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(cè)中心，攀枝花 617000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(diǎn)，因?yàn)樗黾恿丝諝馕廴镜目赡苄?，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(jì)基于單片機(jī)監(jiān)控電機(jī)，有效減少勞動(dòng)力短缺，降低勞動(dòng)強(qiáng)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(jìn)行低碳排放[3]；同時(shí)有效利用切碎的秸稈，大大降低了秸稈的燃燒，對(duì)保護(hù)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(jī)相結(jié)合，感應(yīng)切割速度，控制送料電機(jī)，防止切割電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行，保護(hù)刀具。其中，霍爾速度傳感器接收到的速度信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理電路處理得到穩(wěn)定的方波，單片機(jī)對(duì)方波進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出速度。按鈕電路進(jìn)行模式選擇、送料電機(jī)停機(jī)和授權(quán)總控。顯示電路顯示進(jìn)給電機(jī)的狀態(tài)和當(dāng)前模式。光電隔離電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)割炬電機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)信號(hào)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由傳感器電路、旋轉(zhuǎn)信號(hào)處理電路、隔離光耦輸入電路、直流電機(jī)、按鈕電路、喇叭電路和直流電機(jī)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(jī)速度轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)[4]。速度信號(hào)處理電路包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、波形和被測(cè)波形轉(zhuǎn)換的電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)被測(cè)信號(hào)幅值的要求，進(jìn)行信號(hào)測(cè)量[5]。信號(hào)交換和信號(hào)調(diào)理電路將交替的正負(fù)信號(hào)波轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接收的TTL/CMOS 兼容信號(hào)[6]。處理器采用STC89C51單片機(jī)。光耦隔離輸入電路可以將外部開關(guān)的輸入信號(hào)送到單片機(jī)，避免外界干擾。直流電機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制操作的執(zhí)行器。按鈕電路允許將外部信號(hào)命令直接輸入單片機(jī)。蜂鳴器電路實(shí)現(xiàn)斷電報(bào)警功能。直流電機(jī)狀態(tài)顯示電路由三個(gè)LED 組成，可以顯示直流電機(jī)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(jìn)給電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，最終避免刀具電機(jī)受力，保護(hù)刀具。總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

運(yùn)行過程中，啟動(dòng)刀具電機(jī)和風(fēng)扇開關(guān)，待刀具電機(jī)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(dòng)電機(jī)，開啟進(jìn)給機(jī)制，開始遞進(jìn)進(jìn)料。此時(shí)，秸稈在進(jìn)料機(jī)構(gòu)的作用下被壓入切碎機(jī)，在一定程度上被粉碎，然后被風(fēng)機(jī)吹走。在運(yùn)行過程中，如果電量較大，電機(jī)負(fù)載會(huì)增加，喂料機(jī)構(gòu)會(huì)因主控系統(tǒng)的動(dòng)作而主動(dòng)停止供電。一旦電機(jī)上的負(fù)載降低且滾筒速度恢復(fù)，喂料機(jī)構(gòu)就會(huì)被觸發(fā)，將自動(dòng)開始向前旋轉(zhuǎn)[7]。在這個(gè)過程中，如果喂料機(jī)構(gòu)一段時(shí)間不工作，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到喂料機(jī)構(gòu)被鎖定。這時(shí)，蜂鳴器響起提醒操作人員，同時(shí)進(jìn)料機(jī)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(jī)。

2 控制系統(tǒng)電路原理設(shè)計(jì)

秸稈切碎控制系統(tǒng)由晶振電路、復(fù)位電路、進(jìn)料電機(jī)控制電路、光電隔離電路、按鈕電路、音響報(bào)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(zhǔn)頻率。因?yàn)槠渚哂谐錾念l率穩(wěn)定性和抗外部干擾，該電路中的頻率精度由基準(zhǔn)頻率控制。同時(shí)，它可以產(chǎn)生振蕩電流并向微控制器發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)[8]。

