CN204650245U - 一种卷盘式喷灌机传输速度数据采集装置及监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种卷盘式喷灌机传输速度数据采集装置及监控系统，涉及农用卷盘式喷灌机技术领域。该监控系统包括基于特定位置的3个霍尔传感器的传输速度数据采集装置，还包括主控制器、直流蓄电池、显示屏和传感器，直流蓄电池、显示屏、与霍尔开关相连的霍尔传感器均与主控制器连接。本实用新型结构合理，采集数据准确；该监控系统能够实时监视卷盘式喷灌机管线传输运行状态，使操作者保持警惕状态，以便保持正确及安全操作，保护设备的正常工作，减轻操作员的值守强度，提高工作质量和效率。

Description

一种卷盘式喷灌机传输速度数据采集装置及监控系统

技术领域

本实用新型涉及农用卷盘式喷灌机技术领域。

背景技术

目前，由于我国政策上越来越多的鼓励农村用地的集中经营，使我国的农业生产迅速进入了现代化机械化生产时代。在此过程中，高效的机械化喷灌技术也开始广泛使用。卷盘式喷灌机即是众多喷灌机中应用较为普遍的喷灌机，但是当前国内的卷盘式喷灌机在使用过程中，却存在几个问题。

首先，卷盘式喷灌机在启动工作之前一般都需要由牵引车辆将PE管牵引贯穿至整个农田，然后开启喷灌机实现喷灌作业。可是，由于机械化生产条件下的农田往往面积较大，喷灌机的PE管较长，在牵引车辆铺管过程中，经常会出现铺管速度过快，从而引起齿轮箱某齿轮轴转动过快以致降低了使用寿命甚至是当场折断的状况，这就影响了喷灌机后期的工作效果和正常的生产作业。

第二，由于其工作时间动辄十个小时以上，在此期间人们无法实时监控卷盘式喷灌机的工作状态。卷盘式喷灌机工作时，喷头车在塑料PE管的牵引下自动回收，回收过程中，有时会因为会出现停电停水、水涡轮堵塞、齿轮箱挂档不可靠从而脱档等导致PE管绞盘停转的情况，分别导致拖延浇灌和过分浇灌，而往往喷灌机的喷灌故障并不会及时得到清除从而导致不必要的损失。

第三，现在的很多绞盘式喷灌机虽然有机械式自动脱档装置，但是随着使用次数增加，以及用户经常性的操作失当，此装置的可靠性会逐渐降低，这就使得为了避免机器的损坏，人力脱档和人力值守变得越来越多，反而束缚了劳动力的解放。

第四，在卷盘式喷灌机的实际使用中，绞盘按照PE管管径和总长度不同，一般所缠PE管为4~7层，由于排管的圆周直径不同，在其转速不变时，各层回收管子的线速度是不一样的。同时为了排管顺畅整齐，喷灌机还配有排管导向拨叉，在缠管缠到绞盘边沿时，会自动回程继续缠下一层管。与之对应，国内卷盘喷灌机所配备的速度显示系统的特点为，测速传感器所选的测速轴为减速齿轮箱的第1级轴，即动力轴，操作员每一次要了解当前PE管的回收速度，都要手动输入当时绞盘上PE管的层数，再输入当前齿轮箱所挂接的档位数，结合这两个参数再凭借测速轴上的传感器得到的脉冲信号频率，速度显示器会自动计算出当前PE管的回收速度，并显示出来，但是此系统有一个缺陷，就是只反应收管的速度，无法体现铺管的速度，并且必须匹配特定传动比的减速齿轮箱，这限制了减速齿轮箱后续的设计改进。并且，卷盘喷灌机的测速轴即动力轴与绞盘并非联动，要依靠减速齿轮箱的档位挂接才会联动，所以在卷盘式喷灌机收管过程中，可能会出现因某些原因造成了减速齿轮箱已经脱档，而速度显示器却依然显示有回收速度的示数，产生了与现实状况的脱节。

