南疆紅棗棗園噴霧機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張德智，張　琦，廖結(jié)安，王　偉,2

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾　843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾　843300)

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南疆紅棗棗園噴霧機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張德智1，張琦1，廖結(jié)安1，王偉1,2

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾843300)

摘要：為實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制直流電機(jī)，達(dá)到調(diào)節(jié)棗園噴霧機(jī)噴桿機(jī)架垂直高度與水平距離、控制噴霧壓力與行走速度、以適應(yīng)南疆地區(qū)紅棗棗園噴霧作業(yè)要求的目的，從硬件和軟件兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)了一種以STC89C52單片機(jī)為核心的遙控電機(jī)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真與測(cè)試。結(jié)果表明:軟件與硬件電路連接合理，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)5臺(tái)電機(jī)的調(diào)速轉(zhuǎn)向控制，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：棗園；噴霧機(jī)；電機(jī)控制；單片機(jī)

0引言

紅棗是新疆的特色林果，味甘香甜，營(yíng)養(yǎng)豐富。新疆獨(dú)特的光熱、溫度、濕度等氣候條件，為優(yōu)質(zhì)紅棗的生長(zhǎng)提供了優(yōu)良的自然條件。紅棗產(chǎn)業(yè)已成為新疆近年來(lái)發(fā)展最快、覆蓋面最廣、效益最突出、惠民成效最顯著的一項(xiàng)林果產(chǎn)業(yè)[1]。隨著紅棗直播建園技術(shù)的應(yīng)用，紅棗種植規(guī)模迅速擴(kuò)大，矮化密植栽培模式在全疆廣泛采用，提高產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為病蟲害的集中爆發(fā)提供了條件。紅棗是常年生密植灌木，因樹齡不同，種植行距在1～3m，株距0.7～3m，傳統(tǒng)噴霧機(jī)因尺寸與噴桿固定等原因，無(wú)法適應(yīng)不同樹齡棗樹的噴霧要求，如果發(fā)生突發(fā)性和擴(kuò)散蔓延快大面積的病蟲害將難以防治, 影響紅棗的產(chǎn)量、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效率[2]。同時(shí)，燃油農(nóng)業(yè)機(jī)械雖然功率較大，但其也有體積大、質(zhì)量大和作業(yè)空間小等缺點(diǎn)； 而電動(dòng)力農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)更加緊湊，使用方便，具有“小巧”的特點(diǎn)，非常適應(yīng)此類行距小的情況下使用[3]。

針對(duì)以上情況，通過(guò)控制電機(jī)調(diào)節(jié)噴桿機(jī)架垂直高度與水平長(zhǎng)度、噴霧壓力及噴霧機(jī)行走，研制適應(yīng)不同樹齡棗樹的垂直高度與水平距離的電動(dòng)力棗園噴霧機(jī)，對(duì)于提高棗園噴霧機(jī)械化水平、降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有積極意義。因此，基于單片機(jī)與無(wú)線藍(lán)牙傳輸，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)小巧、便于操控的棗園噴霧機(jī)控制系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的噴霧作業(yè)要求。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為主控制核心，以HC-05藍(lán)牙主從模塊為通信元件，以按鈕組、多路選擇開關(guān)組為手持控制端控速控向元件，以YD-DCMD2-48直流電機(jī)模塊為電機(jī)驅(qū)動(dòng)端電機(jī)驅(qū)動(dòng)組模塊，設(shè)計(jì)完成電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能為通過(guò)操控手持控制端控速、控向元件，完成聯(lián)動(dòng)控制2臺(tái)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與調(diào)速，點(diǎn)動(dòng)控制3臺(tái)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。其設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1手持遙控端設(shè)計(jì)

主控制核心模塊為STC89C52單片機(jī)，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程8k字節(jié)Flash、512字節(jié)RAM、32位I/O口線及看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4kB EEPROM、MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)外部中斷、1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。另外，STC89C52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下,CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作；掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。其工作電壓為5.5～3.3V，最高運(yùn)作頻率為35MHz，6T/12T可選[4]。

通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器。在本系統(tǒng)中，主控制模塊按照UART通信協(xié)議，將并行的數(shù)據(jù)(字符串)經(jīng)過(guò)移位器的移位后一位接一位(串行)地從主控制模塊的TXD端口發(fā)出，通過(guò)杜邦線發(fā)送至藍(lán)牙串口的RXD端口，藍(lán)牙同樣按照UART通信協(xié)議一位一位接收數(shù)據(jù)并再次通過(guò)移位器的移位將數(shù)據(jù)解析為主控制模塊發(fā)送的指令。整個(gè)系統(tǒng)的串行通信原理包括UART與藍(lán)牙的通信原理和藍(lán)牙與藍(lán)牙之間的通信原理[5]，如圖2所示。