圖3 為單片機(jī)的晶體振蕩器電路示意圖。片內(nèi)和片外器件構(gòu)成時(shí)鐘發(fā)生電路，所有處理器操作都與時(shí)鐘同步進(jìn)行。C1 和C2 為反饋電容，可選20pF 至100pF，默認(rèn)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(shí)鐘頻率通常在0.5MHz 和16MHz 之間，標(biāo)準(zhǔn)為12MHz 或11.0592MHz[9]。電容器C1 和C2 有助于改善振動(dòng)頻率（通常為30pF）。通過調(diào)整它們，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(dòng)。除了啟動(dòng)正常的系統(tǒng)初始化外，如果SoC 在啟動(dòng)或操作錯(cuò)誤時(shí)出現(xiàn)故障，您也可以按reset 鍵重新啟動(dòng)[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(huì)改變。SoC 復(fù)位信號(hào)的輸入端是RESET 引腳，工作在高電平。其有效期大于24 個(gè)滴答聲。RESET 端子的外部復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種工作方式。自動(dòng)上電復(fù)位是通過累積一個(gè)電容器來實(shí)現(xiàn)的，如圖4 所示。上電時(shí)，RC 電路被充電，并在RESET 端產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。充電電流的降低，會(huì)導(dǎo)致RESET 電位逐漸降低。在水平模式下按下手動(dòng)復(fù)位按鈕。按鈕電平復(fù)位相當(dāng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路 可用達(dá)林頓控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可用H 橋?qū)崿F(xiàn)上述功能。本文采用H 橋驅(qū)動(dòng)電路，圖5 所示為使用H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)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(dú)立的橋臂。MOSFET 的每個(gè)管（晶體管）旁邊是一個(gè)旁路二極管。當(dāng)Q1 和Q4 導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)控制電流從A流向B，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)Q2 和Q4 導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)電流從B 流向A，電機(jī)改變方向。因此，可以通過控制Q1-Q4 來控制電機(jī)控制[11]。

圖5 H 橋驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)

2.4 光電隔離電路 此設(shè)計(jì)具有開關(guān)輸入，以實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)開關(guān)信號(hào)的狀態(tài)。兩個(gè)按鈕模擬切割電機(jī)開關(guān)和吹風(fēng)機(jī)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(jī)中最常用的防止外界干擾的器件[12]。其原理是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌骱?，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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(hào)連接完全分開。同時(shí)，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(huì)產(chǎn)生對(duì)地干擾等串?dāng)_，從而提高了對(duì)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(jī)輸入數(shù)據(jù)并向單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送指令，是單片機(jī)人工干預(yù)的主要手段[13]。本設(shè)計(jì)的鍵盤具有獨(dú)立的鍵盤類型。S1 按鈕是啟動(dòng)送料電機(jī)的按鈕。S2 按鈕是停止送料電機(jī)的按鈕。其中S3和S4 為模式選擇鍵，S3 鍵為普通吸管準(zhǔn)備的普通模式。S4 鍵處于擴(kuò)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(bào)警電路 本設(shè)計(jì)中蜂鳴器報(bào)警電路由NPN 型S8098 三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)的P1^6 口輸出低電平時(shí)，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(shí)蜂鳴器發(fā)出聲報(bào)警；當(dāng)單片機(jī)的P1^6口輸出高電平時(shí)，三極管截止，報(bào)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(dòng)機(jī)工作指示燈與模式顯示燈選用的是五個(gè)發(fā)光二極管，用亮滅來顯示電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。其中添加5 個(gè)上拉電阻以增加電位，當(dāng)單片機(jī)I/O 接口位于低電位有效時(shí)，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(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)主程序流程如圖10 所示。當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，初始化完成，系統(tǒng)仍在等待按下有效的啟動(dòng)按鈕。當(dāng)按下啟動(dòng)鍵時(shí)，主電路程序進(jìn)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(jī)正轉(zhuǎn)，送料電機(jī)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(jìn)給過程中，主程序每0.1s 讀取一次當(dāng)前刀具轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。使用預(yù)測(cè)速度而不是當(dāng)前速度并將其與設(shè)定速度進(jìn)行比較，預(yù)測(cè)速度為當(dāng)前速度值與當(dāng)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(yùn)算式中S—預(yù)判轉(zhuǎn)速（r/min）；S1—刀具轉(zhuǎn)軸當(dāng)前轉(zhuǎn)速（r/min）；S2—刀具轉(zhuǎn)軸前次轉(zhuǎn)速（r/min）。