实用新型内容

本实用新型解决的主要问题是提供一种卷盘式喷灌机数据采集装置及监控系统，与已有技术相比，该采集装置结构合理，采集数据准确；该监控系统能够实时监视卷盘式喷灌机管线传输运行状态，使操作者保持警惕状态，以便保持正确及安全操作，保护设备的正常工作，减轻操作员的值守强度，提高工作质量和效率。

本实用新型的主要技术方案是：一种卷盘式喷灌机管线传输速度数据采集装置，包括和水涡轮相连的绞盘，和动力及绞盘相连的减速齿轮箱，减速齿轮箱上设有测速轴，其特征在于在减速齿轮箱的测速轴下方固定有霍尔开关I，在绞盘的支撑架的两侧各设置有1枚霍尔开关，即霍尔开关II和霍尔开关III，二者的信号线并联；而与2枚霍尔开关分别相对的2个磁铁分别固定在绞盘的导向拨叉的两侧；同时，在导向拨叉的导向丝杠套的上方固定有一枚磁铁，设在与导向丝杠套收管终了位置的一个相应位置固定有霍尔开关IV与该磁铁对应，霍尔开关均与霍尔传感器相连。

优选的，所述的相应位置为与导向丝杠套收管终了位置为一个管径的距离处。

一种卷盘式喷灌机管线传输速度监控系统，其特征在于：包括上述的一种卷盘式喷灌机管线传输速度数据采集装置，还包括主控制器、蓄电池、显示屏和传感器，直流蓄电池、显示屏、声光报警灯与霍尔传感器均与主控制器连接。

改进结构是，所述的监控系统还包括以下声或光报警装置，即喷头车“近机报警”装置；以及绞盘停转“停转报警”装置。

优选的，所述的监控系统还包括以下声或光报警装置，即充电保护及电源检测报警装置。

改进的，所述的监控系统还包括与直流蓄电池连接的多晶硅太阳能充电板。

优选的，所述的主控制器还包括太阳能转换器模块，太阳能转换器模块与控制电路连接。

优选的，所述的主控制器为以单片机为核心的主控制器，包括控制电路及外围的GSM电路模块，触摸屏功能模块、电池电量监测模块，所述GSM电路模块、触摸屏功能模块、和电池电量监测模块均与控制电路连接。

优选的，所述的GSM模块，还包括一枚电话卡。

优选的，所述的显示屏为触摸屏。

本实用新型的积极效果是：与已有技术相比，该采集装置结构合理，采集数据准确；该监控系统能够实时监视卷盘式喷灌机管线传输运行状态，否则可发出报警信号，使操作者保持警惕状态，以保持正确及安全操作，保护设备的正常工作，减轻操作员的值守强度。在显示卷盘式喷灌机运行状态的同时，能够同时保持警惕状态并在某些特定情况做出警示；喷灌作业开始后，本系统可以大幅减轻操作员的值守强度。提高工作质量和效率。

以下结合附图及实施例作详述，但不作为对本实用新型保护范围的限定。

附图说明

图1是本实用新型数据采集装置实施例的动力传动部分的结构示意图。

图2是图1中的绞盘缠绕部分的结构示意图。

图3是图2中的近机信号采集结构及原理示意图。

图4是本实用新型监控系统实施例的硬件结构示意图。

图5图4中主控制器内部功能逻辑模块结构示意图。

图6是图4中的触摸屏的显示项目图。

图7是本实用新型实施例采用的电路元件连接图。

图1～图7中,各标号含义为: 1.喷头车、2.PE管、3.绞盘、4.水涡轮、5.测速轴、6.减速齿轮箱、7.齿轮箱小链轮、8.绞盘大链轮、9.导向丝杠套、10.导向拨叉、11.霍尔开关I、12.霍尔开关II、13.霍尔开关III、14.霍尔开关IV、15.导向丝杠轴、16.磁铁、17.丝杠罩、18.ARM9/SIM900模块、19.液晶触摸屏、20警灯、21.继电器板、22.太阳电池能转换器、23.DC/DC电路模块、R1～R4为电路中使用的电阻器、D1为二极管、BT1～BT2为电路电池。

