间的间隙。

对于谷物参考传感器C_r，有：

式中，L₂：谷物参考传感器C_r的极板长度.

对于粉尘传感器C_d，有：

从式(2)和(3)可以计算出实时条件下的介电常数ε₀ε_g和ε₀ε_d，代入式(1)中，可以求得：

由于测量装置已经读出了U_ipp、U_gpp、U_rpp、U_dpp和U_irms、U_grms、U_rrms、U_drms，C₁,C₂,C₃是已知的数值，因此，式(4)可以分别计算出依据峰峰值和平均值的读数而产生的对于谷物堆积高度的测量。

当PIC18F25K80单片机发生CAN中断，则依据指令，修改时间继电器T0的时间常数，也就是改变了数据输出的频率。

本发明的有益效果是不仅可以连续测量收割机粮箱内谷物的堆积高度，而且能够适应不同含水量、含杂量的谷物对象的测量。该机构可用于谷物收割机，提高农业机械的数字化程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是平行板电容器与测量ECU在粮箱中布置的一个实施例。

图2是测量ECU的电路接线的一个实施例。

图3测量ECU的软件流程的一个实施例。

图中，1.测量ECU，2.粉尘传感器C_d，3.谷物填充量传感器C_g，4.粮箱，5.谷物参考传感器C_r，6.支架，7.RLC正弦波信号发生电路，8.电容C₁，9.电容C₂，10.电容C₃,11.TMUX1104四路模拟开关，12.LTC5507峰峰值检测电路，13.PIC18F25K80单片机，14.TJA1050通讯电路，15.AD736平均值转换电路，16.TMUX1104四路模拟开关。

图1是平行板电容器与测量ECU(1)在粮箱中布置的一个实施例，3只平行板电容器构成谷物堆积高度测量装置，每只电容器的极板间距、宽度相同，其中第一只电容器是谷物填充量传感器C_g(3)，它竖立于升运器出口对面的粮箱(4)内壁上，极板的长度等于粮箱(4)底部到升运器出口之间的距离；第二只电容器是谷物参考传感器C_r(5)，它平立于粮箱(4)的底部，横跨于粮箱(4)底部的支架(6)之间；第三只电容器是粉尘传感器C_d(2)，它平立于粮箱(4)内的顶部，极板的长度等于谷物参考传感器C_r(5)的极板长度。当联合收割机作业时，谷物参考传感器C_r(5)的极板之间的空间将首先被填充，并迅速被充满；此后，随着不断的收获作业，谷物填充量传感器C_g(3)的极板之间的空间将逐渐被填充，谷物在极板之间的填充程度与粮箱(4)内谷物的堆积高度是一致的；粉尘传感器C_d(2)始终处于尘土飞扬的环境中。在任意时刻，谷物和尘土的介电常数均大于1，谷物填充量传感器C_g(3)的电容值反映当前的粮箱(4)内谷物堆积高度。每只传感器通过同轴电缆与一只测量ECU(1)电连接，测量ECU(1)固定于粮箱(4)内部的顶部角落处。

图2是测量ECU(1)的一个实施例。测量ECU(1)有3个BNC端口，每个端口对应一只平板电容器。测量ECU(1)内部构建了3支并联的纯容性桥臂：电容C₁(8)和谷物填充量传感器Cg(3)构成的桥臂、电容C₂(9)和谷物参考传感器Cr(5)构成的桥臂，以及电容C₃(10)和粉尘传感器Cd(2)构成的桥臂。电容C₁(8)，电容C₂(9)，和电容C₃(10)是电容元器件，他们的电容值是这么选定的：把谷物填充量传感器C_g(4)和谷物参考传感器C_r(6)各自淹没于谷物中，调整电容C₁(8)和电容C₂(9)的选择，使得C₁＝C_g，C₂＝C_r；在无尘土的环境下，调整电容C₃(10)的选择，使得C₃＝C_d。尽管新收获的谷物的含水量是经常变化的，谷物的不同品种也使得他们的介电常数有所不同，但电容C₁(8)、电容C₂(9)与电容C₃(10)一旦确定，就以硬件形式固定，不影响测量的结果。测量ECU(1)还有一个电源通讯端口，能接入9-36V直流电，以及CAN网络。

