基于單片機秸稈粉碎控制系統(tǒng)設(shè)計

張力文ZHANG Li-wen；李佳勝LI Jia-sheng；冷曉棟LENG Xiao-dong；周應(yīng)才ZHOU Ying-cai

（①攀枝花學(xué)院，攀枝花 617000；②攀枝花市地震監(jiān)測中心，攀枝花 617000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國每年大約有3.7 億噸農(nóng)作物根莖被燃燒[1]，造成環(huán)境破壞。在夏秋季節(jié)后期，秸稈焚燒成為政府關(guān)注的焦點，因為它增加了空氣污染的可能性，尤其是區(qū)域性煙霧[2]。因此，農(nóng)作物根莖的粉碎加工已成為農(nóng)業(yè)中的重要內(nèi)容。本設(shè)計基于單片機監(jiān)控電機，有效減少勞動力短缺，降低勞動強度，提高工作舒適度和生產(chǎn)力，充分利用資源，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求，進行低碳排放[3]；同時有效利用切碎的秸稈，大大降低了秸稈的燃燒，對保護環(huán)境非常重要。本文開發(fā)的秸稈切碎系統(tǒng)將霍爾式速度傳感器與單片機相結(jié)合，感應(yīng)切割速度，控制送料電機，防止切割電機長時間過載運行，保護刀具。其中，霍爾速度傳感器接收到的速度信號經(jīng)過預(yù)處理電路處理得到穩(wěn)定的方波，單片機對方波進行計數(shù)，計算出速度。按鈕電路進行模式選擇、送料電機停機和授權(quán)總控。顯示電路顯示進給電機的狀態(tài)和當前模式。光電隔離電路實時監(jiān)測割炬電機和鼓風(fēng)機開關(guān)信號。

1 總體方案設(shè)計

控制系統(tǒng)由傳感器電路、旋轉(zhuǎn)信號處理電路、隔離光耦輸入電路、直流電機、按鈕電路、喇叭電路和直流電機狀態(tài)顯示電路組成。傳感器部分使用霍爾傳感器，將工具電機速度轉(zhuǎn)換為脈沖信號[4]。速度信號處理電路包括對信號進行放大、波形和被測波形轉(zhuǎn)換的電路，實現(xiàn)對被測信號的放大，降低對被測信號幅值的要求，進行信號測量[5]。信號交換和信號調(diào)理電路將交替的正負信號波轉(zhuǎn)換成微機可以接收的TTL/CMOS 兼容信號[6]。處理器采用STC89C51單片機。光耦隔離輸入電路可以將外部開關(guān)的輸入信號送到單片機，避免外界干擾。直流電機是一種實現(xiàn)單片機控制操作的執(zhí)行器。按鈕電路允許將外部信號命令直接輸入單片機。蜂鳴器電路實現(xiàn)斷電報警功能。直流電機狀態(tài)顯示電路由三個LED 組成，可以顯示直流電機的停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)。該系統(tǒng)采用孔式速度傳感器，持續(xù)感應(yīng)刀具的速度，從而監(jiān)控進給電機的運行狀態(tài)，最終避免刀具電機受力，保護刀具?？傮w方案設(shè)計如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

運行過程中，啟動刀具電機和風(fēng)扇開關(guān)，待刀具電機高速穩(wěn)定后，根據(jù)切碎的秸稈類型選擇合適的切刀方式，按下按鈕啟動電機，開啟進給機制，開始遞進進料。此時，秸稈在進料機構(gòu)的作用下被壓入切碎機，在一定程度上被粉碎，然后被風(fēng)機吹走。在運行過程中，如果電量較大，電機負載會增加，喂料機構(gòu)會因主控系統(tǒng)的動作而主動停止供電。一旦電機上的負載降低且滾筒速度恢復(fù)，喂料機構(gòu)就會被觸發(fā)，將自動開始向前旋轉(zhuǎn)[7]。在這個過程中，如果喂料機構(gòu)一段時間不工作，系統(tǒng)會自動檢測到喂料機構(gòu)被鎖定。這時，蜂鳴器響起提醒操作人員，同時進料機構(gòu)反轉(zhuǎn)，將物料吐出。該系統(tǒng)配有急停按鈕，用于在緊急情況下停止送料電機。