具体实施方式

参见图1～图7。

实施例1:该卷盘式喷灌机管线传输速度数据采集装置，该卷盘式喷灌机包括喷头车1，和水涡轮4相连的绞盘3，和动力及绞盘3相连的减速齿轮箱6，减速齿轮箱6上设有测速轴5，减速齿轮箱6的输出轴小链轮7和绞盘3的大链轮8连接，动力减速齿轮箱6上设有小链轮7的测速轴5；在减速齿轮箱6的测速轴5下方固定有霍尔开关I-11，在绞盘3的支撑架的两侧各设置有1枚霍尔开关，即霍尔开关II-12和霍尔开关III-13，二者的信号线并联；而与2枚霍尔开关分别相对的2个磁铁16分别固定在绞盘3的导向拨叉10的两侧；同时，在导向拨叉10的导向丝杠套9的上方固定有一枚磁铁16，设在与导向丝杠套9收管终了位置的一个相应位置固定有霍尔开关IV14与该磁铁16对应，霍尔开关均与霍尔传感器相连。所述的相应位置为与导向丝杠套9收管终了位置为一个管径的距离处。

实施例2:该卷盘式喷灌机管线传输速度监控系统，包括实施例1所述的一种卷盘式喷灌机管线传输速度数据采集装置，还包括主控制器、直流蓄电池、显示屏和传感器，直流蓄电池、显示屏和霍尔开关均与主控制器连接；直流蓄电池为系统供电，显示屏为触摸屏，霍尔开关为系统提供所需的脉冲信号，主控制器收集并处理所所采集到的数据信息。所述的监控系统包括声或光报警装置。所述的监控系统包括以下声或光报警装置，当喷头车1已经接近绞盘3，即发出报警信号，呼唤值守操作员来进行手动操纵切断传动，称为“近机报警”；当PE管2回收过程中，出现绞盘3停转的情况，速度显示会变为0m/h，此时系统会自动发出报警信号，呼唤值守操作员来进行处理，称为“停转报警”。所述的监控系统包括以下声或光报警装置，即充电保护及电源检测报警，通过采样电源输入，实时监测电源的状态，当达到电池充满电压时，自动切断充电线路；当监测到电源电压低于20%时，屏幕显示电源低报警，并通过声光和手机呼叫报警，称为“缺电报警”。所述的监控系统还包括与直流蓄电池连接的多晶硅太阳能充电板。所述的主控制器为以单片机为核心的主控制器，包括控制电路及外围的GSM电路模块，触摸屏功能模块、电池电量监测模块，所述GSM电路模块、触摸屏功能模块、和电池电量监测模块均与控制电路连接。所述的主控制器还包括太阳能转换器模块，太阳能转换器模块与控制电路连接。所述的GSM模块，还包括一枚电话卡。所述的GSM模块置于控制器包装盒中，用于远程呼叫，能够显示远程呼叫对象的号码，并且能够随时手动触摸进行修改，修改后的号码确定为远程呼叫的对象号码。

 图1中，当水流通入卷盘式喷灌机后，先驱动水涡轮4的叶轮转动，水涡轮与下一级的减速齿轮箱6通过V带传动，减速齿轮箱6上的齿轮箱小链轮7依靠链条驱动绞盘大链轮8，从而起到回收PE管2和喷头车1的功能，而在整个传动过程中，减速齿轮箱6可以通过挂档结合和脱档分离的操作来实现后一级的动力输出与否，即绞盘3是否转动和收管，在被驱动一侧，包括测速轴5、小链轮7、绞盘3和绞盘大链轮8，其中绞盘3和绞盘大链轮8是连接在一起的一体部件。利用测速轴5和绞盘3是以确定传动比联动的实际情况，将测速用的传感器检测此轴的转速，结合二者的传动比即可换算成绞盘3收管或铺管的转速，再结合PE管2在绞盘上的圆周直径，可算出PE管2运动的线速度。在设计和实际使用当中，PE管2在绞盘3上的层数确定时，其所在圆周直径即确定了，所以只需要了解PE管2在绞盘3上的层数，和测速轴转速，即可知绞盘3转动时PE管2的运动线速度。以上说明即为本实用新型的系统测速方案原理，同时也是主控制器换算程序设定的基础。

