電動微耕機數據采集與動力控制系統設計*

柴媛欣，石晶，朱志強

電動微耕機數據采集與動力控制系統設計*

柴媛欣，石晶，朱志強

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

設計一種以單片機STC89C52RC為核心的電動微耕機數據采集與動力控制系統，其通過控制PWM占空比來調節電機轉速，通過電流傳感器檢測實時電流信號、電壓傳感器檢測實時電壓信號、電機控制器輸出實時轉速信號、LCD液晶顯示和存儲模塊為一體的電動微耕機數據采集與動力控制系統，達到提高電動微耕機作業質量，減少能耗，降低工作成本等目的。試驗結果表明：該電動微耕機數據采集與動力控制系統，可在一定的范圍內進行速度的平滑調節，并在負載發生變化的情況下保持轉速基本不變，具有良好的穩態、動態性能，并且該系統能夠實時顯示、記錄電動微耕機作業時的各項指標變化情況，以此可對電動微耕機動力系統進行優化匹配，使其滿足其動力性及經濟性的需求。

單片機STC89C52RC；電動微耕機；數據采集；動力控制

前言

傳統微耕機以柴油機或汽油機為動力源，體積較大，轉向不靈活，不易于年老體弱者及女性使用，在惡劣工作環境下，容易發生熄火現象，且其排放的尾氣對環境造成嚴重污染，尤其不適用于溫室大棚等密閉空間的耕作[1]。基于上述問題，近年來，新型電動微耕機產品逐漸取締了傳統微耕機，其采用電動機為動力源，具有體積小，操作簡便，無污染等優點[2]。因此，本文設計了一種基于單片機STC89C52RC的電動微耕機數據采集與動力控制系統，將該系統安裝在電動微耕機樣機上，采用單片機對其動力系統進行實時控制，改善了電動微耕機的工作質量，降低了工作成本，并實時檢測與存儲電動微耕機的各項指標參數，分析其動態工作性能，以此對其動力系統進行優化匹配。

1 系統總體方案設計

電動微耕機數據采集與動力控制系統主要由單片機STC89C52RC、電流傳感器、電壓傳感器、電流變送器、A/D轉換模塊、LCD顯示模塊、SD卡存儲模塊、電源模塊等組成[3]。如圖1所示，該系統以單片機為核心，控制PWM在一段連續工作時間內的占空比，以此對動力系統進行控制。電流傳感器輸出的電流信號通過電流變送器轉換成電壓信號，與電壓傳感器輸出的電壓信號共同被A/D轉換模塊采集；電機控制器輸出的轉速信號可直接被單片機采集；電源模塊為單片機提供電力源；單片機采集的電流、電壓、轉速信號可在LCD顯示屏上進行實時顯示，并將數據存儲到SD卡存儲模塊[4]。

圖1 系統總體設計結構圖

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊的設計

數據采集模塊由單片機、閉環霍爾傳感器、電流變送器等組成，如圖2所示。單片機STC89C52RC內置8K字節可編程Flash存儲器，512bit的RAM，2K的E2PROM，3個16位定時器/計數器，32位的通用I/O控制端口[5]。由于霍爾傳感器具有測量范圍廣，響應速度快，動態性能好，可靠性高等優點，故該模塊采用霍爾傳感器[6]。被測電線穿過霍爾電流傳感器，M端輸出電流信號；電流信號從電流變送器的IN+端口輸入，IN—端口接地，OUT+端口輸出電壓信號，OUT—端口接地；電壓傳感器的IN+端口和IN—端口與電機控制器的供電電源端相連，M端輸出電壓信號，⊥端接地；A/D轉換模塊的AIN2端口采集電流變送器輸出的電壓信號，AIN1端口采集電壓傳感器輸出的電壓信號，進行模數轉換；單片機STC89C52RC的P35引腳采集的是電機控制器OUT端口輸出的轉速脈沖信號，P36引腳與A/D轉換模塊的數據端口SDA連接，P37引腳與A/D轉換模塊的時鐘信號端口SCL連接。通過該數據采集模塊，單片機可實時采集電動微耕機作業時的電流、電壓與轉速信號[7]。

圖2 數據采集模塊電路圖

2.2 數據顯示模塊的設計

電動微耕機數據顯示模塊選用的LCD為STN類像素為128*64黑白字符圖形式的12864液晶屏。數據顯示模塊電路如圖3所示，LCD液晶屏的PAUSE端口與單片機STC89C52 RC的P3.0端口相連；RES端口與單片機STC89C52RC的P2.1端口相連；PSB端口與單片機STC89C52RC的P2.3端口相連；RS端口與單片機STC89C52RC的P2.4端口相連；RW端口與單片機STC89C52RC的P2.5端口相連；E端口與單片機STC89C52RC的P2.6端口相連。通過該數據顯示模塊，可實時顯示電動微耕機作業時的電流、電壓與轉速信號[8]。

圖3 數據顯示模塊電路圖

2.3 數據存儲模塊的設計

電動微耕機數據存儲模塊通過文件系統及SPI接口驅動程序，即可完成Micro SD卡內的文件讀寫。數據存儲模塊電路如圖4所示，其控制接口共有6個引腳，其中GND為地，VCC為供電電源，MISO、MOSI、SCK為SPI總線，分別與單片機STC89C52RC的P1.4，P1.5和P1.6引腳連接；CS為片選信號腳，與單片機STC89C52RC的P1.7引腳連接。通過該數據存儲模塊，可實時存儲電動微耕機作業時的電流、電壓與轉速信號。