2 控制系統(tǒng)電路原理設(shè)計

秸稈切碎控制系統(tǒng)由晶振電路、復(fù)位電路、進料電機控制電路、光電隔離電路、按鈕電路、音響報警電路和顯示電路等模塊組成。其原理圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件電路原理圖

2.1 晶振電路 電路包含晶體振蕩器，用于產(chǎn)生基準頻率。因為其具有出色的頻率穩(wěn)定性和抗外部干擾，該電路中的頻率精度由基準頻率控制。同時，它可以產(chǎn)生振蕩電流并向微控制器發(fā)送時鐘信號[8]。

圖3 為單片機的晶體振蕩器電路示意圖。片內(nèi)和片外器件構(gòu)成時鐘發(fā)生電路，所有處理器操作都與時鐘同步進行。C1 和C2 為反饋電容，可選20pF 至100pF，默認值為30pF。本電路采 用30pF 電 容，12MHz晶振頻率，振蕩周期=1/2μs。一旦晶體開始振蕩，就需要在XTAL2 線上施加大約3V 的正弦波，使STC89C51 芯片的OSC 電路與晶體振蕩器具有相同的頻率。OSC 輸出時鐘頻率通常在0.5MHz 和16MHz 之間，標準為12MHz 或11.0592MHz[9]。電容器C1 和C2 有助于改善振動頻率（通常為30pF）。通過調(diào)整它們，可以實現(xiàn)對fosc 的微調(diào)。

圖3 晶振電路

2.2 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機的一種初始化操作，其中CPU 和其他系統(tǒng)部件處于一定的初始狀態(tài)并從該狀態(tài)啟動。除了啟動正常的系統(tǒng)初始化外，如果SoC 在啟動或操作錯誤時出現(xiàn)故障，您也可以按reset 鍵重新啟動[10]。復(fù)位后，PC 的內(nèi)容將被初始化為0000H。這意味著微控制器從塊0000H 開始程序。復(fù)位微控制器后，內(nèi)部RAM 的狀態(tài)不會改變。SoC 復(fù)位信號的輸入端是RESET 引腳，工作在高電平。其有效期大于24 個滴答聲。RESET 端子的外部復(fù)位電路有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種工作方式。自動上電復(fù)位是通過累積一個電容器來實現(xiàn)的，如圖4 所示。上電時，RC 電路被充電，并在RESET 端產(chǎn)生一個正脈沖。充電電流的降低，會導(dǎo)致RESET 電位逐漸降低。在水平模式下按下手動復(fù)位按鈕。按鈕電平復(fù)位相當于通過電阻連接到高電平的復(fù)位。

圖4 復(fù)位電路

2.3 喂料電機驅(qū)動電路 可用達林頓控制直流電機的轉(zhuǎn)動，也可用H 橋?qū)崿F(xiàn)上述功能。本文采用H 橋驅(qū)動電路，圖5 所示為使用H 橋驅(qū)動直流電機的應(yīng)用電路。Q1-Q4 是功率MOSFET（晶體管），Q1 和Q2 構(gòu)成橋臂，Q3 和Q4 構(gòu)成獨立的橋臂。MOSFET 的每個管（晶體管）旁邊是一個旁路二極管。當Q1 和Q4 導(dǎo)通時，電機控制電流從A流向B，電機正轉(zhuǎn)。當Q2 和Q4 導(dǎo)通時，電機電流從B 流向A，電機改變方向。因此，可以通過控制Q1-Q4 來控制電機控制[11]。