图2中，在减速齿轮箱6的测速轴下方固定霍尔开关I，检测单位时间内的脉冲数，主控制器即可得出测速轴5的转速，再按照传动比，计算绞盘3的转速，这时，只需要获得层数信息，主控制器就可以自动进行计算，从而得出PE管的运动线速度，并在显示屏上显示出来。在层数信息的采集上，可以由操作员通过触摸屏手动输入的方式告知系统， 但是收管作业历时很长，所以本实用新型特别实用新型了层数信息的自动获取方法，阐述如下：

首先在PE管2的层数初始值设置在手动输入好之后，开始收管作业，本系统在绞盘3的支撑架两边各设置一枚霍尔开关，即霍尔开关II-12和霍尔开关III-13，二者的信号线并联。而与之相对的磁铁16分别布置在导向拨叉10的两侧，这样一来，当导向拨叉10排管到绞盘边缘即将换向时其所带磁铁16必然会接触到这两枚霍尔开关中的一枚，这样就会促使这一枚霍尔开关向主控制器发出1个脉冲，主控制器按照系统的程序设定，认为层数增加（实际情况也确实如此），自动将收管层数显示+1，并稳定显示，执行计算PE管的回收线速度时，也会按照新的层数值得出结果，直到接收到下一个层数+1的触发条件，即霍尔开关II-12或者霍尔开关III-13再次检测到磁铁16的接近并发送脉冲信号。

图4中，显示屏为触摸屏，并且与主控制器固连，置于主控制器封装塑料盒内。

图5中，主控制器是系统运作的核心。

图6中，显示屏的显示项目包括：电池电量，显示数值单位是％，其系统电量即为直流蓄电池的电量，对其监测由图2中的电池电量监测模块来实现，用于辅助用户估计当前条件下系统的充电效率及其运行的持久性；回收层数，显示当前PE管2卷绕在绞盘3其上的层数，作为主控制器计算回收速度的参考因数，并且其初始值可以由用户手动改变；回收速度，显示数值单位是m/h；报警功能启动状态，对应的是手动触摸按钮，只有“ON”与“OFF”两个值，分别代表报警功能是否处于“待命”状态；用户电话，其输入值即为报警发出时，GSM电路模块“远程报警”呼叫的用户电话号码，其值为用户手动输入，可以随时随意更改。

在使用时，即铺管或收管过程中，导向丝杠轴15、导向丝杠套9、导向拨叉10构成的排管导向机构将PE管2整齐地排列在绞盘上。如图5和图6所示，收管的终了位置必然有导向丝杠套9在与PE管对应的位置，并且每次收管结束，此位置不会变动。利用此原理，在导向丝杠套9的上方安装一枚磁铁16，并在丝杠罩17距离这个位置φ’长度上，安装霍尔开关IV14，一旦在收管过程中，导向丝杠套9在经过传感器正下方时，感受到磁铁16的磁场，传感器会向主控制器发出脉冲信号，如果当时的回收层数值正好是绞盘3上的最外层，那么按照系统设置的程序，主控制器会认为“近机报警”条件被触发，从而发出报警，提示值守操作员喷头车1已经接近主机，为了预防脱档装置失效可以采取相应的保险措施了。而报警时，喷头车1距离主机的空间长度为m＝φ’×n/φ，其中，n代表绞盘3最外层PE管2缠绕1圈的长度，φ代表PE管2的直径。根据上述所述，本实用新型的声光报警系统在检测到绞盘3已将PE管2收到最外层时，采集到霍尔开关IV14传来的脉冲信号，即为近机信号。此系统经过在JP75/300卷盘式喷灌机上安装并试用，实现了本监测系统的功能，效果理想。

