基于STC15的5G電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)設(shè)計

潘志國，紀國寧，張圣龍，劉善琪，張 健

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

隨著社會和科技的發(fā)展，我國的電動農(nóng)業(yè)機械在動力系統(tǒng)的電氣化改進基礎(chǔ)之上有了很大的進展。電動農(nóng)業(yè)機械具有小巧、靈活的特點，可以在較狹小空間內(nèi)使用。同時，電能作為一種新的清潔能源，可替代石油成為未來環(huán)保型農(nóng)業(yè)機械主要應(yīng)用能源。隨著環(huán)境保護力度日益高漲，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需能源走向環(huán)保化，電動農(nóng)業(yè)機械發(fā)展空間前景大，推動了電動農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展[1-2]。

當今機械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍需要人力對其進行機械控制和管理，效率低且人力資源浪費嚴重。市場目前在電動農(nóng)業(yè)機械遙控器方面大多以航模遙控系統(tǒng)為主，其大多難以兼容控制電動農(nóng)業(yè)機械，并且在控制精度和控制距離方面難以達到農(nóng)機精準控制的要求。與此同時，5G遙控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已是大勢所趨，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)已無法滿足人們對功能及穩(wěn)定性的需求。在農(nóng)業(yè)勞動力缺乏和農(nóng)機作業(yè)效率要求越來越高的當今社會，5G遙控系統(tǒng)無疑具有很高的優(yōu)越性和良好的市場潛力[3-4]。

針對航模遙控系統(tǒng)無法滿足農(nóng)機控制需求的問題，本文研發(fā)了一種5G電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括遙控端和接收端兩部分：遙控系統(tǒng)通過遙控端霍爾操縱桿進行操縱，控制接收端經(jīng)過比例積分微分(proportion integral differential, PID)算法調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)信號，兩端之間利用5G模塊進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)具有安全性高、傳輸距離遠、使用簡便等優(yōu)點，能夠滿足農(nóng)業(yè)機械作業(yè)控制需求[5]。

1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計的電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

本文所設(shè)計的5G電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)分為遙控端和接收端兩部分。主控模塊中央處理器(central processing unit,CPU)均采用STC公司芯片STC15W4K32S4?；魻柌倏v桿模塊將操縱桿位置信息轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出、濾波，并由CPU模塊進行模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)對操縱桿位置信息的實時測量。5G模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離通信，同時，憑借高速的5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信號的實時傳輸。接收端主控模塊通過PID算法處理后，產(chǎn)生對應(yīng)PWM輸出信號[6-7]。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

系統(tǒng)遙控端硬件主要由霍爾操縱桿模塊、主控STC15、5G模塊、電源模塊組成；系統(tǒng)接收端主要由電源模塊、5G模塊、主控STC15、信號輸出端口組成。通過操控霍爾操縱桿，可實現(xiàn)對輸出PWM信號的控制。

整體硬件框圖如圖2所示。

圖2 整體硬件框圖

2.2 STC15W4K32S4單片機主控模塊

STC15W4K32S4主控模塊由增強型單時鐘周期8051 CPU組成，工作頻率范圍可達5～28 MHz。系統(tǒng)需要5 V的電源。為保證遙控端電流供應(yīng)，選擇12 V電池作為電源，因此需設(shè)計降壓電路。

降壓模塊電路如圖3所示。

圖3 降壓模塊電路圖

STC15W4K32S4主控板能實現(xiàn)以下功能。

①通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)處理5G模塊接收的數(shù)據(jù)信息。

②控制農(nóng)業(yè)機械的PWM輸出信號生成。

③霍爾操縱桿位置數(shù)據(jù)采集。

④PID算法處理。

降壓電路采用的是LM2576降壓芯片。此芯片最大輸出電流可達到3 A，并且具備完善的保護電路。保護電路是一款開關(guān)型降壓電路，具有發(fā)熱低、轉(zhuǎn)換效率強的特點。在降壓電路中添加一個電感和二極管。其具有儲能和續(xù)流的作用，可保證輸出電能的連續(xù)性[8]。

2.3 霍爾操縱桿模塊

2.3.1 霍爾操縱桿

5G電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)所采用的霍爾操縱桿為非接觸式霍爾傳感器，具有較高靈敏度的特點，可以檢測較小幅度的位移，從而在一定程度上減小因操縱桿搖動角度過大而引發(fā)故障的概率。上電后，傳感器內(nèi)部產(chǎn)生磁場。操縱桿位置變化時會改變磁場的強度。磁場強度的變化通過操縱桿內(nèi)部輸出的放大后的霍爾電壓反映出來，即通過搖動搖桿到不同位置可以改變輸出電壓的大小。該霍爾操縱桿通過前后左右兩路輸出電壓信號反映操縱桿位置變化。CPU通過兩路輸出電壓信號的大小判斷霍爾操縱桿的位置[9]。

