精密播種之電子驅動系統設計

保定科技職業學院 071000 于拴道 唐堯華 張江亞

精密播種之電子驅動系統設計

保定科技職業學院 071000 于拴道 唐堯華 張江亞

本文研究的排種自動控制系統是依據前輪轉速控制排種，在排種量、粒距和前輪轉速之間建立關系，并以單片機為核心，配以測速裝置、驅動裝置及處理電路，輸出合理驅動脈沖驅動步進電機的轉動，進而帶動排種器軸轉動達到均勻排種目的的一種電子驅動系統方案。

播種機；控制裝置；傳感器；步進電機；排種器

前言

本設計針對播種機地輪打滑嚴重影響播種質量的問題，采用智能控制器（單片機）測量播種機作業速度,并根據測得的速度動態調節電機轉速，用微處理器及傳感器，對播種機播種過程進行檢測、監控，把播種速度與機具前進速度聯系起來；采用步進電機驅動排種軸，使步進電機及排種軸轉速與播種機作業速度一致。達到提高播種質量的實用精密播種控制目的。

1 系統硬件設計

1.1 傳感器系統及測速部分設計

田間現場作業時由于環境惡劣，經常會有塵土飛揚的情況，有時情況會非常嚴重，這樣就會影響到光電傳感器的作業效果。因此考慮到現場作業環境對光電傳感器的影響，霍爾傳感器與被測對象無接觸、使用壽命長等優點，本設計選用開關型霍爾傳感器測量播種機轉速。在拖拉機前輪軸軸承套內端面上貼裝圓周均布磁片，霍爾檢測傳感器固定于前輪的轉向支架處。

1.2 主板及相關硬件設計

本設計硬件系統由三部分組成：單片機應用系統、步進電動機控制模塊、傳感器信號調理模塊。本實驗單片機系統用來顯示拖拉機實時作業速度。

（1）單片機應用系統及相關模塊

本設計采用MSP430F149單片機作為系統的核心。MSP430系列單片機是一種16位的單片機，它具有集成度高、外圍設備豐富、超低功耗、體積小、功能強、面向控制的特點，具有很高的性能價格比等優點。

本系統所使用的主要端口及相關模塊簡述如下：

1 ）單片機系統電源。3.3V電源由芯片LM 3940提供。

2 ）P1.1為外部信號輸入端。從傳感器出來的脈沖信號經過濾波放大整形后輸入到此引腳，見圖1。

圖1 傳感器

3 ）傳感器信號采集輸入電路

速度傳感器選用H—JK系列霍爾傳感器，它是一種新型差動開關式霍爾傳感器，傳感器在內部集成了調理、濾波電路，不僅大大簡化了系統主板的設計，還使得傳感器抗干擾性能得到了很大提高。

主板上信號采集、輸入電路見圖1。傳感器電源引腳接JP1的1號腳，信號引腳接JP1的2號腳，傳感器負級接JP1的3號腳做為地線。R1為上拉電阻，R2為一個1K電阻，以濾掉主板接地端其他信號干擾。

信號時序見圖2。

圖2 傳感器輸出與光耦輸出信號時序

定時器B它是一個16位的定時/計數器。本設計TimerB是用來定時時間為1ms，即每隔1ms中斷一次，檢測一下是否有脈沖到來，有脈沖到來就計算時間，沒有就繼續檢測。

（2）步進電動機控制電路

步進電動機不能直接接到電源上工作，且其功率一般遠高于數字電路驅動能力，必須使用專用步進電動機驅動設備，按照數字控制系統要求狀態，順序不斷的產生各相導通或截止的信號，以驅動步進電動機正常工作。步進電動機驅動系統的性能，除與電動機自身的性能有關外，很大程度上也取決于驅動部分的優劣。步進電動機驅動設備的主要構成如圖所示，一般由分配器、信號處理級、推動級、驅動級、保護線路等組成。

（3）系統的硬件抗干擾設計

本系統應用于農業生產過程，而農業生產環境往往比較惡劣，外部干擾源較多，而系統自身因電源、輸電線路都存在內阻，也會引起噪聲干擾。故系統工作是否可靠，其抗干擾性能如何是衡量開發成功與否的重要指標。

過程通道是前向接口、后向接口與主機間進行信息傳輸的路徑，在過程通道中長線傳輸干擾是干擾的主要因素。為了保證長線傳輸可靠性，主要措施有光電耦合隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。采用光電耦合器可以將主機與前向、后向及其他部分切斷電路上的聯系，能有效地防止干擾從過程通道竄入主機。

2 系統軟件設計簡介

2.1 軟件總體結構

軟件系統采用模塊化設計，為了完成上述功能，系統軟件主要分為一下幾個模塊：自檢模塊、初始化模塊，測控模塊。各模塊關系如圖3所示。

圖3 軟件系統流程圖

2.2 程序控制

系統以步進電機為執行元件，單片機脈沖輸出即為控制步進電機進行工作的信號。此信號經步進電機驅動電源的脈沖分配和功率驅動，控制步進電機進行工作。

2.3 軟件抗干擾設計

單片機應用系統在現場使用時，由于大量干擾源的存在，常常會使系統不能正常運行。雖然通過優化硬件電路可以減弱干擾的影響，但干擾仍然時常發生，因此軟件抗干擾就成為了一條有效措施。本軟件采用的抗干擾方法主要有以下幾種：

（1）指令冗余技術

在程序中人為地插入單字節指令NOP，以增加系統抗干擾能力。

（2）軟件陷阱技術

當跑飛程序進入非程序區時，通過設定軟件陷阱來攔截，把跑飛的程序重新引入到系統的復位入口處。

（3）看門狗技術（WDT）

合理地在看門狗溢出的地方清除看門狗定時器的內容，當程序出現異常時重新啟動系統。看門狗的控制和功能實現主要是通過設置WDTCTL寄存器來實現。

本文采用設定寄存器來進行對看門狗的控制。

3 結論

本裝置經田間試驗驗證，通過計算變異系數對播種均勻性進行分析，實驗結果表明系統軟硬件工作正常，能夠依據作業速度實時調節排種裝置，克服了因地輪打滑造成的播種不均勻，從而實現了精量播種。用本裝置驅動排種器排種的播種效果表1所示。

表1

可以看出電機驅動時播種質量明顯提高。

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The Design of electronic drive system for Precision seeding

Yu-ShuanDao Tang-YaoHua Zhang-JiangYa

(Bao Ding Vocational College of Science and Technology BaoDing HeiBei071000)

It is an electronic drive system that the automatic control system is based on front wheel speed control in the metering.We establishs the relationship between quantity,the seed spacing and the front wheel speed.And the driving devices is based on singlechip,matched with speed measuring devices,driving device and processing circuit,output circuit drives stepping motor.These drive shaft's rotation to reach the purpose of the Uniform seeding.

seeder;Control device;Sensors;Steppingmotor;Metering device

于拴道，男，1952年5月出生，電子工程師，高級技師，籍貫河北保定。1982年畢業于吉林工業大學應用物理專業，學士學位。