基于STC8A8K64S4A12 的農(nóng)用無人機(jī)電流表系統(tǒng)研究

安紅恩，楊少沛( 通信作者)，許 強(qiáng)

（黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 河南 焦作 454950）

0 引言

近年來，隨著農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其在農(nóng)作物植保作業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，突顯了其機(jī)動性好、靈活和易操作等特點[1]。另外，無人機(jī)低空遙感技術(shù)和傳統(tǒng)監(jiān)測方式的有機(jī)融合，構(gòu)建了空天地立體化監(jiān)測管理體系，推動了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速高質(zhì)量發(fā)展[2]。然而，由于無人機(jī)在使用過程中易受周圍環(huán)境和自身負(fù)載重量等因素影響，導(dǎo)致農(nóng)用無人機(jī)在電源存儲能力、續(xù)航能力等方面仍存在穩(wěn)定性差和可靠性不足等問題。因此，如何正確使用電源，合理控制飛行速度和放電電流，是農(nóng)用無人機(jī)能夠最大程度應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)難點，故對無人機(jī)的電源檢測研究顯得尤為重要。盡管國內(nèi)外學(xué)者在無人機(jī)發(fā)展方面作出了很大努力，如農(nóng)用無人機(jī)的效率、安全性、成本等方面[1,3-7]，但如何有效管理電源，讓農(nóng)用4 旋翼無人機(jī)在有限的時間內(nèi)發(fā)揮最大的功能，而實現(xiàn)無人機(jī)的電源檢測是關(guān)鍵技術(shù)之一。

無人機(jī)綜合測試系統(tǒng)需要對發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、舵機(jī)、陀螺等部件的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，其中對發(fā)射機(jī)的工作電流的測量是測試指標(biāo)的重要組成部分，該指標(biāo)是檢驗發(fā)射機(jī)正常工作的數(shù)據(jù)分析依據(jù)之一，因此其測量的準(zhǔn)確性直接影響著發(fā)射機(jī)的研制與批量生產(chǎn)的質(zhì)量[2]。

為此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上[8]，以STC8A8K64S4A12處理器為平臺，集成數(shù)據(jù)采集模塊(CS5460A)和通信模塊(RS485)，利用單片機(jī)C 語言和匯編語言指令，設(shè)計了一種基于嵌入式微處理器為核心的農(nóng)用無人機(jī)電流表系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持通信接口-RS485、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議-MODBUS-RTU 且利于同各類計算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交換[9-13]。結(jié)合嵌入式技術(shù)和通信技術(shù)，設(shè)計一種切換快捷、擴(kuò)展性好、傳輸可靠、成本低廉、安裝簡易的電流表系統(tǒng)，融入多種抗干擾措施，確保工作環(huán)境惡劣情況下能穩(wěn)定運(yùn)行，顯示使用LED 數(shù)碼管，具有界面友好與操作便捷的特點，簡單操作按鍵便可逐頁觀察和設(shè)定參數(shù)，使得農(nóng)用4 旋翼無人機(jī)和工業(yè)儀表結(jié)合顯得更為完美，從而提升無人機(jī)技術(shù)和智能儀表技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，以期為無人機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步研究有所幫助。

1 電流表總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)用4 旋翼無人機(jī)電流表系統(tǒng)的重要核心技術(shù)是如何確定微處理器，因為微處理器控制信息的采集和傳輸，故微處理器選擇的是否合適顯得極其重要。STC8A8K64S4A12系列單片機(jī)是中國宏晶科技（STC）生產(chǎn)的單片機(jī)，不需外部晶振電路和外部復(fù)位電路，片上有EEPROM 功能以及外圍FPGA/DSP/GPU/CPU/MCU 獲得時鐘和低電平復(fù)位信號。該芯片具有高速內(nèi)核、四級流水線、相同時鐘頻率下比傳統(tǒng)8051 快12 倍以上等優(yōu)點。SPI 支持主機(jī)模式和從機(jī)模式以及主機(jī)/從機(jī)自動切換，I2C 支持主機(jī)模式和從機(jī)模式。還具有高速12 位ADC，速度高達(dá)80 萬次/s 以上，8 通道15 位PWM 和4 通道CCP 共12 路PWM，PWM 可當(dāng)DAC使用[9]。嵌入式微處理器（STC8A8K64S4A12）作為基于STC8A8K64S4A12 的農(nóng)用無人機(jī)電流表系統(tǒng)的控制核心，外部電量信息由傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊CS5460 進(jìn)行采集，用戶或上位機(jī)獲得的采集信息由ADM2483 通信模塊來發(fā)送。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖見圖l，整體實物外形結(jié)構(gòu)圖見圖2。

