基于STM32的煙葉采摘機械控制系統設計

葛 朝，趙冠南，朱 騏，冉云亮

（鄭州容大科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著我國農業現代化進程的不斷推進，農業全程機械化也隨之推進，煙葉種植的機械化也在快速的發展，但針對煙葉采摘的機械在我國還是相對比較落后，并且對機械運行的控制更多的還是采用的純電氣控制，不能實現設備的精準的控制。為此，本文設計了一種由單片機控制的，針對采摘機液壓驅動系統的控制系統，能夠實現對車輛行走的無極調速，同時對車速進行監控；對采摘部件可以通過人機交互模塊進行速度的調節，同時對采摘部件的各個模塊的運行速度進行監控；在機械進行作業的時候車速和采摘速度相互制約，以實現車速和采摘速度的匹配，提高采摘效率和降低對葉片的損害。

1 控制系統硬件設計

為了實現采收機的智能化、人性化、靈活性和精確性，本系統設計采用的是STM32F103 系列單片機作為主控器。這個系列的微控制器具有價格便宜，可靠性高，應用靈活等特點。本控制系統主要是有車輛行走、煙葉采收和人機交互等3 部分組成，也是整個機器設備的核心部件。車輛行走主要是有車輛控制手柄、車輛驅動和車速檢測3 部分組成，這3 部分形成一個閉環的控制電路，實現對車輛行駛的平穩控制。煙葉采收有驅動電路和速度檢測電路組成，采收部件的速度是由人機交互界面來設置，這個部分也形成一個閉環控制系統。通過這個閉環的方式加強了對采收部件的控制，能夠提高采收機的采收效率和采收效果。人機交互模塊改變了原有的操作不方便的現狀，這種方式使現有的機器的操作和控制比較人性化。除了3個關鍵部件之外還增加了一個定位部件——北斗模塊，通過北斗能夠統一管理采收機的使用情況，并能夠進行統一的調度，更有效率的使用采收機。采用北斗還有一個目的就是測量采收機的行駛速度，但這個速度并不參與采收機的作業控制，主要是因為北斗測速有一定的滯后性，跟不上采收機作業時對于速度信號的需要，采收機在作業時對速度檢測要求實時性很高，不能有滯后性。硬件設計框圖，見圖1。

圖1 系統硬件的框架Fig.1 The system hardware framework

1.1 主控制器

本系統設計采用的主控器采用的是意法半導體公司生產的ARM 系列芯片——STM32F103RCT6，該芯片使用的是ARM 公司的Cortex-M3 內核，具有最高72MHz 的主頻，包含豐富的嵌入模塊。此芯片能夠實現對輸入信號的快速反應，并且對于車輛的精細化控制能夠達到理想的效果。

在本設計中使用了主控芯片的定時器模塊、ADC 模塊、USART模塊、CAN模塊等嵌入的硬件模塊。定時器模塊主要是使用其PWM輸出和PWM捕獲功能，PWM功能是用來控制行車和采收部件，主要是實現對這2 個模塊的速度調控；PWM 捕獲是用來獲取運動部件的速度，速度檢測傳感器使用的是脈沖類型的。ADC 模塊是用來獲取行車的控制信號和車輛狀態信號的，車輛的手柄的信號和車輛檢測傳感器采用的是模擬信號輸出，此芯片自帶的ADC 模塊是12 位車轉換器，此轉換器能夠滿足本系統的設計需求，所以就直接采用MCU自身所帶的ADC模塊。USART模塊是用來實現人機交互的，本設計使用的是串口的觸摸顯示屏。CAN 模塊是為了實現控制器和ECU之間的數據通信的，實時的獲取到發動機的狀態，并在顯示屏上顯示出來。在設計過程中預留了網絡通信接口，以便后續對控制器的升級，增加上位機處理功能。主控器的最小系統電路，見圖2。

圖2 主控器最小系統Fig.2 The minimum system of main controller

1.2 電源電路模塊

電源電路模塊是由3 部分組成，一路是輸出12 V 的電路，一路是輸出5 V的電路，一路是輸出3.3 V的電路。

12 V 輸出電路是用來驅動液壓控制器的電壓，由于車輛的供電電壓是12 V，所以該電路不需要進行降壓，在設計時只需要進行電路的隔離和保護就可以了。

5 V 輸出電路是用來給各外置的功能模塊進行供電，同時也給3.3 V 電源電路提供電源，為了給設備提供穩定的電源和足夠的功率，所以這里選用的是LM2596-5.0 的開關型穩壓芯片，該芯片最大輸出電流為3 A，能夠滿足整個控制的需求。由于系統的電源是由采收機的供電電瓶提供的，所以在開機會出現瞬間高電壓的沖擊，本系統做一個保護電路。D1 是一個肖特基二極管，用來防止電源反接，如果電源輸入接反之后，D1處于高阻態狀態，電源不能形成回路，后面電路就不會有電，對電路起到保護作用，見圖3。

