精密播種之電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保定科技職業(yè)學(xué)院 071000 于拴道 唐堯華 張江亞

精密播種之電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保定科技職業(yè)學(xué)院 071000 于拴道 唐堯華 張江亞

本文研究的排種自動(dòng)控制系統(tǒng)是依據(jù)前輪轉(zhuǎn)速控制排種，在排種量、粒距和前輪轉(zhuǎn)速之間建立關(guān)系，并以單片機(jī)為核心，配以測速裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及處理電路，輸出合理驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)排種器軸轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到均勻排種目的的一種電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案。

播種機(jī)；控制裝置；傳感器；步進(jìn)電機(jī)；排種器

前言

本設(shè)計(jì)針對(duì)播種機(jī)地輪打滑嚴(yán)重影響播種質(zhì)量的問題，采用智能控制器（單片機(jī)）測量播種機(jī)作業(yè)速度,并根據(jù)測得的速度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，用微處理器及傳感器，對(duì)播種機(jī)播種過程進(jìn)行檢測、監(jiān)控，把播種速度與機(jī)具前進(jìn)速度聯(lián)系起來；采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種軸，使步進(jìn)電機(jī)及排種軸轉(zhuǎn)速與播種機(jī)作業(yè)速度一致。達(dá)到提高播種質(zhì)量的實(shí)用精密播種控制目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器系統(tǒng)及測速部分設(shè)計(jì)

田間現(xiàn)場作業(yè)時(shí)由于環(huán)境惡劣，經(jīng)常會(huì)有塵土飛揚(yáng)的情況，有時(shí)情況會(huì)非常嚴(yán)重，這樣就會(huì)影響到光電傳感器的作業(yè)效果。因此考慮到現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境對(duì)光電傳感器的影響，霍爾傳感器與被測對(duì)象無接觸、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用開關(guān)型霍爾傳感器測量播種機(jī)轉(zhuǎn)速。在拖拉機(jī)前輪軸軸承套內(nèi)端面上貼裝圓周均布磁片，霍爾檢測傳感器固定于前輪的轉(zhuǎn)向支架處。

1.2 主板及相關(guān)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)由三部分組成：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制模塊、傳感器信號(hào)調(diào)理模塊。本實(shí)驗(yàn)單片機(jī)系統(tǒng)用來顯示拖拉機(jī)實(shí)時(shí)作業(yè)速度。

（1）單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)及相關(guān)模塊

本設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心。MSP430系列單片機(jī)是一種16位的單片機(jī)，它具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗、體積小、功能強(qiáng)、面向控制的特點(diǎn)，具有很高的性能價(jià)格比等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)所使用的主要端口及相關(guān)模塊簡述如下：

1 ）單片機(jī)系統(tǒng)電源。3.3V電源由芯片LM 3940提供。

2 ）P1.1為外部信號(hào)輸入端。從傳感器出來的脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波放大整形后輸入到此引腳，見圖1。

圖1 傳感器

3 ）傳感器信號(hào)采集輸入電路

速度傳感器選用H—JK系列霍爾傳感器，它是一種新型差動(dòng)開關(guān)式霍爾傳感器，傳感器在內(nèi)部集成了調(diào)理、濾波電路，不僅大大簡化了系統(tǒng)主板的設(shè)計(jì)，還使得傳感器抗干擾性能得到了很大提高。

主板上信號(hào)采集、輸入電路見圖1。傳感器電源引腳接JP1的1號(hào)腳，信號(hào)引腳接JP1的2號(hào)腳，傳感器負(fù)級(jí)接JP1的3號(hào)腳做為地線。R1為上拉電阻，R2為一個(gè)1K電阻，以濾掉主板接地端其他信號(hào)干擾。

信號(hào)時(shí)序見圖2。

圖2 傳感器輸出與光耦輸出信號(hào)時(shí)序

定時(shí)器B它是一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。本設(shè)計(jì)TimerB是用來定時(shí)時(shí)間為1ms，即每隔1ms中斷一次，檢測一下是否有脈沖到來，有脈沖到來就計(jì)算時(shí)間，沒有就繼續(xù)檢測。

