李福超 ，偉利國(guó) ，劉陽(yáng)春

（1．中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 1 00083；2．土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 1 00083）

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化的發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的要求越來越高。傳統(tǒng)的插秧機(jī)工作時(shí)，插秧深度位于同一水平面，當(dāng)遇到田地低陷時(shí)，秧苗的入土深度就會(huì)減少，反之，當(dāng)田土抬高時(shí)，秧苗的入土深度就會(huì)增加，在一定程度上會(huì)影響秧苗的存活率。因此需要一個(gè)控制系統(tǒng)，使插秧機(jī)的機(jī)身相對(duì)支撐的高度隨田地的起伏做相應(yīng)調(diào)整，控制插秧臂的工作高度，使秧苗的根部進(jìn)入泥土的深度基本保持一致[1]。為此，這里設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)的水稻插秧機(jī)水平智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在插秧機(jī)工作過程中實(shí)時(shí)調(diào)整控制插植部的水平高度，即使行走傾斜，但依靠?jī)A斜角度傳感器感應(yīng)也能夠保持插植部的水平。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是保證水稻插秧機(jī)在工作過程中的插秧質(zhì)量。在插秧機(jī)行走過程中，當(dāng)插植部偏離水平位置，傾斜角傳感器感應(yīng)后，信息以模擬信號(hào)形式發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)偏離程度，向電機(jī)控制器發(fā)送命令，來控制水平調(diào)整電機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位調(diào)整，使插植部保持水平，保證插秧質(zhì)量。該控制系統(tǒng)主要由傾斜角度傳感器、單片機(jī)MSP430F149系統(tǒng)、控制器、執(zhí)行電機(jī)等4部分構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

單片機(jī)MSP430F149作為核心部件，具有片內(nèi)集成的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，將傾斜角度傳感器所測(cè)得的插植部水平角度信號(hào)送入MSP430F149進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、處理和存儲(chǔ)并通過RS232通訊接口發(fā)送相應(yīng)的控制命令[2－3]。傾斜角度傳感器要盡量安裝在使其敏感軸與插秧部的旋轉(zhuǎn)軸垂直，以保證傳感器工作在最佳的狀態(tài)[4]。其測(cè)量范圍為±45°，輸入直流電壓8～24 V，輸出直流電壓0～5 V，水平位置為基準(zhǔn)參考位置，基準(zhǔn)輸出電壓為2．5 V。輸出電壓與測(cè)量角度的變化是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，即每1°的變化將引起直流輸出電壓56 mV的變化。

控制器采用高達(dá)32位的硬件PID器件，能完美實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的位置與速度控制，其所有的配置參數(shù)（驅(qū)動(dòng)模式、輸入/輸出設(shè)置等）及濾波參數(shù)都可以通過RS232口輸入并保存在運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)置存儲(chǔ)器（EEPROM）中，易于編程，同時(shí)該控制器還具備體積小巧，易于安裝，連接靈活等顯著特點(diǎn)。電機(jī)采用RE40系列直流電機(jī)，是一種高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)元件，它裝有高性能的稀土磁鋼，專利的空芯杯轉(zhuǎn)子是電機(jī)的核心，這使得電機(jī)具備小體積、低慣量的顯著特性，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到6 930 r/min，額定扭矩為0．17 N·m，借助于精密的齒輪箱，可獲得更寬的轉(zhuǎn)矩范圍，外置HEDL5540編碼器，編碼器分辨率是500線。由于電機(jī)安裝位置有限，減速電機(jī)部分采用的是渦輪蝸桿減速電機(jī)，減速比為50∶1，這樣電機(jī)扭矩可放大至8．5 N·m，完全能夠帶動(dòng)插植部。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用TI的超低功耗的MSP430F149型單片機(jī)，其工作電源電壓為1．8～3．6 V，具有5種省電模式，并且可方便地在各種工作模式之間切換，從待機(jī)模式喚醒只需6 μs，內(nèi)部自帶參考基準(zhǔn)源、采樣保持和自動(dòng)掃描特性的12位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)USART，具有豐富的片上外圍模塊。

圖2是MSP430F149的主要外圍電路設(shè)計(jì)[5－6]，以5 V電源供電，通過AMS1117轉(zhuǎn)換成3．3 V供給MSP430F149，低頻時(shí)鐘源選擇為32．768 kHz，高頻時(shí)鐘源選擇為8 MHz，由于電路并不復(fù)雜，復(fù)位電路選擇簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路即可，RS232通信接口通過MAX232進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于輸入輸出及控制的端口，按定義連接并對(duì)相應(yīng)的寄存器設(shè)置和軟件編程即可。