2 電源電路設(shè)計

該農(nóng)用無人機(jī)電流表硬件部分電路，即由電源電路、顯示電路和主控電路3 部分構(gòu)成，三者相互配合而構(gòu)成一個完整的電壓表。

2.1 電源電路設(shè)計

電源電路可以通過USB 接口供電。農(nóng)用無人機(jī)中電調(diào)的BEC 輸出即為+5 V 電壓，可用做電源電路。BEC（Battey Elimination Circuit），即免電池電路，在無人機(jī)電調(diào)里裝置一個電路模塊，而電子設(shè)備如接收機(jī)和舵機(jī)等采用電壓為5 ～6 V，該電壓通過12 V 電池轉(zhuǎn)換而成（電機(jī)還是12 V 供電），這樣就省去了5 V 電池，這就是BEC 電路名稱的由來[10-12]。線性穩(wěn)壓方式是BEC 使用最為普遍的，具有簡單的線路且小的體積和一只穩(wěn)壓管就能達(dá)到其需求，但不足的是低的效率轉(zhuǎn)換，當(dāng)進(jìn)行穩(wěn)壓時出現(xiàn)大能量損耗，因此穩(wěn)壓管在使用過程中出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。由于其效率低，自然輸出電流較低，一般也就1 A 左右，視具體情況而定。

圖3 和圖4 分別是農(nóng)用無人機(jī)電源監(jiān)控儀表的原理圖和實物圖。

2.2 主控電路設(shè)計

主控部分電路主要由1個CS5460A（數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換）、1 個單片機(jī) STC8A8K64S4A12、1 個RS458 通信模塊、1 只晶振及部分插針和電阻等器件組成，其工作原理具體如下。

外部被測電流信號IA、IB（中間有瞬間高壓放電保護(hù)措施）經(jīng)過1 個電流互感器后進(jìn)入CS5460A 的差模電流輸入端（第15 腳IIN1-、第16 腳IIN1+）。CS5460A 是一個包含兩個ΔΣ 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），能夠精確測量和計算有功功率、瞬時功率、瞬時電壓、電流等數(shù)據(jù)[13]。

CS5460A 在正數(shù)字電源（第3 腳VD+）、數(shù)字地（第4腳DGND）和正模擬電源（第14 腳VA+）、模擬地（第13腳VA-）以及晶振（4.096 MHz 連接于第1 腳和第24 腳之間）采樣輸入后，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字信號，按照SPI（Serial Peripheral Interface 即串行外圍設(shè)備接口）總線協(xié)議和單片機(jī)STC8A8K64S4A12 相通信[14-18]。其中CS5460A 的第5 腳SCLK（串行時鐘輸入，該引腳上的時鐘信號確定第23 腳SDI 引腳的輸入速率和第6 腳SDO 引腳的輸出速率）和單片機(jī)STC8A8K64S4A12 的第7 腳P1.5 相連，為單片機(jī)的外設(shè)器件。CS5460A 的第19 腳RESET（復(fù)位信號）和單片機(jī)的第6 引腳P4.4 相連，由單片機(jī)提供復(fù)位信號。CS5460A 的第6 腳SDO（串行數(shù)據(jù)輸入，標(biāo)號為MISO 即主控制器輸入，從器件輸出線）、第23腳SDI（串行數(shù)據(jù)輸入，標(biāo)號為MOSI 即主控制器輸出，從器件輸入線）分別和單片機(jī)的第5 腳P1.4、第4 腳P1.3 相連，完成信號的轉(zhuǎn)化和傳送工作。為了保證 CS5460A 更加穩(wěn)定可靠的工作，第17 腳PFMON 掉電監(jiān)視器接入2/3VCC 固定值電壓，且第7腳CS 片選信號接地GND[15]。

單片機(jī)STC8A8K64S4A12 和外設(shè)的通信連接有兩種總線協(xié)議，一種是SPI 協(xié)議，和CS5460A 相互連接，完成信號的采集、輸入、存儲、轉(zhuǎn)化；另一種是I2C 協(xié)議，和AT24C256 相互連接，完成信號的輸入、存儲、輸出，起到掉電保護(hù)作用。

AT24C256 是可編程只讀存儲器，具有256 kbit 串行電可擦特點，源自ATMEL 公司，封裝使用8 引腳雙排直插式，也可以使用其他封裝方式，其特點為大的存儲容量和緊湊的結(jié)構(gòu)，使用4 片該器件并接在I2C 總線上，尤其適用于有數(shù)據(jù)儲存要求為高容量的采集系統(tǒng)[19-20]。

單片機(jī)STC8A8K64S4A12 的第32 腳（P2.4，標(biāo)號為SDA 串行數(shù)據(jù)線）、第33 腳（P2.5，標(biāo)號為SCL 串行時鐘線）分別和AT24C256的第5腳、第6腳相連。AT24C256的第1、2、