（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到電源上工作，且其功率一般遠(yuǎn)高于數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)能力，必須使用專用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，按照數(shù)字控制系統(tǒng)要求狀態(tài)，順序不斷的產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常工作。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)自身的性能有關(guān)外，很大程度上也取決于驅(qū)動(dòng)部分的優(yōu)劣。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的主要構(gòu)成如圖所示，一般由分配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)、保護(hù)線路等組成。

（3）系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境往往比較惡劣，外部干擾源較多，而系統(tǒng)自身因電源、輸電線路都存在內(nèi)阻，也會(huì)引起噪聲干擾。故系統(tǒng)工作是否可靠，其抗干擾性能如何是衡量開發(fā)成功與否的重要指標(biāo)。

過程通道是前向接口、后向接口與主機(jī)間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂剑谶^程通道中長線傳輸干擾是干擾的主要因素。為了保證長線傳輸可靠性，主要措施有光電耦合隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。采用光電耦合器可以將主機(jī)與前向、后向及其他部分切斷電路上的聯(lián)系，能有效地防止干擾從過程通道竄入主機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡介

2.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，為了完成上述功能，系統(tǒng)軟件主要分為一下幾個(gè)模塊：自檢模塊、初始化模塊，測控模塊。各模塊關(guān)系如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)流程圖

2.2 程序控制

系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件，單片機(jī)脈沖輸出即為控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作的信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的脈沖分配和功率驅(qū)動(dòng)，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作。

2.3 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時(shí)，由于大量干擾源的存在，常常會(huì)使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。雖然通過優(yōu)化硬件電路可以減弱干擾的影響，但干擾仍然時(shí)常發(fā)生，因此軟件抗干擾就成為了一條有效措施。本軟件采用的抗干擾方法主要有以下幾種：

（1）指令冗余技術(shù)

在程序中人為地插入單字節(jié)指令NOP，以增加系統(tǒng)抗干擾能力。

（2）軟件陷阱技術(shù)

當(dāng)跑飛程序進(jìn)入非程序區(qū)時(shí)，通過設(shè)定軟件陷阱來攔截，把跑飛的程序重新引入到系統(tǒng)的復(fù)位入口處。

（3）看門狗技術(shù)（WDT）

合理地在看門狗溢出的地方清除看門狗定時(shí)器的內(nèi)容，當(dāng)程序出現(xiàn)異常時(shí)重新啟動(dòng)系統(tǒng)。看門狗的控制和功能實(shí)現(xiàn)主要是通過設(shè)置WDTCTL寄存器來實(shí)現(xiàn)。

本文采用設(shè)定寄存器來進(jìn)行對(duì)看門狗的控制。

3 結(jié)論

本裝置經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，通過計(jì)算變異系數(shù)對(duì)播種均勻性進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)軟硬件工作正常，能夠依據(jù)作業(yè)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種裝置，克服了因地輪打滑造成的播種不均勻，從而實(shí)現(xiàn)了精量播種。用本裝置驅(qū)動(dòng)排種器排種的播種效果表1所示。

表1

可以看出電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)播種質(zhì)量明顯提高。

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The Design of electronic drive system for Precision seeding

Yu-ShuanDao Tang-YaoHua Zhang-JiangYa

(Bao Ding Vocational College of Science and Technology BaoDing HeiBei071000)

It is an electronic drive system that the automatic control system is based on front wheel speed control in the metering.We establishs the relationship between quantity,the seed spacing and the front wheel speed.And the driving devices is based on singlechip,matched with speed measuring devices,driving device and processing circuit,output circuit drives stepping motor.These drive shaft's rotation to reach the purpose of the Uniform seeding.

seeder;Control device;Sensors;Steppingmotor;Metering device

于拴道，男，1952年5月出生，電子工程師，高級(jí)技師，籍貫河北保定。1982年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)，學(xué)士學(xué)位。