圖3 5V電源電路Fig.3 The 5V power supply circuit

3.3 V輸出電路是主要用來給控制器最小系統供電的，為了保證系統能夠穩定可靠的運行，該電路能否穩定可靠的輸出是非常重要的。在該系統中為了保證系統穩定運行和模擬控制信號檢測的可靠性，本系統設計了兩路的3.3 V 電源，一路用來給數字信號供電，一路給模擬信號供電。本系統3.3 V電路采用的是線性穩壓芯片，主要是保證模擬信號的電源穩定性，見圖4。

圖4 3.3V電源電路Fig.4 The 3.3V power supply circuit

1.3 驅動電路

本系統設計的驅動電路能夠驅動2A 的負載，為了防止大功率負載在工作時對控制器形成干擾和沖擊，在設計電路時采用了非接觸式隔離的方式，并且還能實現低壓信號控制相對高壓的驅動電壓，保證有足夠的功率驅動負載。隔離電路采用的是FD817 光耦來實現的，驅動芯片采用的是MOS管，使用的是MOS 能夠有5A 的驅動電流。R6 是限流電阻，對驅動光耦的電壓進行限制，由于光耦的驅動是電流型的，所以加這個限流電阻是防止驅動電流過高損壞光耦。E1 是用來濾波的電容，這里采用的是電解電容，由于這里電源是直接取自電瓶，所以在設備工作時會出現電壓的不穩定現象，電解電容在這里就是為了保證電源不會有瞬間的波動，使外部設備能夠穩定的工作。R5是上拉電阻，這里的采用的是P溝道MOS管，上拉電阻在這里的作用是為了保證MOS管能夠穩定的斷開，保證電路的可靠性和穩定性。驅動電路，見圖5。

圖5 驅動電路Fig.5 The drive circuit

1.4 速度檢測電路模塊

速度檢測對采摘機來說是很重要的部分，因為在整體設計中，行車速度和采摘速度是需要匹配的。在早前的設備中是需要靠駕駛員來實現兩者的匹配，這樣的設計就對駕駛員的要求比較高，如果是新手駕駛的話，就會出現漏采的現象。現在農業機械的智能化程度越來越高，在新設計的控制器中增加了運動模塊的速度采集，以實現采收的智能化程序。本采集模塊使用了三線編碼器和高速霍爾傳感器。R96、R97、R98為信號的上拉電阻，由于編碼器是一個脈沖信號，并且是高電平有效的信號，上拉電阻的作用就是保證脈沖信號的有效性，以避免丟失數據；C50、C51、C52 是用做信號濾波的，由于該系統是使用到煙草機械上的，那么在設備使用中會因為機械的震動等原因而產生的高頻脈沖，通過濾波電容去除掉這些高頻脈沖的干擾。U41 是用來隔離的，這個電路是采集的高頻霍爾開關信號，這個信號是＞5 V 的電壓信號，所以使用U41 起到一個高低壓信號隔離的作用，同時還能隔離霍爾信號多單片機的沖擊和干擾，R101是用作限流的，但R101和C57 一起構成了一個RC 濾波電路，對信號進行一個濾波處理，防止設備的干擾。速度檢測電路，見圖6。

圖6 速度檢測電路Fig.6 Th espeed detection circuit

1.5 人機交互模塊

人機交互采用的是工業顯示屏，該屏是電阻觸摸屏。選擇電阻觸摸屏是考慮到農業機械所使用的的環境，電阻觸摸屏在高溫、土塵的環境下能夠可靠的使用，保證了設備的可靠性。為了保證控制器和顯示屏通信的可靠性，采用的是485 通信。此電路設計中用電平穩定電路，電路保護電路以及濾波電路，R142 和R144 是用來穩定電平信號的，C86 是芯片電源旁路和濾波的，D4 是TVS 管，用來防止外部信號對芯片產生沖擊的，起到保護的作用。通信電路，見圖7。

