馬天宇 ， 劉雅菲 ， 韓 蕊 ， 李秋潔

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

0 引言

目前，世界上林果采收的方式，可分為半機(jī)械收獲平臺、機(jī)械式收獲機(jī)和全自動采摘機(jī)器三種類別[1-4]。本文針對使用最廣泛的機(jī)械式收獲機(jī)進(jìn)行分析。機(jī)械振動采收的工作原理是利用偏心塊的振動或曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動來振動果樹。當(dāng)果樹受到激振力作用時(shí)，它會以一定的頻率和振幅振動，與果枝相連的果實(shí)會在果枝的受迫振動下以某一種運(yùn)動方式或某幾種運(yùn)動復(fù)合的方式加速運(yùn)動。當(dāng)慣性力大于某一方向的果柄結(jié)合力時(shí)，果柄撕裂，果實(shí)脫落，完成分離過程。

由于頻率對采收效果有最顯著的影響，因此本文將介紹基于上下位機(jī)的林果采收激振電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，側(cè)重于系統(tǒng)的構(gòu)建和掃頻控制。模擬實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)通過串口通信來設(shè)置掃頻參數(shù)，并且下位機(jī)可以獨(dú)立通過外部按鍵來設(shè)置掃頻參數(shù)和控制系統(tǒng)啟停，通過OLED顯示屏顯示參數(shù)信息。

1 基于上下位機(jī)的林果采收激振電機(jī)頻率控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

掃頻控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊兩部分，由單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器控制穩(wěn)定輸出數(shù)字變化量，并由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為控制變頻器頻率變化的模擬輸出信號，進(jìn)而變頻器控制激振電機(jī)完成掃頻操作。通過修改單片機(jī)控制程序、修改輸入?yún)?shù)或修改變頻器工作頻率范圍，可靈活調(diào)整掃頻步長、掃頻時(shí)間、掃頻循環(huán)次數(shù)等多項(xiàng)參數(shù)，以滿足不同情況下的實(shí)際生產(chǎn)需要。掃頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程如圖1所示。

圖1 掃頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程框圖

啟動頻率、終止頻率、單頻保持時(shí)間、單頻/掃頻模式、啟動/停止，可以通過上位機(jī)控制面板進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置，并通過串口傳輸?shù)较挛粰C(jī)。上下位機(jī)的具體設(shè)計(jì)會在下文中闡述。

1.1 掃頻設(shè)計(jì)

本裝置采用單片機(jī)驅(qū)動8位D/A轉(zhuǎn)換，將需要輸出的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成模擬量（電壓）輸出。其中，數(shù)字輸出量由矩陣鍵盤或者面板輸入，通過單片機(jī)的加權(quán)后通過一組I/O輸出（八位二進(jìn)制數(shù)）到DAC0832模塊。選用DAC0832模塊是因?yàn)樵撃K的分辨率為1/255，分辨率誤差為0.515LSB，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。

D/A模塊數(shù)字量轉(zhuǎn)換成0~5 V直流電壓輸出給變頻器。單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器定時(shí)為1 ms，然后通過對計(jì)數(shù)變量的疊加，實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的單頻保持時(shí)間的定時(shí)，每增加一份時(shí)間則I/O輸出改變一次，即改變一次輸出數(shù)字量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的電壓輸出。

為了掃頻裝置控制電機(jī)正常工作，至少需要以下幾個(gè)工作參數(shù)：單頻保持時(shí)間、頻率變化步長、初始頻率和終止頻率。該部分上位機(jī)面板和單片機(jī)均可以設(shè)置。

1.2 激振頻率的設(shè)定方法

激振頻率的設(shè)定方法共有兩種。第一種是設(shè)定好變頻器的初始工作頻率和終止工作頻率，然后將初始份數(shù)設(shè)置為0，終止份數(shù)設(shè)定為255*n（n代表掃頻循環(huán)次數(shù)）；第二種是根據(jù)初始份數(shù)和終止份數(shù)與激振頻率的換算關(guān)系設(shè)定，換算關(guān)系如下：

2 掃頻控制下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)基于51單片機(jī)開發(fā)，本芯片串口通信是全雙工的，即可以在互不影響的情況下同時(shí)發(fā)送和接收信息，串口可同時(shí)使用SBUF接收和發(fā)送，雖然是同時(shí)但因?yàn)槭莾蓚€(gè)獨(dú)立寄存器，所以實(shí)際上互不影響，只是名稱一致。