圖2　串行通信圖

多路選擇開關(guān)是用來(lái)切換各種被測(cè)量模擬信號(hào)的關(guān)鍵元件，基于譯碼器工作原理，通常具有多個(gè)輸入端及1個(gè)輸出端[6]。按鈕組、多路選擇開關(guān)組為手持控制端控速控向元件，通過(guò)控制轉(zhuǎn)向開關(guān)向上電機(jī)正轉(zhuǎn)，中間停止，向下反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反停?？刂普{(diào)速開關(guān)實(shí)現(xiàn)開關(guān)向上高速、中間中速、向下低速?？刂齐姍C(jī)按鈕開關(guān)，實(shí)現(xiàn)正反停3檔開關(guān)撥在正或反時(shí)按下按鈕電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，松開按鈕電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。手持控制端電路圖及PCB板電路設(shè)計(jì)圖如圖3、圖4所示。

圖3　手持控制端電路圖

圖4　PCB板設(shè)計(jì)圖

2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)端設(shè)計(jì)

YD-DCMD2-48直流電機(jī)模塊采用美國(guó)IR公司專用的柵極驅(qū)動(dòng)芯片IRS2184加高性能MOS管驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可對(duì)外提供兩路“H”橋電路驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)；每一路H橋電路都可以承受48A電流通過(guò)，可使用的驅(qū)動(dòng)電源電壓7～36V，具有相應(yīng)速度快，耐壓，耐流參數(shù)等特點(diǎn)，適合驅(qū)動(dòng)大功率直流電機(jī)及需要大電流直流場(chǎng)合，如火花塞驅(qū)動(dòng)、大功率繼電器及飛思卡爾智能車等[7]。

主要參數(shù)包括：輸入電壓范圍DC7～36V；額定輸入電壓DC12V/24V/36V；H橋數(shù)目2路；每路H橋額定輸出電流與峰值輸出電流48A/144A；每路H橋額定功率0.576kW(12V)/1.152kW(24V)/ 1.728kW(36V)；邏輯控制信號(hào)電壓2.8～5.5V；工作溫度-20～100℃。模塊驅(qū)動(dòng)示意圖與邏輯引腳分別如圖5、表1所示。

圖5　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊示意圖

1IN11IN2PWM1A路“H”橋OUT1,OUT200x停止(無(wú)對(duì)地電壓)11x剎車(對(duì)地電壓相同)10PWM正轉(zhuǎn)調(diào)試(指定方向同向)01PWM反轉(zhuǎn)調(diào)試(指定方向反向)

驅(qū)動(dòng)端需要總共驅(qū)動(dòng)5臺(tái)直流電機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，因此需要3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。驅(qū)動(dòng)模塊與主控制模塊連接成邏輯數(shù)據(jù)口如下：

1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1 1IN1連接主控制模塊P3^3；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1 1IN2連接主控制模塊P3^2；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1 PWM1連接主控制模塊P3^1，組成1號(hào)可調(diào)速電機(jī)控制口。

2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1 2IN1連接主控制模塊P3^6；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1 2IN2連接主控制模塊P3^5；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1 PWM2連接主控制模塊P3^4，組成5號(hào)可調(diào)速電機(jī)控制口。

3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2 2IN1連接主控制模塊P2^0；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2 2IN2連接主控制模塊P2^1；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2 PWM2連接主控制模塊P2^2組成2號(hào)電機(jī)控制口。

4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3 2IN1連接主控制模塊P2^5；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3 2IN2連接主控制模塊P2^4；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3 PWM2連接主控制模塊P2^3，組成3號(hào)可調(diào)速電機(jī)控制口。

5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3 1IN1連接主控制模塊P0^0；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3 1IN2連接主控制模塊P0^1；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3 PWM1連接主控制模塊P0^2，組成4號(hào)電機(jī)控制口。驅(qū)動(dòng)端硬件布置與硬件連接示意圖如圖6所示。

圖6　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件連接示意圖

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在操控時(shí)，如果按鍵信號(hào)沖突，造成程序無(wú)法讀取正確信號(hào)。藍(lán)牙模塊的工作狀態(tài)直接影響控制系統(tǒng)的遙控端與驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)通信。打開電源,藍(lán)牙與主控制模塊上電，手持遙控端藍(lán)牙主模塊進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端藍(lán)牙從模塊進(jìn)入等待連接狀態(tài)。對(duì)手持遙控端進(jìn)行操控，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端完成指令解析與指令執(zhí)行。其程序流程如圖7所示。