卷盘式喷灌机的绞盘3在转动过程中，通过传感器实时采集测速轴的转速，再根据PE管2所在层数，系统会根据内置公式程序自动计算出PE管2回收线速度，并通过显示器予以显示，在铺放PE管2时，值守操作员根据PE管2实际层数手动递减层数示数，一旦系统得到PE管2回收速度超过2000m/h，即发生报警，以提示铺管操作员铺管超速，应当降低铺管速度。铺管终了，动力挂档后，喷灌机便开始收管，绞盘3上PE管2所在的初始层数已经由用户设定好，在随后的收管过程中，一旦导管拨叉10上安装的磁铁16触及绞盘3支架边沿的传感器，则是绞盘3卷绕下一层PE管2的开始，传感器会自动发出层数增加的脉冲信号，使得控制器在内部计算PE管2回收速度时自动调用相应层数的计算公式。导管拨叉10与导管丝杠套9是一体件，在收管时其运动方式是往复直线运动。由于在收管终了时，导管丝杠套9在导管丝杠轴15上的位置是固定的，所以设计上和实际使用中，当导管丝杠套9处在收管终了位置前的一个管径的距离时，则认为未收回来的PE管2长度为绞盘3最外层卷绕一圈时的管长，根据此规律，在导管丝杠套9上安装了一枚磁铁16，在导向丝杠套9悬空的上方布置有一个传感器，一旦传感器检测到导向丝杠套9经过其下方，则会发出脉冲传给控制器，并且绞盘3收管状态处于回收最外层PE管2，则控制器会认为喷头车1已经接近绞盘3，随即发出报警信号，呼唤值守操作员来进行手动操纵切断传动，此项功能称为“近机报警”。当PE管2回收过程中，出现绞盘3停转的情况，速度显示会变为0m/h，此时系统会自动发出报警信号，呼唤值守操作员来进行处理，此项功能称为“停转报警”。此系统经过在JP75/300卷盘式喷灌机上安装并试用，实现了本监测系统的功能，效果理想。

图7中，主控制器内的电路板元件连接图中，虚线框里面的部分是控制器盒内的硬件电路，虚线框外包括霍尔开关I11~霍尔开关IV14、电池BT2、警灯20等设备，为外接电路部分。内部电路主要包括五部分盒附属电路：喷灌机控制器的核心采用ARM9系列计算机处理器，具备AD采样、中断控制、多IO接口、多串口等硬件功能，采用高级语言编程，实时多任务操作系统控制，ARM芯片通过串口连接SIM900手机模块和5寸液晶触摸屏19；液晶触摸屏19为显控单元，用于显示和输入信息，与主控模块通过串行接口通信交换信息；继电器板21是通过光隔离低电平控制两路单刀双掷继电器模块，用来实现警灯20和充电电路的控制；电源转换模块，采用标准DC/DC电路模块23，实现从12V到5V的转换；蓄电池BT1及光电池BT2转换充电模块，是采用太阳电池能转换器充电。上述实现的主要功能是在灌溉过程中，喷灌机出现停止、到终点、低电压和超速时，发出显示、声光、拨号等报警信息，提醒值班人员维修维护，避免发生损坏和资源浪费问题发生。

具体功能包括：

1）显示、声光、电话拨号报警功能

喷灌机的控制器，具有显示、声光、电话报警功能，喷灌机的控制器有5寸液晶触摸屏19，能显示设备的状态和工况，具体内容包括层数、电源电量、被叫手机号码、设备状态（空闲还是报警状态）、手机状态等，当产生报警时，显示报警种类和拨号状态，并发出声光报警。

2）电话、层数和使能状态输入功能

喷灌机的控制器的液晶触摸屏19可以输入受警电话、层数和使能状态，通过手动触压要输入的信息，按要求设定喷灌机的参数和工作状态。

3）电话拨号报警

喷灌机的控制器连接的SIM900手机模块，当设置了电话号码并安装了SIM卡后，监测到有报警信息时，手机模块将在ARM的控制下，自动循环拨号报警，当被叫手机接通并马上挂断后，拨号和报警转入禁止状态，报警停止。

4）充电保护及电源检测功能

喷灌机的控制器，内部有电源转换电路，实现从12V到5V的DC/DC转换，外接太阳能电池板和蓄电池BT1。处理器外接IO控制的继电器板，AD接电源输入端，通过采样电源输入，实时监测电源的状态，当达到电池充满电压时，自动切断充电线路；当监测到电源电压低于20%时，屏幕显示电源低报警，并通过声光和手机呼叫报警。

