基于單片機(jī)的分布式無(wú)線轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)

李　導(dǎo)，楊丹彤，李　慶

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州　510642）

基于單片機(jī)的分布式無(wú)線轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)

李導(dǎo)，楊丹彤，李慶※

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642）

基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種分布式無(wú)線轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)，可用于田間作業(yè)拖拉機(jī)的多輪轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)利用霍爾傳感器將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送至單片機(jī)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，精度較高。

轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)，無(wú)線單片機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，田間作業(yè)，拖拉機(jī)

0　引言

對(duì)田間作業(yè)動(dòng)力的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到重視［1］。本文基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種分布式無(wú)線轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)，用于田間作業(yè)拖拉機(jī)動(dòng)力的多輪轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用霍爾傳感器［2］采集拖拉機(jī)各輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，脈沖信經(jīng)單片機(jī)無(wú)線串口通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送到另一單片機(jī)進(jìn)行處理。

1　轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

轉(zhuǎn)速測(cè)量有多種方法。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有：M法（測(cè)頻率法）、T法（測(cè)周期法）和M/T法（測(cè)頻率/周期法）［3-4］。

M法是利用一段固定時(shí)間間隔內(nèi)的編碼器產(chǎn)生的輸出脈沖數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。在規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。雖然檢測(cè)時(shí)間一定，但檢測(cè)的起止時(shí)間具有隨機(jī)性，因此M法測(cè)量轉(zhuǎn)速在極端情況下會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的誤差。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)速較高或者轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的數(shù)量較大時(shí)，才有較高的測(cè)量精度，因此M法適合于高速測(cè)量。

T法是通過(guò)測(cè)量光電編碼器2個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，即脈沖周期來(lái)確定轉(zhuǎn)速。相鄰2個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)時(shí)間的測(cè)量采用對(duì)一直高頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在極端情況下，時(shí)間的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)高頻脈沖周期的誤差，因此T法在被測(cè)轉(zhuǎn)速較低（相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)間隔時(shí)間較長(zhǎng)）時(shí)，才有較高的測(cè)量精度，所以T法適合于低速測(cè)量。

而M/T法則是前兩種方法的結(jié)合，從而使得在整個(gè)速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性。M/T法同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)傳感器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。由于同時(shí)對(duì)2種脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此只要“同時(shí)性”處理得當(dāng)，M/T法在高速和低速時(shí)都具有較高的測(cè)量精度，但它的實(shí)時(shí)性較差［5］。

考慮到田間作業(yè)拖拉機(jī)的所有車(chē)輪轉(zhuǎn)速需要實(shí)時(shí)檢測(cè)的情況，本文選擇使用M法，并采用霍爾傳感器。M法雖然受傳感器輸出脈沖的間隔影響較大，但只要提高編碼器線數(shù)或者加大測(cè)量的單位時(shí)間，使一次采集的脈沖個(gè)數(shù)盡可能多就能得到較高的精度［6］。

轉(zhuǎn)速脈沖頻率測(cè)量采用門(mén)脈沖計(jì)數(shù)法，被測(cè)信號(hào)脈沖頻率為：

轉(zhuǎn)速為：

因計(jì)數(shù)終點(diǎn)的隨機(jī)性，計(jì)數(shù)最大誤差為：

故測(cè)量最大誤差

式中T為標(biāo)準(zhǔn)門(mén)脈沖頻率寬度；f為頻率；m為計(jì)數(shù)數(shù)值；n為轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖信號(hào)數(shù)。

顯然，n（或T）取值越大，即輪盤(pán)磁極貼得越密集或門(mén)脈沖頻率寬度越大，測(cè)量精確度就越高［7］。

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由霍爾傳感器、MCU模塊、無(wú)線串口收發(fā)模塊和LCD液晶顯示模塊等組成，如圖1所示［8］。

圖1　硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

霍爾傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)直接送往單片機(jī)，由單片機(jī)4個(gè)I/O口負(fù)責(zé)脈沖信號(hào)的采集，并每隔1.5 s由無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；在接收端，單片機(jī)通過(guò)無(wú)線接收模塊接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后用液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。

2.1無(wú)線發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線發(fā)送選用經(jīng)典的集數(shù)據(jù)處理、多種I/O接口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器及A/D轉(zhuǎn)換器等功能于一體的51系列單片機(jī)。芯片采用STC89C52RC，具有32位I/O口線、一個(gè)全雙工串行口，可以計(jì)算、儲(chǔ)存及向外發(fā)送數(shù)據(jù)，工作電壓3.3～5.0 V［9］。

系統(tǒng)工作時(shí)，霍爾傳感器把4個(gè)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，并將脈沖信號(hào)送往單片機(jī)，單片機(jī)同時(shí)對(duì)4個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每次經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)的發(fā)送時(shí)間將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線串口向外發(fā)送。其系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2　無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)電路圖Fig.2 Wireless emitting system circuit diagram

2.2無(wú)線接收模塊

無(wú)線接收系統(tǒng)同樣選用了51系列單片機(jī)，與無(wú)線串口接收模塊及LCD液晶顯示屏共同構(gòu)成了轉(zhuǎn)速的顯示系統(tǒng)。

