張德智，張　琦，廖結(jié)安，王　偉,2

(1.塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾　843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾　843300)

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南疆紅棗棗園噴霧機控制系統(tǒng)的設(shè)計

張德智1，張琦1，廖結(jié)安1，王偉1,2

(1.塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾843300)

摘要：為實現(xiàn)通過控制直流電機，達到調(diào)節(jié)棗園噴霧機噴桿機架垂直高度與水平距離、控制噴霧壓力與行走速度、以適應(yīng)南疆地區(qū)紅棗棗園噴霧作業(yè)要求的目的，從硬件和軟件兩個方面，設(shè)計了一種以STC89C52單片機為核心的遙控電機控制系統(tǒng)，并進行仿真與測試。結(jié)果表明:軟件與硬件電路連接合理，程序運行穩(wěn)定可靠，可以實現(xiàn)5臺電機的調(diào)速轉(zhuǎn)向控制，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：棗園；噴霧機；電機控制；單片機

0引言

紅棗是新疆的特色林果，味甘香甜，營養(yǎng)豐富。新疆獨特的光熱、溫度、濕度等氣候條件，為優(yōu)質(zhì)紅棗的生長提供了優(yōu)良的自然條件。紅棗產(chǎn)業(yè)已成為新疆近年來發(fā)展最快、覆蓋面最廣、效益最突出、惠民成效最顯著的一項林果產(chǎn)業(yè)[1]。隨著紅棗直播建園技術(shù)的應(yīng)用，紅棗種植規(guī)模迅速擴大，矮化密植栽培模式在全疆廣泛采用，提高產(chǎn)量與經(jīng)濟效益的同時，也為病蟲害的集中爆發(fā)提供了條件。紅棗是常年生密植灌木，因樹齡不同，種植行距在1～3m，株距0.7～3m，傳統(tǒng)噴霧機因尺寸與噴桿固定等原因，無法適應(yīng)不同樹齡棗樹的噴霧要求，如果發(fā)生突發(fā)性和擴散蔓延快大面積的病蟲害將難以防治, 影響紅棗的產(chǎn)量、質(zhì)量和經(jīng)濟效率[2]。同時，燃油農(nóng)業(yè)機械雖然功率較大，但其也有體積大、質(zhì)量大和作業(yè)空間小等缺點； 而電動力農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計更加緊湊，使用方便，具有“小巧”的特點，非常適應(yīng)此類行距小的情況下使用[3]。

針對以上情況，通過控制電機調(diào)節(jié)噴桿機架垂直高度與水平長度、噴霧壓力及噴霧機行走，研制適應(yīng)不同樹齡棗樹的垂直高度與水平距離的電動力棗園噴霧機，對于提高棗園噴霧機械化水平、降低勞動強度具有積極意義。因此，基于單片機與無線藍牙傳輸，設(shè)計結(jié)構(gòu)小巧、便于操控的棗園噴霧機控制系統(tǒng)，用以實現(xiàn)噴霧機的噴霧作業(yè)要求。

1系統(tǒng)設(shè)計思路

系統(tǒng)以STC89C52RC單片機為主控制核心，以HC-05藍牙主從模塊為通信元件，以按鈕組、多路選擇開關(guān)組為手持控制端控速控向元件，以YD-DCMD2-48直流電機模塊為電機驅(qū)動端電機驅(qū)動組模塊，設(shè)計完成電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能為通過操控手持控制端控速、控向元件，完成聯(lián)動控制2臺直流電機的正反轉(zhuǎn)與調(diào)速，點動控制3臺直流電機的正反轉(zhuǎn)。其設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1手持遙控端設(shè)計

主控制核心模塊為STC89C52單片機，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程8k字節(jié)Flash、512字節(jié)RAM、32位I/O口線及看門狗定時器，內(nèi)置4kB EEPROM、MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器、4個外部中斷、1個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。另外，STC89C52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下,CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作；掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。其工作電壓為5.5～3.3V，最高運作頻率為35MHz，6T/12T可選[4]。

通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通常稱作UART，是一種異步收發(fā)傳輸器。在本系統(tǒng)中，主控制模塊按照UART通信協(xié)議，將并行的數(shù)據(jù)(字符串)經(jīng)過移位器的移位后一位接一位(串行)地從主控制模塊的TXD端口發(fā)出，通過杜邦線發(fā)送至藍牙串口的RXD端口，藍牙同樣按照UART通信協(xié)議一位一位接收數(shù)據(jù)并再次通過移位器的移位將數(shù)據(jù)解析為主控制模塊發(fā)送的指令。整個系統(tǒng)的串行通信原理包括UART與藍牙的通信原理和藍牙與藍牙之間的通信原理[5]，如圖2所示。