對于接收單獨(dú)而言，則是接收到一個(gè)信息之后才能接收下一個(gè)，并不能同時(shí)接收多個(gè)信息；同樣發(fā)送也是一樣的，需要發(fā)送完成一個(gè)之后才能發(fā)送下一個(gè)。對于這種情況可先定義多個(gè)變量，如接收用rec變量保存，發(fā)送數(shù)據(jù)在send變量中。

對于發(fā)送，例如SBUF=send;while(T1==0);T1=0;//，這是用查詢方式發(fā)送的。當(dāng)發(fā)送一個(gè)字節(jié)完成時(shí)，T1會自動置1，所以查詢到T1等于1后就知道可以繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)信息了。如果發(fā)送中斷則令T1清0，即T1=0。同樣接收時(shí)，收到一個(gè)信息之后令R1=1，需要注意的是，因?yàn)橥ǔ＝邮斩际侵袛喾绞剑訰1置1的同時(shí)即產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生中斷之后執(zhí)行程序即令R1清0，如果是接收一組數(shù)據(jù)可以定義一個(gè)數(shù)組，用來保存數(shù)據(jù)。因?yàn)镾BUF中不能存放數(shù)據(jù)，所以收到后需要立即讀取，否則會被下一個(gè)數(shù)據(jù)覆蓋，所以多個(gè)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可利用循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)使用的編譯器Keil，通過USART外設(shè)實(shí)現(xiàn)串口通信。TX引腳為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RX引腳為數(shù)據(jù)接收引腳。

2.1 下位機(jī)與上位機(jī)的通信

在編程中首先對上下位機(jī)分別進(jìn)行編程，即編程后通過串口調(diào)試助手分別對上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行USB串口模擬通信，來比較是否可以發(fā)出正確的數(shù)據(jù)。在兩邊通信正常后將上下位機(jī)通過串口工作方式1，定時(shí)器設(shè)置工作方式2進(jìn)行通信。通信內(nèi)容包括起始頻率與結(jié)束頻率、掃頻速度、掃頻重復(fù)次數(shù)、轉(zhuǎn)動頻率以及啟動時(shí)間，以“P=xxx; I=xxx; D=xxx;p=xxx; i=xxx; d=xxx, state=xxx;f=xxx;”固定格式發(fā)送，設(shè)置波特率為9 600，數(shù)據(jù)位8，停止位1，無校驗(yàn)位，晶振頻率11.059 2 MHz。

上下位機(jī)以ASCII碼的形式傳輸數(shù)據(jù)，通信協(xié)議中規(guī)定數(shù)據(jù)以回車（其ASCII碼有兩個(gè)字節(jié)表示，0X0D和0X0A）作為結(jié)束標(biāo)志。借助這個(gè)協(xié)議，配合一個(gè)數(shù)組USART_RX_BF[]和一個(gè)全局變量USART_RX_STA實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收，有效提高了處理器的工作效率。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，串口的中斷函數(shù)把接收到的數(shù)據(jù)保存在USART_RX_BF[]中，同時(shí)在接收狀態(tài)寄存器（USART_RX_STA）中對接收到有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)收到回車的第一個(gè)字節(jié)0X0D時(shí)，計(jì)數(shù)器停止增加，并等待0X0A的到來；而如果0X0A沒有來到，則認(rèn)為這次接收失敗，重新開始下一次接收。如果順利接收到0X0A，則標(biāo)記USART_RX_STA的第15位，從而完成一次接收，并等待該位被其他程序清除，從而開始下一次的接收；而如果一直沒有收到0X0D，那么在接收數(shù)據(jù)超過程序設(shè)定好的長度時(shí)，則會丟棄前面的數(shù)據(jù)，重新接收。

2.2 掃頻控制系統(tǒng)接線

單片機(jī)所需要的接口主要包括鍵盤控制接口，用于輸入各種激振參數(shù)，例如啟動初始份數(shù)、終止份數(shù)、單頻保持時(shí)間和啟動開關(guān)；此外，還有數(shù)碼管顯示（段選和位選）接口以及D/A模塊輸出接口。

D/A模塊由220 V轉(zhuǎn)15 V雙極性開關(guān)電源驅(qū)動，并通過OUT1接口將模擬信號輸出到變頻器的COM接口中。單片機(jī)芯片接線圖如圖2所示，DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示，proteus仿真圖如圖4所示。

圖2 單片機(jī)芯片接線圖

圖3 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

圖4 proteus仿真圖

3 掃頻控制上位機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)要求，上位機(jī)軟件主要需要實(shí)現(xiàn)的功能有：能夠完成對下位機(jī)參數(shù)的配置，能夠發(fā)送開始命令和結(jié)束命令，能夠向下位機(jī)傳輸輸入的數(shù)據(jù)。由此確定上位機(jī)軟件開發(fā)的步驟流程如下：