接收系統(tǒng)工作時(shí)，無(wú)線接收模塊隨時(shí)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，一旦接受到數(shù)據(jù)，就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后再將經(jīng)校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)送往單片機(jī)內(nèi)，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及存儲(chǔ)，并將結(jié)果顯示在LCD液晶屏上。接收系統(tǒng)電路如圖3所示。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要分為發(fā)射端程序和接受端程序。發(fā)射端程序主要包括主程序、脈沖變化檢測(cè)程序和中斷發(fā)射程序；接受端程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)顯示程序。

圖3　無(wú)線接收系統(tǒng)電路圖Fig.3 Wireless receiving system circuit diagram

發(fā)射端程序：在發(fā)射端，一旦檢測(cè)到脈沖發(fā)生變化，程序內(nèi)部定義的脈沖數(shù)加1，每次經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊向外發(fā)送。

接收端程序：接收端，單片機(jī)通過(guò)無(wú)線接收模塊接受數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)接收成功，馬上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，同時(shí)等待接受下一次數(shù)據(jù)。

接收端和發(fā)送端程序流程圖如圖4—5所示。

圖4　發(fā)送程序流程圖Fig.4 Flow chart of emitting program

圖5　接收程序流程圖Fig.5 Flow chart of receiving program

4　實(shí)際測(cè)試與結(jié)果

實(shí)地測(cè)試選用的拖拉機(jī)為麥賽福格森4245式拖拉機(jī)，如圖6所示。實(shí)際轉(zhuǎn)速選取拖拉機(jī)在低中高三檔常用的轉(zhuǎn)速，通過(guò)資料查到4245式拖拉機(jī)的傳動(dòng)比和前后輪直徑，可計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)速值。在被測(cè)試拖拉機(jī)的每個(gè)輪上安裝每圈24個(gè)磁極的磁盤(pán)。

圖6　麥賽福格森4245型拖拉機(jī)Fig.6 MASSEY FERGUSON 4245

表1　直線行駛時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的對(duì)比Tab.1 Comparison between experimental data and actual data on straight driving

表2　轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的對(duì)比Tab.2 Comparison between experimental data and actual data on turning driving

式中K為時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)到的脈沖個(gè)數(shù)；T為每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔；m為輪盤(pán)每圈的磁極數(shù)；n為輪的轉(zhuǎn)速。

直線行駛時(shí)顯示轉(zhuǎn)速及實(shí)際轉(zhuǎn)速如表1所示。

彎道行駛時(shí)顯示轉(zhuǎn)速及實(shí)際轉(zhuǎn)速如表2所示。

R1、R2為2個(gè)前輪轉(zhuǎn)速，R3、R4表示2個(gè)后輪的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)彎時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為相同速度下直線行駛的轉(zhuǎn)速。

從表1和表2可以看出，拖拉機(jī)直線行駛時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)平均誤差不超過(guò)3%，轉(zhuǎn)彎時(shí)所測(cè)平均轉(zhuǎn)速誤差不超過(guò)3%，且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增大，誤差逐漸縮小。

5　結(jié)束語(yǔ)

1）系統(tǒng)對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度較高，能滿足分布式監(jiān)測(cè)的要求。

2）采用了強(qiáng)穿透性的無(wú)線傳輸模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)異地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

［1］許春林，李連豪，趙大勇，等.懸掛農(nóng)具作業(yè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)田間實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（4）：83-88. Xu Chunlin，Li Jianhao，Zhao Dayong，JJ，et al. Field Real-time Testing Systemfor Measuring Work Dynamic Parameters of Suspension Agricultural Implement［J］.Transactions of the ChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2013 （04）：82-88.

［2］楊繼生，劉芬.霍爾傳感器A44E在車(chē)輪測(cè)速中的應(yīng)用研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2009，32（10）：100-102. Yang Jisheng，Liu Fen.Application study of hall sensor A44E in cartwheel's resurvey［J］.Electronic Measurement Technology，2009，32（10）：100-102.

［3］丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機(jī)測(cè)速裝置設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010（5）：81-83. Ding Zhiqin.Designof motor speed measurement device basedonHall Effect sensor［J］.Journal of AgriculturalMechanizationResearch， 2010（5）：81-83.

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［9］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程：入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

Wireless Distributed Revolution Measurement system based on single-chip microcomputer

Li Dao，Yang Dantong，Li Qing※
（College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

Based on single-chip microcomputer control technology，a wireless distributed revolution measurement system was developedby using hall sensors.The system makes it possible to monitor the rotate speeds on different axles in real time.The practical test results indicate the system has a good ability of anti-disturbance and keeps a high precision.

rotational speed test system，wireless single-chip microcomputer，real-time monitoring，field operation，tractor

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B020313005）

李導(dǎo)（1991—），碩士研究生，主要從事地面車(chē)輛系統(tǒng)與導(dǎo)航技術(shù)研究。

李慶（1973—），副教授，研究方向?yàn)檐?chē)輛工程和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備。Email:lqiing@scau.edu.cn