圖4 數據存儲模塊電路圖

3 系統軟件設計

電動微耕機數據采集與動力控制系統的軟件程序采用C語言編寫，每10ms采樣一次。在電動微耕機產品開發過程中，將該系統安裝在電動微耕機樣機上，使其在工作時可在一定的范圍內進行速度的平滑調節，并在負載發生變化的情況下能夠保持轉速基本不變，具有良好的穩態、動態性能，并可準確、快捷地實時采集與存儲其動態參數，以此分析其動力性能是否滿足需求。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 試驗及結果分析

圖6為電動微耕機動力系統測試時，LCD顯示屏上電流、電壓、轉速信號的顯示。當前時刻電壓值為54.9v，電流值為3.1a，轉速值為629r/min，電機轉速將持續增長至2800r/min左右并保持恒定。當依次按下不同的按鍵時，將分別通過串口助手顯示該系統存儲的電流、電壓、轉速信號，并可保存成文本文檔，供后續分析數據使用。

圖6 電路實物圖

為了測試該電動微耕機數據采集與動力控制系統是否滿足設計需求，特在某區域進行了實地作業測試。

如圖7所示為測試系列電壓下動力系統的動力特性曲線、效率特性曲線圖。其中A為外特征曲線，B為效率區分割線，C為最高效率區。開始時隨著轉速的增加，扭矩值近似不變，當轉速增加到某一值時，扭矩值直線下降，保持功率不變。從曲線圖可看出，當轉速和扭矩在某一特定值附近時，可達到最佳效率區，由此可通過閉環PID控制使動力系統保持在該速度值附近。

圖7 動力特性曲線、效率特性曲線圖

5 結論

本文設計了一種電動微耕機數據采集與動力控制系統，采用單片機作為其核心控制單元，基于PID算法對其動力系統進行恒轉速控制，提高了動力控制精度，降低了系統的復雜程度。為了便于電動微耕機產品開發過程中的調試與標定，系統設計了基于閉環霍爾式電流和電壓傳感器的信號采集模塊以及室內調試用的上位機存儲模式和室外調試用的SD卡存儲模式，并且可通過LCD顯示模塊實時監測各項動力參數與當前狀態。經過測試，結果證明該系統可對電機進行高精度恒轉速控制，到達預定轉速迅速，并可準確、快捷地實時對各種動態參數進行采集與存儲。此外，該系統對電動微耕機的總布置基本無改動，成本低廉，操作方便，適用性好。在生產廠家對電動微耕機的調試過程中，數據采集，數據顯示以及數據存儲有利于工程師對控制算法進行調參和優化。

[1] 郭晨星.電動微耕機的分析與設計研究[D].太原:太原理工大學, 2018.

[2] 張強,楊光友.基于STM32單片機控制的電動微耕機研制[J].農機化研究,2019(7):100-109.

[3] 閆世杰,張曙光,彭曉云.基于STC12C5A60S2單片機設計的水源地信息采集裝置[J].中國農機化學報,2014,35（4）:283-285.

[4] 孔慶光.異步電動機信號采集及狀態監測系統的設計[J].寧德師范學院學報(自然科學版),2017,29（3）:301-305.

[5] 劉健.基于STC89C52RC單片機實驗系統的設計與開發[D].長沙:湖南大學,2013.

[6] 王瑗,潘葳.集成霍爾傳感器特性測量與應用實驗的改進[J].物理實驗,2018,38（11）:28-30.

[7] 李國強,謝永成,魏寧.基于單片機的直流電動機的信號采集系統設計[J].計算機測量與控制,2017,25(3):176-179.

[8] 楊陽,浦瀚,郭曉鳳.基于STC89C52單片機壓力測試與顯示系統研究[J].電子設計工程,2018,26(19):157-160.

Design of Data Acquisition and Power Control System for Electric- Micro-tiller*

Chai Yuanxin, Shi Jing, Zhu Zhiqiang

（Automobile & Traffic Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

Design a micro-controller STC89C52RC as the core of the electric-micro-tiller data acquisition and power control system that adjusts the motor speed by controlling PWM duty ratio.Real-time current signal is detected by current sensor, real-time voltage signal is detected by voltage sensor, real-time speed signal is output by motor controller, data acquisition and power control system of electric micro-tiller is integrated with LCD display and storage module to improve the operation quality of electric-micro-tiller, reduce energy consumption and work cost.The test results show that the data acquisition and power control system of the electric-micro-tiller can smoothly adjust the speed within a certain range when working, and keep the rotation speed basically unchanged when the load changes, with good steady-state and dynamic performance.In addition, the system can display and record the changes of various indexes during the operation of the electric-micro-tiller in real time, so as to optimize the matching of the power system of the electric-micro-tiller and make it meet the requirements of its power performance and economy.

Micro-controller STC89C52RC;Electric-micro-tiller;Data acquisition;Power control

U463.5

A

1671-7988(2019)18-18-04

U463.5

A

1671-7988(2019)18-18-04

柴媛欣（1994-），女，碩士研究生，研究方向：機械CAD/CAM技術；汽車測試技術；車輛系統動力學與控制。石晶（1962-），男，教授，研究方向：機械CAD/CAM技術；汽車測試技術；車輛系統動力學與控制。朱志強（1982-），男，講師，研究方向：機械CAD/CAM技術；汽車測試技術；車輛系統動力學與控制。

遼寧省重點研發計劃項目——基于無線遙控的先進履帶式新能源微耕機研發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.006