1）根據(jù)任務(wù)確定程序模塊；

2）程序界面設(shè)計(jì)；

3）編寫各功能模塊代碼；

4）根據(jù)流程編寫代碼；

5）程序調(diào)試。

3.1 程序模塊

根據(jù)上位機(jī)設(shè)計(jì)要求，軟件功能模塊主要包括：工作狀態(tài)顯示模塊、串口參數(shù)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊等。

1）工作狀態(tài)顯示模塊：顯示模塊的主要作用是能夠在主頁面顯示數(shù)據(jù)，給用戶提供更加友好方便的界面，讓結(jié)果更加直觀地顯示出來。

2）串口參數(shù)輸入模塊：串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。其中最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)，對于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些數(shù)據(jù)必須匹配。所以通信前必須設(shè)置串口端口號、波特率、校驗(yàn)方式等基礎(chǔ)參數(shù)。串口參數(shù)輸入模塊主要提供的就是對串口參數(shù)的設(shè)置，用戶完成相關(guān)設(shè)置后點(diǎn)擊打開串口，模塊會把和串口相關(guān)的參數(shù)傳遞給串口控件，并打開指定的串口。

3）數(shù)據(jù)輸入模塊：該模塊主要提供數(shù)據(jù)的輸入與發(fā)送功能，能夠?qū)⑤斎氲臄?shù)據(jù)處理，經(jīng)由串口發(fā)送給下位機(jī)。保證上下位機(jī)數(shù)據(jù)的可靠傳輸也是良好系統(tǒng)性能的重要決定因素之一。

3.2 開發(fā)工具

Microsoft Visual Studio（簡稱VS）是目前最流行的Windows平臺應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境。它是一個(gè)完整的開發(fā)工具集，包括了整個(gè)軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等等，所寫的目標(biāo)代碼適用于微軟支持的所有平臺。

上位機(jī)界面包含控件類型有ComboBox、Button、RadioButton、TextBox，主要用作串口參數(shù)設(shè)置選框及按鈕，系統(tǒng)啟動及停止控制按鈕，頻率參數(shù)設(shè)置按鈕。上位機(jī)設(shè)計(jì)中所涉及的主要控件如表1所示，包括控件用途、控件類型和控件ID。

表1 控件表

接著添加一個(gè)SerialPort對象，然后就可以在程序中控制串口通信的全過程。在進(jìn)行串口通信的時(shí)候需要設(shè)置一些相關(guān)的參數(shù)，可以通過設(shè)置SerialPort的屬性來進(jìn)行，具體如下。

PortName：串口名稱，COM1，COM2等。

BaudRate：波特率，也就是串口通信的速度，進(jìn)行串口通信的雙方的波特率需要相同；如果用PC連接其他非PC系統(tǒng)，一般地，波特率由非PC系統(tǒng)決定。

Parity：奇偶校驗(yàn)，可以選取枚舉Parity中的值。

DataBits：數(shù)據(jù)位。

StopBits：停止位，可以選取枚舉StopBits中的值。

而在創(chuàng)建一個(gè)SerialPort并設(shè)置串口屬性后，可以通過Open()方式打開串口，數(shù)據(jù)讀取完成之后，可以通過Close()方式關(guān)閉串口。

3.3 面板示意圖

上下位機(jī)通信所需控件如下：串口參數(shù)設(shè)置選框及按鈕，系統(tǒng)啟動及停止控制按鈕，頻率參數(shù)設(shè)置按鈕等。將所需控件一一填入面板并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，成果如圖5所示。

圖5 面板示意圖

4 總結(jié)

國外對于林果采收機(jī)械的研究較早，機(jī)具設(shè)計(jì)種類繁多，比國內(nèi)的研究更為成熟。收獲機(jī)械根據(jù)采收原理主要分為氣力振動式和機(jī)械振動式[5-7]。對于國內(nèi)外應(yīng)用最多的采收方式樹干抱搖式采收，根據(jù)相關(guān)激振參數(shù)的研究，激振頻率對采收效果的影響最大[8-10]。因此，本文主要針對激振頻率的設(shè)定和數(shù)值傳輸進(jìn)行了具體研究。

事實(shí)上，目前通過應(yīng)用振動式林果采收機(jī)械，提高了果實(shí)采收效率，減輕了勞動強(qiáng)度，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展。但由于機(jī)械多采用對樹干進(jìn)行搖振的方式以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的脫落，這種方式一定程度上會損傷果樹與果品，所以需要考慮更多細(xì)節(jié)的東西才能滿足采收需求。