3、7 腳都接地，所以該芯片的片選編碼為000，SDA 是一個漏極開路端，因此需要加上拉電阻R7（阻值為470）和電源VCC。

2.3 顯示電路設(shè)計

顯示部分電路主要由3 個按鍵（K1、K2、K3），2 個移位寄存器74HC595 和3 個5 位一體共陽極數(shù)碼管以及輔助電源、電阻構(gòu)成，主要工作原理如下。

2 個74HC595 相互級聯(lián)實現(xiàn)顯示信號的串行輸入并行輸出，具體接法為：第1 個74HC595（IC3）的第9 腳Q7’（串行數(shù)據(jù)輸出）、11 腳SHCP（數(shù)據(jù)輸入時鐘線）、12 腳STCP（輸出存儲器鎖存時鐘線）和第2 個74HC595（IC2）第14腳DS（串行數(shù)據(jù)輸入）、11腳SHCP（數(shù)據(jù)輸入時鐘線）、12 腳STCP（輸出存儲器鎖存時鐘線）連在一起，實現(xiàn)級聯(lián)[20-28]。為了讓顯示部分工作穩(wěn)定，可讓2 個74HC595 的第10 腳MR（主復(fù)位信號，移位寄存器的數(shù)據(jù)在低電平時將被清零）接到VCC 防止數(shù)據(jù)清零，第13 腳OE（低電平時輸出有效，而高電平時輸出為禁止?fàn)顟B(tài)，成高阻態(tài)）接地。其中第1 個74HC595（IC3）控制五位一體數(shù)碼管的段選，可顯示不同的字形碼，第2 個74HC595（IC2）控制五位一體數(shù)碼管的位選，可控制不同的位顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多位顯示。為了保護(hù)數(shù)碼管不被大電流燒毀，在每個段選上加上330 Ω 的限流電阻，以起到保護(hù)作用。

第1 個74HC595（IC3）的第11 腳SHCP（數(shù)據(jù)輸入時鐘線）、12 腳STCP（輸出存儲器鎖存時鐘線）、14 腳DS（串行數(shù)據(jù)輸入）分別和單片機(jī)的第28 腳P4.2、29 腳P2.1、27 腳P2.0 相連，由單片機(jī)提供數(shù)據(jù)輸入時鐘、輸出存儲器鎖存時鐘和處理后的串行數(shù)據(jù)然后顯示出來。

3 個按鍵K1（設(shè)置鍵）、K2（移位鍵）、K3（加法鍵）[29]分別和單片機(jī)的21 腳P3.3、22 腳P3.4、23 腳P3.5 相連，單片機(jī)以中斷的方式實現(xiàn)3 個鍵的工作[19-22]。

3 程序設(shè)計

為了便于顯示和調(diào)試，程序采用順序結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先輸入一級控制密碼，起動調(diào)試程序，然后確定量程和通信地址和波特率；在正確輸入二級控制密碼后進(jìn)行正常標(biāo)定，通過對待測值的采集和信號轉(zhuǎn)化，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示[25-29]，詳細(xì)流程圖見圖5。

4 儀表穩(wěn)定性測試與分析

為了測試儀表的穩(wěn)定性和可靠性，首先對儀表進(jìn)行初始化設(shè)置，整體調(diào)試操作步驟如下。

（1）上電，最后兩位數(shù)碼管顯示0.0（默認(rèn)為小數(shù)點后保留1 位數(shù)字），其他3 位不顯示。

（2）按設(shè)置鍵，顯示L——0。

（3）按加法鍵，可對最后一位數(shù)字分別設(shè)置為0、2、3、4，下面分別介紹對應(yīng)的情況。

情況1：

（1）上電，最后兩位數(shù)碼管顯示0.0。

（2）按設(shè)置鍵，顯示L——0。

（3）按加法鍵，直到顯示L——2。

（4）按設(shè)置鍵，顯示F—100。此值表示為工程量值、變送比，即測量的最大值，也是顯示的最大值，根據(jù)具體情況可以通過加法鍵和減法鍵進(jìn)行修改數(shù)值。

（5）按設(shè)置鍵，顯示A——1。表示通信地址，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時使用，也可以通過加法鍵和減法鍵修改數(shù)值。

（6）按設(shè)置鍵，顯示b——96。表示通信的波特率是9600bps，一般不用修改。

（7）按設(shè)置鍵，最后兩位數(shù)碼管顯示0.0。

以上為設(shè)定測量滿度和通信參數(shù)完畢。

情況2：

（1）上電，最后兩位數(shù)碼管顯示0.0。

（2）按設(shè)置鍵，顯示L——0。

（3）按加法鍵，直到顯示L——3。

（4）按設(shè)置鍵，顯示TAC—I。此時表示儀表工作為交流電流模式。按加法鍵（或減法鍵）可以依次切換為TdC—V 直流電壓模式、TdC—I 直流電流模式、TAC—V 交流電壓模式。