霍爾操縱桿信號輸出特性如圖4所示。

圖4 霍爾操縱桿信號輸出特性圖

2.3.2 濾波電路

霍爾操縱桿輸出電壓信號為0～5 V模擬信號，不可避免地存在干擾，因此需要設(shè)計濾波電路。濾波電路如圖5所示。

圖5 濾波電路圖

2.4 5G通信模塊

2.4.1 5G模塊MW800

系統(tǒng)采用5G模塊MW800進行數(shù)據(jù)通信。該模塊是基于MH5000-31LGA 模塊開發(fā)的一款多接口工業(yè)級5G模塊，預(yù)留多個類型硬件接口，能極為方便地把現(xiàn)有設(shè)備升級到5G，不需要對硬件進行十分大的改造，可縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。該模塊具有一路四線UART接口和一路二線UART接口。5G模塊二線UART接口僅用于調(diào)試，故采用系統(tǒng)通過四線UART與5G模塊建立通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。5G模塊UART接口定義如表1所示。

表1 UART接口定義

2.4.2 UART通信模塊

系統(tǒng)采用UART進行主控模塊與5G模塊通信。為此，設(shè)計UART通信電路。SP232為5 V供電TTL-232電平轉(zhuǎn)換芯片，DIN及ROUT端連接單片機TTL電平UART，則從SP232芯片DOUT及RIN可將其轉(zhuǎn)換為232電平UART。UART通信模塊電路如圖6所示。

圖6 UART通信模塊電路圖

2.5 光耦隔離模塊

由于STC15W4K32S4單片機的I/O口驅(qū)動能力相對較弱，為了防止負載所需要的電流過大，以及被控系統(tǒng)電流倒灌損壞CPU，系統(tǒng)采用光耦隔離模塊。

當在CH1處輸入高電平，引腳1、引腳2之間發(fā)光二極管點亮，引腳3、引腳4兩端光電三極管在光作用下進入飽和區(qū)，則C1處輸出5 V電壓；當在CH1處輸入低電平，引腳1、引腳2之間發(fā)光二極管熄滅，引腳3、引腳4兩端光電三極管進入截止區(qū)，則C1處輸出0 V電壓。

光耦隔離模塊電路如圖7所示。

圖7 光耦隔離模塊電路圖

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

遙控端首先通過主控模塊內(nèi)部模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ananlog to digital converter,ADC)對霍爾操縱桿輸出電壓進行采集以獲取操縱杠桿位置信息，而后通過對5G模塊發(fā)送AT指令建立與接收端5G模塊的通信。成功建立通信后，主控模塊將位置信息處理打包通過遙控端5G模塊發(fā)送至接收端。接收端接收到發(fā)送端數(shù)據(jù)后，首先按數(shù)據(jù)格式進行解包處理，然后通過內(nèi)部PWM發(fā)生器產(chǎn)生對應(yīng)PWM信號，實現(xiàn)對農(nóng)機的控制。軟件總體流程如圖8所示。

圖8 軟件總體流程圖

3.2 5G通信軟件設(shè)計

設(shè)計采用5G模塊撥號上網(wǎng)方式進行5G通信，撥號上網(wǎng)連接成功后即可利用5G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)訪問。5G撥號上網(wǎng)AT指令如表2所示。

表2 5G撥號上網(wǎng)AT指令

3.3 數(shù)據(jù)整合與解析

遙控端將操縱桿兩路電壓信號經(jīng)由內(nèi)部ADC將兩路電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量為0～255的兩路位置信息，以此標定操縱桿位置。

同時，位置信息通過每一包數(shù)據(jù)按照格式“a(起始標識符)，左右位置數(shù)據(jù)，前后位置數(shù)據(jù)，和校驗數(shù)據(jù)，e(結(jié)束標識符)”打包發(fā)送至接收端，實現(xiàn)位置信息發(fā)送。

數(shù)據(jù)接收后，首先通過檢測數(shù)據(jù)起始標志位‘a(chǎn)’以及檢測結(jié)束標志位‘e’進行數(shù)據(jù)篩選，然后通過讀取格式化的字符串中的數(shù)據(jù)來提取數(shù)據(jù)，最后根據(jù)和校驗位檢測數(shù)據(jù)正確性，以確保使用數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。獲取有效信息后，利用CPU內(nèi)部PWM產(chǎn)生PWM輸出信號[10-11]。

操縱桿位置標定如圖9所示。

圖9 操縱桿位置標定

3.4 PID算法

為保證PWM控制信號準確性，輸出PWM控制信號采用PID算法處理。通過主控芯片自帶ADC測量輸出PWM有效電壓值，以此確定PWM實際輸出值，并結(jié)合預(yù)設(shè)輸出PWM進行PID運算[10]。本設(shè)計采用位置式PID算法，即：

(1)

式中：u(k)為系統(tǒng)的實際輸出PWM；r(k)為給定預(yù)設(shè)輸出PWM；e(k)為給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差，e(k)=r(k)-u(k)，同時作為PID控制的輸入；KP為控制器的比例系數(shù)；KI為控制器的積分系數(shù)；KD控制器的微分系數(shù)。

