基于MSP430F149的水稻插秧機水平智能控制系統

李福超 ，偉利國 ，劉陽春

（1．中國農業機械化科學研究院，北京 1 00083；2．土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京 1 00083）

隨著我國農業機械化、智能化的發展，對農業機械的要求越來越高。傳統的插秧機工作時，插秧深度位于同一水平面，當遇到田地低陷時，秧苗的入土深度就會減少，反之，當田土抬高時，秧苗的入土深度就會增加，在一定程度上會影響秧苗的存活率。因此需要一個控制系統，使插秧機的機身相對支撐的高度隨田地的起伏做相應調整，控制插秧臂的工作高度，使秧苗的根部進入泥土的深度基本保持一致[1]。為此，這里設計了一種基于MSP430F149單片機的水稻插秧機水平智能控制系統，該系統可以在插秧機工作過程中實時調整控制插植部的水平高度，即使行走傾斜，但依靠傾斜角度傳感器感應也能夠保持插植部的水平。

1 系統整體方案設計

該系統設計的主要目的是保證水稻插秧機在工作過程中的插秧質量。在插秧機行走過程中，當插植部偏離水平位置，傾斜角傳感器感應后，信息以模擬信號形式發送給單片機，單片機會根據偏離程度，向電機控制器發送命令，來控制水平調整電機實現復位調整，使插植部保持水平，保證插秧質量。該控制系統主要由傾斜角度傳感器、單片機MSP430F149系統、控制器、執行電機等4部分構成。圖1為系統整體設計框圖。

圖1 系統整體設計框圖

單片機MSP430F149作為核心部件，具有片內集成的12位A/D轉換模塊，將傾斜角度傳感器所測得的插植部水平角度信號送入MSP430F149進行A/D轉換、處理和存儲并通過RS232通訊接口發送相應的控制命令[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軸垂直，以保證傳感器工作在最佳的狀態[4]。其測量范圍為±45°，輸入直流電壓8～24 V，輸出直流電壓0～5 V，水平位置為基準參考位置，基準輸出電壓為2．5 V。輸出電壓與測量角度的變化是標準的線性關系，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32位的硬件PID器件，能完美實現對直流電機的位置與速度控制，其所有的配置參數（驅動模式、輸入/輸出設置等）及濾波參數都可以通過RS232口輸入并保存在運動控制器的內置存儲器（EEPROM）中，易于編程，同時該控制器還具備體積小巧，易于安裝，連接靈活等顯著特點。電機采用RE40系列直流電機，是一種高質量的驅動元件，它裝有高性能的稀土磁鋼，專利的空芯杯轉子是電機的核心，這使得電機具備小體積、低慣量的顯著特性，電機額定轉速能達到6 930 r/min，額定扭矩為0．17 N·m，借助于精密的齒輪箱，可獲得更寬的轉矩范圍，外置HEDL5540編碼器，編碼器分辨率是500線。由于電機安裝位置有限，減速電機部分采用的是渦輪蝸桿減速電機，減速比為50∶1，這樣電機扭矩可放大至8．5 N·m，完全能夠帶動插植部。

2 系統硬件電路設計

本系統選用TI的超低功耗的MSP430F149型單片機，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，從待機模式喚醒只需6 μs，內部自帶參考基準源、采樣保持和自動掃描特性的12位A/D轉換器，2個USART，具有豐富的片上外圍模塊。

圖2是MSP430F149的主要外圍電路設計[5－6]，以5 V電源供電，通過AMS1117轉換成3．3 V供給MSP430F149，低頻時鐘源選擇為32．768 kHz，高頻時鐘源選擇為8 MHz，由于電路并不復雜，復位電路選擇簡單的RC復位電路即可，RS232通信接口通過MAX232進行驅動，用于輸入輸出及控制的端口，按定義連接并對相應的寄存器設置和軟件編程即可。

圖2 MSP430F149的主要外圍電路

傾斜角度傳感器發出的角度信號可選MSP430F149單片機的A0～A7任意一個引腳作為A/D模擬量輸入通道，采集信號經運算處理，得出控制電機轉向轉速的命令控制字符，并通過串口發送至控制器，控制電機完成相應的動作。

3 系統軟件設計

MSP430F149采用C語言完成程序設計，可以在IAR軟件中進行仿真調試，程序設計流程如圖3所示。

系統的軟件程序固化在MSP430F149內部Flash存儲器中完成，采用模塊化設計方法，結構清晰。主程序包括有時鐘初始化、定時器TimerA、串口通信、A/D初始化和存儲等模塊。系統上電自動復位后，自動運行程序，采用查詢方式，每120 ms發送一次控制命令。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為電機減速比；V為角度傳感器信號。

延時程序用MSP430F149內部的定時器延時，其相關程序代碼（延時10 ms）如下：

定時器時鐘源為子系統時鐘，子系統時鐘由外部8 MHz時鐘源經8分頻得到。主程序在執行完int_timerA（）程序后即進入定時器的中斷服務程序，在中斷服務程序中設置中斷標志位，標志位累加，在主程序中通過查詢中斷標志位的累加次數，從而判斷延時時間是否達到預期值。考慮到電機的動作時間及控制的實時有效，控制命令的發送時間要保證每發送一條命令都要在上一條命令執行完畢的情況下，2條命令的發送時間間隔盡量縮短。經過多次實踐，120 ms/次的發送頻率較佳。

圖3軟件流程

4 實驗結果分析

圖4 未加入控制系統仿真圖

將已編譯的程序下載到硬件系統中，并在實際的水田中進行試驗，在沒有應用水平控制系統時，由于水田不平、插秧機行駛速度等原因導致插植部傾斜角度左右波動變化較大，經角度傳感器采集得到的信號如圖4所示，由圖4中可看到插植部的波動范圍較大，最高可達±20°的傾角范圍，在插秧的水田里也可看到水田出現大量漂秧現象，插秧質量無法得到保證。加入水平控制系統后，得到明顯改善，如圖5所示。測試結果表明，沒有加入控制系統的插植部在工作中波動較大，傾角幅度在±5°與±20°之間，加入控制系統后，傾角波動范圍可以控制在±4°以內，這樣的傾斜角度在實際中可以保證插秧的質量。

圖5 加入控制系統的仿真圖

5 結論

基于MSP430F149的水稻插秧機水平智能控制系統可以實時、準確、有效地控制插秧機插植部的水平位置，為機械的自動化插秧質量提供強有力的保障。相對于傳統的彈簧水平控制方法，插秧機水平智能控制系統可在0.1 s內對插植部的水平波動做出反應，控制復位準確，對惡劣環境有很強的抗干擾能力，解決了目前國內水稻智能插秧機在水平控制方面精度低，延遲長，抗干擾差等問題，實現了在插秧機水平可控制方面的自動化、智能化。大量的實驗結果表明基于MSP430F149的水稻插秧機水平智能控制系統保證插植部最大的傾角波動范圍在±4°以內，從而保證了插秧質量，對于比較惡劣的插秧環境有很強的適應性。

[1]蔡亞軍.水稻機械插秧技術推廣應用的實踐與探索[J].中國農機化，2008（2）：3-6．

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[4]李慶，羅錫文，汪懋華．采用傾角傳感器的水田激光平地機設計[J]．農業工程學報，2007，23（4）：88-93．

[5]謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：119-134.

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[7]黃琦，王文海.基于MSP430F149的智能儀表的設計[J].自動化儀表，2006，27（8）：28-31.