（5）按設(shè)置鍵，顯示d——1。表示小數(shù)點后保留的數(shù)據(jù)位數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示時使用，也可以通過加法鍵和減法鍵修改數(shù)值。

（6）按設(shè)置鍵，最后兩位數(shù)碼管顯示0.0。

以上為設(shè)定儀表工作模式和數(shù)據(jù)顯示位數(shù)完畢。情況3：

（1）上電，最后兩位數(shù)碼管顯示0.0。

（2）按設(shè)置鍵，顯示L——0。

（3）按加法鍵，直到顯示L——4。

（4）按設(shè)置鍵，顯示L——0.0，在不同的測試環(huán)境下會有不同數(shù)據(jù)，屬于系統(tǒng)誤差。然后由多功能儀表輸入最小值0。

（5）按加法鍵，顯示L——3.0，如果數(shù)據(jù)閃爍或不穩(wěn)定，可以反復(fù)按加法鍵，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變，說明最小值標(biāo)定成功。

（6）按設(shè)置鍵，顯示H——972，在不同的測試環(huán)境下會有不同數(shù)據(jù)，屬于系統(tǒng)誤差。然后由多功能儀表輸入最大值如1A。

（7）按加法鍵，顯示H1021，如果數(shù)據(jù)閃爍或不穩(wěn)定，可以反復(fù)按加法鍵，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變，說明最大值標(biāo)定成功。

（8）按設(shè)置鍵，顯示最大值100，此時多功能儀表輸出1A 仍然存在。

以上為設(shè)定儀表測試狀態(tài)完畢，可以讓多功能儀表退出1A 回零。

通過上述設(shè)定后，輸入任何一個電流值（在標(biāo)定值范圍內(nèi)的被測電流值），屏幕應(yīng)顯示輸入數(shù)值。

此時調(diào)試完成，可以正常顯示被測電流。測試結(jié)果見表1，測試表明，儀表測量功能具有較高的穩(wěn)定性。第一段適用于監(jiān)測變電所和配電站工作電流，此時可以設(shè)置為TAC—I 交流電流模式，工程量值為100。

表2 第二段系統(tǒng)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)Table 2 The test data of system stability for second stage

第二段適用于監(jiān)測12 V/24 V 無人機(jī)電源電流，此時可以設(shè)置為TdC—I 直流電流模式，硬件電路可以把互感器去掉，改為串接20 Ω 電阻，直流電流經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)化為電壓后，接入測量端，最大輸入電壓為75 mV，工程量值為100。

誤差分析見圖6、圖7。圖中x 為輸入標(biāo)準(zhǔn)電流，y 為測試顯示電流，z測試顯示電流y和輸入標(biāo)準(zhǔn)電流x的差值，即誤差。

圖6 為系統(tǒng)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)誤差分析圖（第一段、適用于監(jiān)測變電所和配電站工作電流），測試狀態(tài)為交流電流模式，工程量值為100，在理論上輸出電流值是輸入電流值的100 倍，y=100x，在實際上有誤差，但是很小，只有在輸入0 值時，因為干擾或互感器自身影響，誤差較大，輸出0.02，在輸入0.05 值時，輸出5.2，其余情況小幾乎沒有誤差。圖7 為第二段系統(tǒng)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)誤差分析圖（適用于監(jiān)測12 V/24 V 無人機(jī)電源電流），測試狀態(tài)為直流電流模式，工程量值為100，在理論上輸出電流值是輸入電流值的100 倍，y=100x，在實際上有誤差，但是很小，只有在輸入0 值時，因為干擾或電子元件的離散性影響，誤差較大，輸出0.03，其余情況小幾乎沒有誤差。

5 結(jié)語

本文所研究的農(nóng)用無人機(jī)電流表系統(tǒng)核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器STC8A8K64S4A12 連接數(shù)據(jù)采集模塊CS5460A 和通信模塊RS485，完成電量信息的采集傳輸和顯示。實驗證明，該儀表能夠穩(wěn)定工作且可靠性較高，在輸入電流0 ～100 A 范圍內(nèi)，測量結(jié)果達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2.0級，從而為開發(fā)農(nóng)用無人機(jī)電源監(jiān)控系統(tǒng)提供了參考，因CS5460A 和通信模塊RS485 的質(zhì)量不穩(wěn)定，個別儀表在標(biāo)定數(shù)據(jù)和通信時會出現(xiàn)標(biāo)定不成功和通信失敗的現(xiàn)象，可通過多次標(biāo)定和通信或更換更好的芯片來解決。