圖2　串行通信圖

多路選擇開關(guān)是用來切換各種被測量模擬信號的關(guān)鍵元件，基于譯碼器工作原理，通常具有多個輸入端及1個輸出端[6]。按鈕組、多路選擇開關(guān)組為手持控制端控速控向元件，通過控制轉(zhuǎn)向開關(guān)向上電機正轉(zhuǎn)，中間停止，向下反轉(zhuǎn)實現(xiàn)電機正反停?？刂普{(diào)速開關(guān)實現(xiàn)開關(guān)向上高速、中間中速、向下低速?？刂齐姍C按鈕開關(guān)，實現(xiàn)正反停3檔開關(guān)撥在正或反時按下按鈕電機轉(zhuǎn)動，松開按鈕電機停止轉(zhuǎn)動。手持控制端電路圖及PCB板電路設(shè)計圖如圖3、圖4所示。

圖3　手持控制端電路圖

圖4　PCB板設(shè)計圖

2.2電機驅(qū)動端設(shè)計

YD-DCMD2-48直流電機模塊采用美國IR公司專用的柵極驅(qū)動芯片IRS2184加高性能MOS管驅(qū)動技術(shù)，可對外提供兩路“H”橋電路驅(qū)動兩路直流電機；每一路H橋電路都可以承受48A電流通過，可使用的驅(qū)動電源電壓7～36V，具有相應(yīng)速度快，耐壓，耐流參數(shù)等特點，適合驅(qū)動大功率直流電機及需要大電流直流場合，如火花塞驅(qū)動、大功率繼電器及飛思卡爾智能車等[7]。

主要參數(shù)包括：輸入電壓范圍DC7～36V；額定輸入電壓DC12V/24V/36V；H橋數(shù)目2路；每路H橋額定輸出電流與峰值輸出電流48A/144A；每路H橋額定功率0.576kW(12V)/1.152kW(24V)/ 1.728kW(36V)；邏輯控制信號電壓2.8～5.5V；工作溫度-20～100℃。模塊驅(qū)動示意圖與邏輯引腳分別如圖5、表1所示。

圖5　電機驅(qū)動模塊示意圖

1IN11IN2PWM1A路“H”橋OUT1,OUT200x停止(無對地電壓)11x剎車(對地電壓相同)10PWM正轉(zhuǎn)調(diào)試(指定方向同向)01PWM反轉(zhuǎn)調(diào)試(指定方向反向)

驅(qū)動端需要總共驅(qū)動5臺直流電機，每個驅(qū)動模塊可以驅(qū)動2個電機，因此需要3個驅(qū)動模塊實現(xiàn)驅(qū)動功能。驅(qū)動模塊與主控制模塊連接成邏輯數(shù)據(jù)口如下：

1)電機驅(qū)動模塊1 1IN1連接主控制模塊P3^3；電機驅(qū)動模塊1 1IN2連接主控制模塊P3^2；電機驅(qū)動模塊1 PWM1連接主控制模塊P3^1，組成1號可調(diào)速電機控制口。

2)電機驅(qū)動模塊1 2IN1連接主控制模塊P3^6；電機驅(qū)動模塊1 2IN2連接主控制模塊P3^5；電機驅(qū)動模塊1 PWM2連接主控制模塊P3^4，組成5號可調(diào)速電機控制口。

3)電機驅(qū)動模塊2 2IN1連接主控制模塊P2^0；電機驅(qū)動模塊2 2IN2連接主控制模塊P2^1；電機驅(qū)動模塊2 PWM2連接主控制模塊P2^2組成2號電機控制口。

4)電機驅(qū)動模塊3 2IN1連接主控制模塊P2^5；電機驅(qū)動模塊3 2IN2連接主控制模塊P2^4；電機驅(qū)動模塊3 PWM2連接主控制模塊P2^3，組成3號可調(diào)速電機控制口。

5)電機驅(qū)動模塊3 1IN1連接主控制模塊P0^0；電機驅(qū)動模塊3 1IN2連接主控制模塊P0^1；電機驅(qū)動模塊3 PWM1連接主控制模塊P0^2，組成4號電機控制口。驅(qū)動端硬件布置與硬件連接示意圖如圖6所示。

圖6　電機驅(qū)動模塊硬件連接示意圖

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)在操控時，如果按鍵信號沖突，造成程序無法讀取正確信號。藍牙模塊的工作狀態(tài)直接影響控制系統(tǒng)的遙控端與驅(qū)動端的信號通信。打開電源,藍牙與主控制模塊上電，手持遙控端藍牙主模塊進入監(jiān)聽狀態(tài)，電機驅(qū)動端藍牙從模塊進入等待連接狀態(tài)。對手持遙控端進行操控，電機驅(qū)動端完成指令解析與指令執(zhí)行。其程序流程如圖7所示。

圖7　程序流程圖

4系統(tǒng)仿真與測試

4.1系統(tǒng)仿真

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。C語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性及可維護性上有明顯的優(yōu)勢， Keil提供一個功能強大的仿真調(diào)試器，對開發(fā)程序進行仿真與調(diào)試[8]。