圖2 MSP430F149的主要外圍電路

傾斜角度傳感器發(fā)出的角度信號(hào)可選MSP430F149單片機(jī)的A0～A7任意一個(gè)引腳作為A/D模擬量輸入通道，采集信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理，得出控制電機(jī)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速的命令控制字符，并通過串口發(fā)送至控制器，控制電機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MSP430F149采用C語(yǔ)言完成程序設(shè)計(jì)，可以在IAR軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試，程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

系統(tǒng)的軟件程序固化在MSP430F149內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中完成，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)清晰。主程序包括有時(shí)鐘初始化、定時(shí)器TimerA、串口通信、A/D初始化和存儲(chǔ)等模塊。系統(tǒng)上電自動(dòng)復(fù)位后，自動(dòng)運(yùn)行程序，采用查詢方式，每120 ms發(fā)送一次控制命令。其控制命令的算法[7]如下：

控制命令為：N=（LP/360）（V－2．5）×18，其中，L為編碼器分辨率；P為電機(jī)減速比；V為角度傳感器信號(hào)。

延時(shí)程序用MSP430F149內(nèi)部的定時(shí)器延時(shí)，其相關(guān)程序代碼（延時(shí)10 ms）如下：

定時(shí)器時(shí)鐘源為子系統(tǒng)時(shí)鐘，子系統(tǒng)時(shí)鐘由外部8 MHz時(shí)鐘源經(jīng)8分頻得到。主程序在執(zhí)行完int_timerA（）程序后即進(jìn)入定時(shí)器的中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中設(shè)置中斷標(biāo)志位，標(biāo)志位累加，在主程序中通過查詢中斷標(biāo)志位的累加次數(shù)，從而判斷延時(shí)時(shí)間是否達(dá)到預(yù)期值?？紤]到電機(jī)的動(dòng)作時(shí)間及控制的實(shí)時(shí)有效，控制命令的發(fā)送時(shí)間要保證每發(fā)送一條命令都要在上一條命令執(zhí)行完畢的情況下，2條命令的發(fā)送時(shí)間間隔盡量縮短。經(jīng)過多次實(shí)踐，120 ms/次的發(fā)送頻率較佳。

圖3軟件流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 未加入控制系統(tǒng)仿真圖

將已編譯的程序下載到硬件系統(tǒng)中，并在實(shí)際的水田中進(jìn)行試驗(yàn)，在沒有應(yīng)用水平控制系統(tǒng)時(shí)，由于水田不平、插秧機(jī)行駛速度等原因?qū)е虏逯膊績(jī)A斜角度左右波動(dòng)變化較大，經(jīng)角度傳感器采集得到的信號(hào)如圖4所示，由圖4中可看到插植部的波動(dòng)范圍較大，最高可達(dá)±20°的傾角范圍，在插秧的水田里也可看到水田出現(xiàn)大量漂秧現(xiàn)象，插秧質(zhì)量無法得到保證。加入水平控制系統(tǒng)后，得到明顯改善，如圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明，沒有加入控制系統(tǒng)的插植部在工作中波動(dòng)較大，傾角幅度在±5°與±20°之間，加入控制系統(tǒng)后，傾角波動(dòng)范圍可以控制在±4°以內(nèi)，這樣的傾斜角度在實(shí)際中可以保證插秧的質(zhì)量。

圖5 加入控制系統(tǒng)的仿真圖

5 結(jié)論

基于MSP430F149的水稻插秧機(jī)水平智能控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效地控制插秧機(jī)插植部的水平位置，為機(jī)械的自動(dòng)化插秧質(zhì)量提供強(qiáng)有力的保障。相對(duì)于傳統(tǒng)的彈簧水平控制方法，插秧機(jī)水平智能控制系統(tǒng)可在0.1 s內(nèi)對(duì)插植部的水平波動(dòng)做出反應(yīng)，控制復(fù)位準(zhǔn)確，對(duì)惡劣環(huán)境有很強(qiáng)的抗干擾能力，解決了目前國(guó)內(nèi)水稻智能插秧機(jī)在水平控制方面精度低，延遲長(zhǎng)，抗干擾差等問題，實(shí)現(xiàn)了在插秧機(jī)水平可控制方面的自動(dòng)化、智能化。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于MSP430F149的水稻插秧機(jī)水平智能控制系統(tǒng)保證插植部最大的傾角波動(dòng)范圍在±4°以內(nèi)，從而保證了插秧質(zhì)量，對(duì)于比較惡劣的插秧環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

[1]蔡亞軍.水稻機(jī)械插秧技術(shù)推廣應(yīng)用的實(shí)踐與探索[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2008（2）：3-6．

[2]胡大可．MSP430系列nAsH型超低功耗16位單片機(jī)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001．

[3]胡大可．MSP430系列單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．

[4]李慶，羅錫文，汪懋華．采用傾角傳感器的水田激光平地機(jī)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（4）：88-93．

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