5）测速功能

喷灌机的控制器的ARM计算机外中断源3外接在监测绞盘3转盘速度的霍尔传感器上，当绞盘3转动带动测速轴5上的磁铁16，触发霍尔传感器产生触发脉冲，ARM产生3号外中断，ARM处理器监测两次中断的价格，计算喷灌机的运转速度，当连续20秒没有得到中断触发时，认为喷灌机停机发生故障，发出停机故障报警；当监测的速度超过2000米/小时的工况时，发出超速报警。报警信号通过显示屏、声光和手机拨号发出。

6）卷带末端检测

喷灌机的控制器的ARM计算机外中断源1，外接监测输水带的末端的霍尔传感器上，当触发霍尔传感器产生接近触发脉冲时，ARM产生1号外中断，发出结束报警。报警信号通过显示屏、声光报警灯和手机拨号发出。

以上未述及部分本专业技术人员运用现有技术均可实施。

Claims (10)

1.一种卷盘式喷灌机传输速度数据采集装置，包括和水涡轮（4）相连的绞盘（3)，和动力及绞盘（3)相连的减速齿轮箱（6），减速齿轮箱(6)上设有测速轴（5），其特征在于在减速齿轮箱（6）的测速轴（5）下方固定有霍尔开关I（11），在绞盘（3）的支撑架的两侧各设置有1枚霍尔开关，即霍尔开关II（12）和霍尔开关III（13），二者的信号线并联；而与2枚霍尔开关分别相对的2个磁铁（16)分别固定在绞盘（3)的导向拨叉（10）的两侧；同时，在导向拨叉（10）的导向丝杠套（9）的上方固定有一枚磁铁（16），设在与导向丝杠套(9)收管终了位置的一个相应位置固定有霍尔开关IV（14）与该磁铁（16）对应，霍尔开关均与霍尔传感器相连。

2.根据权利要求1所述的一种卷盘式喷灌机传输速度数据采集装置，其特征在于所述的相应位置为与导向丝杠套(9)收管终了位置为一个管径的距离处。

3.一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的一种卷盘式喷灌机管线传输速度数据采集装置，还包括主控制器、蓄电池、显示屏和传感器；蓄电池、显示屏、声光报警灯与霍尔传感器均与主控制器连接；蓄电池为系统供电，霍尔传感器为系统提供所需的脉冲信号，主控制器收集并处理所采集到的数据信息。

4.根据权利要求3所述的一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于所述的监控系统还包括以下声或光报警装置，当喷头车(1)已经接近绞盘(3)，即发出报警信号，呼唤值守操作员来进行手动操纵切断传动，称为“近机报警”；当PE管(2)回收过程中，出现绞盘(3)停转的情况，速度显示会变为0m/h，此时系统会自动发出报警信号，呼唤值守操作员来进行处理，称为“停转报警”。

5.根据权利要求3所述的一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于所述的监控系统还包括以下声或光报警装置，即充电保护及电源检测报警，通过采样电源输入，实时监测电源的状态，当达到电池充满电压时，自动切断充电线路；当监测到电源电压低于20%时，屏幕显示电源低报警，并通过声光和手机呼叫报警，称为“缺电报警”。

6.根据权利要求3所述的一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于所述的监控系统还包括与直流蓄电池连接的多晶硅太阳能充电板，蓄电池为直流蓄电池；所述的显示屏为触摸屏。

7.根据权利要求6所述的一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于所述的主控制器还包括太阳能转换器模块，太阳能转换器模块与控制电路连接。

8.根据权利要求3所述的一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于所述的主控制器为以单片机为核心的主控制器，包括控制电路及外围的GSM模块，触摸屏功能模块、电池电量监测模块，所述GSM电路模块、触摸屏功能模块、和电池电量监测模块均与控制电路连接。

9.根据权利要求8所述的一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于所述的GSM模块，还包括一枚电话卡。

10.根据权利要求8所述的一种卷盘式喷灌机传输速度监控系统，其特征在于所述的GSM模块置于控制器包装盒中，用于远程呼叫，能够显示远程呼叫对象的号码，并且能够随时手动触摸进行修改，修改后的号码确定为远程呼叫的对象号码。