圖5 H 橋驅(qū)動直流電動機

2.4 光電隔離電路 此設(shè)計具有開關(guān)輸入，以實時監(jiān)控每個開關(guān)信號的狀態(tài)。兩個按鈕模擬切割電機開關(guān)和吹風(fēng)機開關(guān)。為避免外界干擾，輸入采用光伏隔離電路。光伏隔離器是51 系列單片機中最常用的防止外界干擾的器件[12]。其原理是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。光信號傳輸?shù)浇邮掌骱螅D(zhuǎn)換為電信號。原理圖如圖6 所示。其中R 為輸入限流電阻，將光耦LED 的電流限制在10-20mA。輸入端通過光信號連接完全分開。同時，LED 的正向電阻較低，外部噪聲源的內(nèi)阻通常較高。由于采用分壓原理，干擾源產(chǎn)生的干擾可以在很少或沒有干擾的情況下提供給輸入端，不會產(chǎn)生對地干擾等串擾，從而提高了對電路干擾的預(yù)防。

圖6 光電隔離輸入電路

2.5 按鍵電路 鍵盤可用于向單片機輸入數(shù)據(jù)并向單片機應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送指令，是單片機人工干預(yù)的主要手段[13]。本設(shè)計的鍵盤具有獨立的鍵盤類型。S1 按鈕是啟動送料電機的按鈕。S2 按鈕是停止送料電機的按鈕。其中S3和S4 為模式選擇鍵，S3 鍵為普通吸管準備的普通模式。S4 鍵處于擴展模式，可用于質(zhì)地較硬的秸稈。電路如圖7所示。

圖7 按鍵電路

2.6 蜂鳴器報警電路 本設(shè)計中蜂鳴器報警電路由NPN 型S8098 三極管驅(qū)動，當單片機的P1^6 口輸出低電平時，三極管的VE>VB>VC>0[14]。三極管的發(fā)射極正向偏置，集電極結(jié)反向偏置，此時蜂鳴器發(fā)出聲報警；當單片機的P1^6口輸出高電平時，三極管截止，報警聲停止。具體電路圖如圖8 所示。

圖8 蜂鳴器電路

2.7 指示燈電路 喂料電動機工作指示燈與模式顯示燈選用的是五個發(fā)光二極管，用亮滅來顯示電動機的運行狀態(tài)。其中添加5 個上拉電阻以增加電位，當單片機I/O 接口位于低電位有效時，顯示燈被激活。具體電路圖如圖9 所示。

圖9 指示燈電路

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計 本控制系統(tǒng)主程序流程如圖10 所示。當系統(tǒng)通電時，初始化完成，系統(tǒng)仍在等待按下有效的啟動按鈕。當按下啟動鍵時，主電路程序進入主程序循環(huán)[15]。主程序不斷掃描控制面板的操作模式，設(shè)置開關(guān)的狀態(tài)，使送料電機正轉(zhuǎn)，送料電機反轉(zhuǎn)吐出，或送料停止。

圖10 主流程圖

3.2 智能喂入 圖11 顯示了主程序的智能喂入系統(tǒng)框圖。在智能進給過程中，主程序每0.1s 讀取一次當前刀具轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。使用預(yù)測速度而不是當前速度并將其與設(shè)定速度進行比較，預(yù)測速度為當前速度值與當前速度減去前次速度值的差值之和，也即預(yù)判轉(zhuǎn)速[16]。

圖11 智能喂入流程圖

S=S1+（S1-S2）

該運算式中S—預(yù)判轉(zhuǎn)速（r/min）；S1—刀具轉(zhuǎn)軸當前轉(zhuǎn)速（r/min）；S2—刀具轉(zhuǎn)軸前次轉(zhuǎn)速（r/min）。