使用預(yù)測(cè)速度而不是實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)過載，嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動(dòng)機(jī)。由于預(yù)測(cè)刀具轉(zhuǎn)軸速度低于指定速度，進(jìn)給停止，刀具轉(zhuǎn)軸等待恢復(fù)，然后繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。在此期間，電源機(jī)構(gòu)必須等待1 秒才能重新啟動(dòng)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(jìn)給速度，以減少對(duì)刀具的沖擊和延長(zhǎng)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(qiáng)模式選擇 仿真軟件選用Proteus，擴(kuò)展模式和普通設(shè)計(jì)模式選擇S3 和S4 鍵。系統(tǒng)啟動(dòng)后，按下按鈕可進(jìn)入模式選擇。只有選擇了模式才能進(jìn)入喂料程序。在圖12 中，LED D1 和D2 上的指示燈分別代表擴(kuò)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(dāng)造成不必要的損壞。為避免同時(shí)按下兩個(gè)按鍵，在程序中加入互鎖程序，避免不小心同時(shí)按下兩個(gè)按鍵而造成無法識(shí)別單片機(jī)。

圖12

4.2 智能喂入仿真 智能進(jìn)給是根據(jù)刀具電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。仿真如圖13 所示?；魻栃?yīng)速度傳感器用于讀取工具的速度。當(dāng)霍爾效應(yīng)速度傳感器發(fā)送速度脈沖時(shí)，電路對(duì)其進(jìn)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(jì)時(shí)器的中斷次數(shù)計(jì)算當(dāng)前刀具速度和先前刀具速度，并使用公式計(jì)算下一個(gè)10 毫秒的預(yù)測(cè)速度。將預(yù)測(cè)速度與模式中設(shè)置的速度進(jìn)行比較。如果目標(biāo)速度高于設(shè)定速度，則送料電機(jī)正轉(zhuǎn)。如果預(yù)測(cè)速度低于設(shè)定速度，送料電機(jī)將停止。如果停止超過5秒，則認(rèn)為電源輸入被阻塞。此時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，送料電機(jī)自動(dòng)反轉(zhuǎn)并頂出物料5 秒。之后，評(píng)估先前估計(jì)的速度和設(shè)定的速度，當(dāng)超過設(shè)定的速度時(shí)，設(shè)置快進(jìn)模式。如果在停止電機(jī)后5 秒內(nèi)檢測(cè)到預(yù)測(cè)速度超過設(shè)定速度，則送料電機(jī)再次正轉(zhuǎn)并再次倒計(jì)時(shí)。

圖13 仿真信號(hào)

當(dāng)預(yù)測(cè)速度大于設(shè)定速度時(shí)，喂料電機(jī)正轉(zhuǎn)。如圖14所示，左側(cè)接口B1 為藍(lán)燈，右側(cè)接口B2 為紅燈說明電機(jī)正在正轉(zhuǎn)。

圖14 喂料電機(jī)正轉(zhuǎn)

當(dāng)預(yù)測(cè)速度小于設(shè)定速度時(shí)，喂料電機(jī)停止。如圖15所示，左側(cè)接口B1 為藍(lán)燈，右側(cè)接口B2 為藍(lán)燈說明電機(jī)停止。

圖15 喂料電機(jī)停止

當(dāng)停止5s 后，喂料電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)蜂鳴器報(bào)發(fā)出報(bào)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(lán)燈說明電機(jī)正在反轉(zhuǎn)。電阻R4 的信號(hào)燈為藍(lán)色，說明蜂鳴器正在工作，如圖16（b）所示。

圖16

當(dāng)5s 后喂料電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)作為控制器和霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器來完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了總體控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和控制程序的編寫。通過控制程序和硬件電路相結(jié)合進(jìn)行調(diào)試和仿真，實(shí)現(xiàn)了秸稈切碎和進(jìn)料電機(jī)控制的功能。