圖7 人機交互通信電路Fig.7 The human computer interaction communication circuit

2 控制系統軟件設計

車輛的控制程序主要是有兩部分組成：一個是車輛行走控制，一個是采收部件控制。在整機系統中這兩部分還要聯動進行工作。

2.1 系統的整體程序設計

采收部件控制是整體控制的關鍵，也是整車性能好壞的關鍵。系統上電后，首先是對系統進行初始化，然后是檢測整車狀態，如果車輛沒有問題才可以進行車輛的操作，否則不能進行車輛的操作。系統的軟件控制分為步進模塊、行車模塊、采收模塊和人機交互模塊，在這些模塊中采收模塊和行車模塊之間是有一定的制約的。在轉場的時候采收和行車是沒有關系的，車輛在采收作業的時候采收模塊對行車模塊是有一定的制約的。在采收作業時行車的速度是受到采收作業速度的影響的，車輛的行駛速度是有一個和采收設置速度相匹配的值的，車輛行駛速度可以低于這個匹配速度，但不能高于這個速度，如果高于這個速度的話，會直接影響煙葉的采收破損率和采凈率。人機交互是用來顯示車輛狀態和對車輛的一些參數的設置和矯正的，主要是采用的觸摸顯示屏。整機流程圖，見圖8。

圖8 系統流程圖Fig.8 The system flow chart

2.2 行車控制設計

本控制系統針對的是液壓行走驅動的設備，車輛的控制有一個很大的難題，就是設備動作響應的滯后性，也就是說從控制器發出控制信號到設備響應之間有一個時間差。需要在軟件設計的時候把這個時間差給考慮進去，已達到控制的可靠性。這個在設計時參考了PID 的控制的原理，實現對車輛行駛的閉環控制。手柄是用來控制車輛的行走速度、停車和駐車的，手柄信號傳送到控制器上，通過控制器進行數據處理后輸出速度調節信號，然后再檢測車輛行駛速度，進行反饋控制，使用模糊PID的方式對車輛速度進行調節控制。車輛行駛控制流程圖，見圖9。

圖9 行車控制流程圖Fig.9 The traffic control flow chart

2.3 采收器控制設計

采收器是需要根據現場的情況進去調節速度的，這是本設備比較關鍵的部分，也是整個車輛的是核心部件之一。采收器的速度通過人機交互來進行設置，并在界面上顯示采收器各個部件的實際速度，然后在進行人工調整。之所以采用這種方式來對采收器進行速度設置是因為液壓系統的特性，液壓在遇到阻力之后會出現速度變慢或是停滯的現象，而且液壓響應速度慢也是一個弊端，為了適應實際需要在這里采用的是人工調控和實時檢測的方式，而沒有采用PID 的閉環控制方式。

通過人機交互對采收模塊所需要的速度進行設置，設置完成之后啟動采收，控制器輸出采收器驅動信號，驅動采收器工作，然后檢測采收器各部件的速度，最重要的是采收刀的速度，通過模塊PID對采收架的速度進行調控，以保證采收架的速度盡量勻速。控制流程圖，見圖10。

圖10 采收流程圖Fig.10 The recovery flow chart

2.4 人機交互模塊

本系統采用人機交互主要目的是為了提高設備的人性化和智能化，以降低設備對操作人員的技術能力的要求。此模塊顯示的內容包含車輛狀態顯示、報警內容顯示、參數設置和調試控制等主要內容。車輛狀態顯示主要有油量、液壓油溫、車速、發動機轉速以及采收模塊各模塊的速度。報警內容顯示主要有各個模塊控制信號輸出異常報警、油量報警、液壓油溫度報警以及發動機狀態報警。參數設置主要有油量矯正、采收模塊速度設置以及作業時匹配車速設置。調試控制主要是為了方便在車輛出廠時的調試和現場維修使用，通過這個功能可以獨立控制車輛上的每一個運動部件運行，這樣的設計可以節省調試和維修的時間，并且可以降低對裝配和現場維修人員的專業技術能力的要求。

3 結語

該設計控制系統改變了之前的電氣控制或PLC 控制的方式，相對之前的設計，一是降低了成本，二是提高了控制系統的智能性、靈活性和精細控制，在很大程度上提高了煙葉采收機的靈活性和機動性能。

該設計的人機交互設計更加的人性化，對農機手的要求更低，不需要進行相關的專業培訓就能夠做到對采收機的快速掌握和熟練應用。