使用預(yù)測速度而不是實際速度作為配置速度比較的基礎(chǔ)的好處是盡可能保證實時轉(zhuǎn)軸速度不低于設(shè)定速度。磨削過程更高效穩(wěn)定，避免刀具短時過載，嚴重損壞發(fā)動機。由于預(yù)測刀具轉(zhuǎn)軸速度低于指定速度，進給停止，刀具轉(zhuǎn)軸等待恢復(fù)，然后繼續(xù)向前運動。在此期間，電源機構(gòu)必須等待1 秒才能重新啟動電源。這有助于切削軸以更高的速度拾取切屑并提供更高的進給速度，以減少對刀具的沖擊和延長刀具的壽命[17]。

4 控制系統(tǒng)仿真調(diào)試

4.1 普通模式與加強模式選擇 仿真軟件選用Proteus，擴展模式和普通設(shè)計模式選擇S3 和S4 鍵。系統(tǒng)啟動后，按下按鈕可進入模式選擇。只有選擇了模式才能進入喂料程序。在圖12 中，LED D1 和D2 上的指示燈分別代表擴展模式和正常模式。選擇模式后，程序切換到送料程序，避免人為操作不當造成不必要的損壞。為避免同時按下兩個按鍵，在程序中加入互鎖程序，避免不小心同時按下兩個按鍵而造成無法識別單片機。

圖12

4.2 智能喂入仿真 智能進給是根據(jù)刀具電機轉(zhuǎn)速實時執(zhí)行相應(yīng)動作。仿真如圖13 所示。霍爾效應(yīng)速度傳感器用于讀取工具的速度。當霍爾效應(yīng)速度傳感器發(fā)送速度脈沖時，電路對其進行放大、整形和濾波，以產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的方波脈沖。然后使用10 毫秒計時器的中斷次數(shù)計算當前刀具速度和先前刀具速度，并使用公式計算下一個10 毫秒的預(yù)測速度。將預(yù)測速度與模式中設(shè)置的速度進行比較。如果目標速度高于設(shè)定速度，則送料電機正轉(zhuǎn)。如果預(yù)測速度低于設(shè)定速度，送料電機將停止。如果停止超過5秒，則認為電源輸入被阻塞。此時會發(fā)出報警聲，送料電機自動反轉(zhuǎn)并頂出物料5 秒。之后，評估先前估計的速度和設(shè)定的速度，當超過設(shè)定的速度時，設(shè)置快進模式。如果在停止電機后5 秒內(nèi)檢測到預(yù)測速度超過設(shè)定速度，則送料電機再次正轉(zhuǎn)并再次倒計時。

圖13 仿真信號

當預(yù)測速度大于設(shè)定速度時，喂料電機正轉(zhuǎn)。如圖14所示，左側(cè)接口B1 為藍燈，右側(cè)接口B2 為紅燈說明電機正在正轉(zhuǎn)。

圖14 喂料電機正轉(zhuǎn)

當預(yù)測速度小于設(shè)定速度時，喂料電機停止。如圖15所示，左側(cè)接口B1 為藍燈，右側(cè)接口B2 為藍燈說明電機停止。

圖15 喂料電機停止

當停止5s 后，喂料電機反轉(zhuǎn)，同時蜂鳴器報發(fā)出報警聲。如圖16（a）所示，左側(cè)接口B1 為紅燈，右側(cè)接口B2 為藍燈說明電機正在反轉(zhuǎn)。電阻R4 的信號燈為藍色，說明蜂鳴器正在工作，如圖16（b）所示。

圖16

當5s 后喂料電動機停止，蜂鳴器也停止。如圖17 所示，左邊接口為綠燈，左邊接口為綠燈說明電機停止。R4前的正方形燈為紅色，說明蜂鳴器已經(jīng)停止。

圖17

5 總結(jié)

本文選用AT89C51 單片機作為控制器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器來完成系統(tǒng)設(shè)計，完成了總體控制系統(tǒng)電路設(shè)計、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計和控制程序的編寫。通過控制程序和硬件電路相結(jié)合進行調(diào)試和仿真，實現(xiàn)了秸稈切碎和進料電機控制的功能。