测量ECU(1)还包括RLC正弦波信号发生电路(7)、TMUX1104四路模拟开关(11,16)、LTC5507峰峰值检测电路(12)和AD736平均值转换电路(15)、PIC18F25K80单片机(13)和TJA1050通讯电路(14)组成。RLC正弦波信号发生电路(7)产生的正弦信号、三组桥臂的分压信号分别与两只独立的TMUX1104四路模拟开关(11，16)的S1-S4引脚电连接，即每一个信号同时接入TMUX1104四路模拟开关(11，16)的同名引脚，第一只TMUX1104四路模拟开关(11)的D引脚电连接到LTC5507峰峰值检测电路(12)的Vin引脚，第二只TMUX1104四路模拟开关(16)的D引脚电连接到AD736平均值转换电路(15)的Vin引脚，LTC5507峰峰值检测电路(12)的Vo引脚与PIC18F25K80单片机(13)的AN0引脚电连接，AD736平均值转换电路(15)的Vo引脚与PIC18F25K80单片机(13)的AN1引脚电连接，PIC18F25K80单片机(13)的RC0、RC1、RC2与第一只TMUX1104四路模拟开关(11)的EN、A1、A0分别电连接，PIC18F25K80单片机(13)的RC3、RC4、RC5与第二只TMUX1104四路模拟开关(16)的EN、A1、A0分别电连接，PIC18F25K80单片机(13)的CANTX、CANRX引脚与TJA1050通讯电路(14)的TXD、RXD引脚电连接，TJA1050通讯电路(14)的CANH、CANL引脚与测量ECU(1)的CAN端口电连接。

图3是测量ECU(1)的软件流程的一个实施例。测量ECU(1)上电后，初始化PIC18F25K80单片机(13)的RA、RC端口，使两只四路模拟开关(11,16)全处于断开状态，再依次初始化定时器TIMER0、模数A/D变换和CAN通信寄存器，构建时间继电器T0，开启定时器和CAN通信中断功能。程序按照循环扫描的方式运行：当时间继电器T0时间到时，先使能第一只TMUX1104四路模拟开关(11)，闭合第一路模拟开关，启动A/D变换，从AN0端口读出RLC正弦波信号发生电路(7)产生的正弦信号的峰峰值U_ipp，然后依次读出谷物填充量传感器C_g(3)、谷物参考传感器C_r(5)和粉尘传感器C_d(2)在各自桥臂中所产生的分压值U_gpp、U_rpp、U_dpp。关闭第一只TMUX1104四路模拟开关(11)，再使能第二只TMUX1104四路模拟开关(16)，闭合第一路模拟开关，启动A/D变换，从AN1端口读出RLC正弦波信号发生电路(7)产生的正弦信号的平均值U_irms，然后依次读出谷物填充量传感器C_g(3)、谷物参考传感器C_r(5)和粉尘传感器C_d(2)在各自桥臂中所产生的分压值U_grms、U_rrms、U_drms。依据峰峰值测量法和平均值测量法都可以计算出当前的谷物堆积高度：

式中，x_pp：依据峰峰值测量所获得的当前的堆积高度，x_rms：依据平均值测量所获得的当前的堆积高度，L₁：谷物填充量传感器C_g(3)的极板长度，L₂：谷物参考传感器C_r(5)的极板长度，C₁,C₂,C₃是测量ECU(1)的固定参数。

当PIC18F25K80单片机(13)发生CAN中断，则依据指令，修改时间继电器T0的时间常数，也就是改变了数据输出的频率。