運行Keil軟件，打開程序文件，軟件自動進行編譯，調(diào)出I/O端口窗口，窗口對應(yīng)單片機的P0、P1、P2端口；通過改變端口的高低電平，執(zhí)行對應(yīng)電機的控制命令，如使1號電機高速正轉(zhuǎn)，則相應(yīng)的P2^0和P2^2應(yīng)該為低電平，將P2端口窗口的第0位和第2位取消勾選，如圖8所示。程序執(zhí)行完成，邏輯分析窗口的仿真信號圖線發(fā)生對應(yīng)的高低電平改變，則說明程序執(zhí)行正確。依據(jù)以上操作對各電機的指令進行操作，全部電機的邏輯分析仿真信號圖如圖9所示。

圖8　I/O端口電平圖

圖9　仿真信號圖

對仿真信號圖的分析表明：對各指令端口操控，端口對應(yīng)電平變化正確，無指令沖突與錯誤，程序識別及調(diào)用無錯誤，程序運行正常，可以進行系統(tǒng)的實物制作與測試。

4.2系統(tǒng)測試

依據(jù)硬件與軟件的設(shè)計，對實物進行制作，手持遙控端與電機驅(qū)動端實物圖，如圖10所示。在試驗室進行測試時，外接DC36V直流電源，分別依次在電機驅(qū)動端的每個驅(qū)動模塊上連接2臺轉(zhuǎn)速800r/min、額定電壓36V的直流電機。在電機軸上粘貼紙片，以觀察電機的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速變化，判定操作指令執(zhí)行情況，如圖11所示。

圖10　硬件實物圖

完成連接后，依次操作轉(zhuǎn)向開關(guān)與調(diào)速開關(guān)對各電機進行轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。

圖11　系統(tǒng)測試圖

控制、觀察電機的執(zhí)行情況，并記錄測試結(jié)果，如表2所示。表2中“√”系統(tǒng)運行正常。

表2　系統(tǒng)測試結(jié)果

測試結(jié)果表明:系統(tǒng)各部分連接無錯誤，遙控控制指令在驅(qū)動端執(zhí)行無錯誤與延遲現(xiàn)象，各電機執(zhí)行指令正確、響應(yīng)及時，程序運行穩(wěn)定可靠。

5結(jié)論

以單片機為控制核心，使用藍牙信號傳輸、電機驅(qū)動模塊為控制元件，運用C語言進行編程的控制系統(tǒng)，并進行了程序仿真與實物測試。結(jié)果表明：軟件與硬件電路連接合理，程序運行穩(wěn)定可靠，可以實現(xiàn)5臺電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制，滿足系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，為下一步控制系統(tǒng)與噴霧機構(gòu)總裝提供了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]阿布力孜·布力布力.新疆紅棗發(fā)展現(xiàn)狀、競爭力分析與戰(zhàn)略對策[J].山西果樹,2012(4):46-48.

[2]張曉輝.3MG-30型果園彌霧機的研制與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2002(5):46-49.

[3]楊志平. 電動力農(nóng)業(yè)機械發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械,2013(31):103-104.

[4]付字才.單片機控制工程實際技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5]于海生.微型計算機控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[6]肖英奎．執(zhí)行元件及控制[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:120-132．

[7]武漢美.單片機應(yīng)用技術(shù)與實踐[M].北京:九州出版社, 2012.

[8]高瑞.單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試方法研究[J]. 科技視界,2015(9):98.

Design of the Control System of Southern Xinjiang Red Jujube Jujube Orchard Sprayer

Zhang Dezhi1, Zhang Qi1, Liao Jiean1, Wang Wei1,2

(1.College of Mechanic and Electrical Engineering,Tarim University,Alar 843300， China; 2.Xinjiang Uygur Autonomous Region General Institutes of Higher Education Key Lab of Modern Agriculture Engineering,Alar 843300， China)

Abstract：To achieve through the control of DC motor, adjust the red dates orchard sprayer spray rod rack height of vertical and horizontal distance, spray pressure, walking speed, to meet the needs of southern xinjiang region red jujube jujube spray agriculture, from two aspects of hardware and software, designing a STC89C52 MCU as the core, motor control system using C language programming, simulation was carried out. Results show that the software and hardware circuit connection and reasonable program runs stable and reliable, can realize more steering control of motor speed, satisfies the requirement of system design.

Key words：jujube; spray machine; motor control; MCU

文章編號：1003-188X(2016)06-0239-05

中圖分類號：S491；TP273.5

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：張德智(1988-),男，湖南永州人，碩士研究生，(E-mail) 316723281@qq.com。通訊作者：王偉(1979-)，男，沈陽人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)syww77@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51265048)

收稿日期：2015-05-31