圖7　程序流程圖

4系統(tǒng)仿真與測(cè)試

4.1系統(tǒng)仿真

Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性及可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)， Keil提供一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，對(duì)開發(fā)程序進(jìn)行仿真與調(diào)試[8]。

運(yùn)行Keil軟件，打開程序文件，軟件自動(dòng)進(jìn)行編譯，調(diào)出I/O端口窗口，窗口對(duì)應(yīng)單片機(jī)的P0、P1、P2端口；通過(guò)改變端口的高低電平，執(zhí)行對(duì)應(yīng)電機(jī)的控制命令，如使1號(hào)電機(jī)高速正轉(zhuǎn)，則相應(yīng)的P2^0和P2^2應(yīng)該為低電平，將P2端口窗口的第0位和第2位取消勾選，如圖8所示。程序執(zhí)行完成，邏輯分析窗口的仿真信號(hào)圖線發(fā)生對(duì)應(yīng)的高低電平改變，則說(shuō)明程序執(zhí)行正確。依據(jù)以上操作對(duì)各電機(jī)的指令進(jìn)行操作，全部電機(jī)的邏輯分析仿真信號(hào)圖如圖9所示。

圖8　I/O端口電平圖

圖9　仿真信號(hào)圖

對(duì)仿真信號(hào)圖的分析表明：對(duì)各指令端口操控，端口對(duì)應(yīng)電平變化正確，無(wú)指令沖突與錯(cuò)誤，程序識(shí)別及調(diào)用無(wú)錯(cuò)誤，程序運(yùn)行正常，可以進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)物制作與測(cè)試。

4.2系統(tǒng)測(cè)試

依據(jù)硬件與軟件的設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)物進(jìn)行制作，手持遙控端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)端實(shí)物圖，如圖10所示。在試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試時(shí)，外接DC36V直流電源，分別依次在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端的每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊上連接2臺(tái)轉(zhuǎn)速800r/min、額定電壓36V的直流電機(jī)。在電機(jī)軸上粘貼紙片，以觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速變化，判定操作指令執(zhí)行情況，如圖11所示。

圖10　硬件實(shí)物圖

完成連接后，依次操作轉(zhuǎn)向開關(guān)與調(diào)速開關(guān)對(duì)各電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。

圖11　系統(tǒng)測(cè)試圖

控制、觀察電機(jī)的執(zhí)行情況，并記錄測(cè)試結(jié)果，如表2所示。表2中“√”系統(tǒng)運(yùn)行正常。

表2　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)各部分連接無(wú)錯(cuò)誤，遙控控制指令在驅(qū)動(dòng)端執(zhí)行無(wú)錯(cuò)誤與延遲現(xiàn)象，各電機(jī)執(zhí)行指令正確、響應(yīng)及時(shí)，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5結(jié)論

以單片機(jī)為控制核心，使用藍(lán)牙信號(hào)傳輸、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為控制元件，運(yùn)用C語(yǔ)言進(jìn)行編程的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了程序仿真與實(shí)物測(cè)試。結(jié)果表明：軟件與硬件電路連接合理，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)5臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，為下一步控制系統(tǒng)與噴霧機(jī)構(gòu)總裝提供了基礎(chǔ)。

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Design of the Control System of Southern Xinjiang Red Jujube Jujube Orchard Sprayer

Zhang Dezhi1, Zhang Qi1, Liao Jiean1, Wang Wei1,2

(1.College of Mechanic and Electrical Engineering,Tarim University,Alar 843300， China; 2.Xinjiang Uygur Autonomous Region General Institutes of Higher Education Key Lab of Modern Agriculture Engineering,Alar 843300， China)

Abstract：To achieve through the control of DC motor, adjust the red dates orchard sprayer spray rod rack height of vertical and horizontal distance, spray pressure, walking speed, to meet the needs of southern xinjiang region red jujube jujube spray agriculture, from two aspects of hardware and software, designing a STC89C52 MCU as the core, motor control system using C language programming, simulation was carried out. Results show that the software and hardware circuit connection and reasonable program runs stable and reliable, can realize more steering control of motor speed, satisfies the requirement of system design.

Key words：jujube; spray machine; motor control; MCU

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0239-05

中圖分類號(hào)：S491；TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張德智(1988-),男，湖南永州人，碩士研究生，(E-mail) 316723281@qq.com。通訊作者：王偉(1979-)，男，沈陽(yáng)人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)syww77@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265048)

收稿日期：2015-05-31