本設(shè)計中，位置式PID系統(tǒng)原理如圖10所示。

圖10 PID系統(tǒng)原理框圖

3.5 脫控檢測與緊急停止

為防止被控農(nóng)機在未接收遙控端信號時出現(xiàn)誤動作，本文增設(shè)一定時脫控檢測程序模塊。脫控檢測程序模塊每10 ms進行一次檢測，每次均檢測是否接收到遙控系統(tǒng)遙控端數(shù)據(jù)。若未檢測到遙控端數(shù)據(jù)，則強制產(chǎn)生使農(nóng)機停止的PWM輸出波形，控制農(nóng)機停止，避免在脫控狀態(tài)下農(nóng)機產(chǎn)生失控誤動作[12]。

4 系統(tǒng)調(diào)試及試驗

經(jīng)測試：12 V電壓經(jīng)過降壓模塊將電壓降為5 V。霍爾操縱桿控制兩路產(chǎn)生PWM輸出波形，從而實現(xiàn)設(shè)計要求。

電壓跟隨器在濾波電路中主要負責(zé)阻抗匹配和穩(wěn)定電壓。通過改變電壓跟隨器輸入電壓，并與輸出電壓進行多次測量比，可得到如表3所示的電壓跟隨器測試數(shù)據(jù)。

表3 電壓跟隨器測試數(shù)據(jù)

濾波電路測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 濾波電路測試數(shù)據(jù)

降壓模塊電路為整個遙控系統(tǒng)提供電壓，包括CPU和各個電路。供電嚴重影響整個控制器的穩(wěn)定性。降壓電路測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 降壓電路測試數(shù)據(jù)

5 車輛試驗

為驗證5G電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)的實用性，將該遙控系統(tǒng)安裝于履帶式平臺車上，通過驅(qū)動器對履帶式平臺車進行了控制測試。

5.1 霍爾操縱桿測試

遙控過程中，霍爾操縱桿將前后、左右兩軸位置轉(zhuǎn)換為兩路電壓信號。

兩路采集信號變化如表6所示。

表6 采集信號變化

實際采集信號變化與理論相同。兩路信號與操縱桿移動角度成正比函數(shù)，在-60°～+60°以內(nèi)，信號電壓大小隨著轉(zhuǎn)向角度的增大而增大。

5.2 5G通信模塊測試

5G模塊通過AT指令建立5G網(wǎng)絡(luò)通信連接，根據(jù)回復(fù)指令完成通信的建立，同時根據(jù)回復(fù)指令判斷建立是否成功。當回復(fù)指令表示5G通信建立成功時，通過四線UART進行數(shù)據(jù)發(fā)送接收測試正常，可實現(xiàn)5G通信。AT指令回復(fù)如表7所示。

表7 AT指令回復(fù)

5.3 系統(tǒng)PWM輸出信號測試

系統(tǒng)使用系統(tǒng)遙控端霍爾操縱桿，通過5G通信對接收端產(chǎn)生的PWM輸出信號進行精確控制。測試遙控端霍爾操縱桿角度與接收端產(chǎn)生PWM輸出信號關(guān)系如表8所示。

表8 操縱桿角度與PWM輸出信號關(guān)系

5.4 農(nóng)機控制行駛測試

將遙控系統(tǒng)接收端加裝于履帶式平臺車，通過操控遙控端進行農(nóng)機控制的測試。當操縱桿處于靜止中間位置時，測試車輛靜止；經(jīng)測試，向前(后)推動操縱桿時，測試車輛前進，隨著操縱桿前(后)推位移增大速度加快；當向左(右)推動操縱桿時，測試車輛向左(右)原地轉(zhuǎn)彎，隨著操縱桿左(右)推位移增大轉(zhuǎn)彎速度加快；當向前(后)推動操縱桿時向左(右)推動操縱桿時，測試車輛可在前進(后退)的同時時向左(右)轉(zhuǎn)彎。該測試結(jié)果證明，所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期功能。

遙控端控制測試車輛的運動，實際測試車輛啟停延時時間，進行試驗記錄。運動控制延時如表9所示。

表9 運動控制延時

6 結(jié)論

本文通過PWM輸出信號控制以及5G通信，研制了5G電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過霍爾操縱桿控制兩路PWM輸出信號占空比，以此控制大部分電動農(nóng)機系統(tǒng)運動；結(jié)合PID算法控制，控制精確且易于操作。當出現(xiàn)遙控信號中斷、農(nóng)用機械超出范圍限度等情況時，通過系統(tǒng)實現(xiàn)急停功能，可避免事故的發(fā)生。

試驗證明，本文設(shè)計的基于STL15的5G電動農(nóng)業(yè)機械遙控系統(tǒng)具有安全性高、實用性強、適用范圍廣、傳輸距離遠、使用簡便、節(jié)省勞動力等優(yōu)點，能夠滿足當前大部分PWM輸出信號控制農(nóng)機的需求，可解決當前航模遙控系統(tǒng)存在的種種問題，并替代航模遙控系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)機控制，具有較強的優(yōu)越性和良好的市場潛力。