基于單片機秸稈粉碎控制系統設計

張力文ZHANG Li-wen；李佳勝LI Jia-sheng；冷曉棟LENG Xiao-dong；周應才ZHOU Ying-cai

（①攀枝花學院，攀枝花 617000；②攀枝花市地震監測中心，攀枝花 617000）

0 引言

據統計，我國每年大約有3.7 億噸農作物根莖被燃燒[1]，造成環境破壞。在夏秋季節后期，秸稈焚燒成為政府關注的焦點，因為它增加了空氣污染的可能性，尤其是區域性煙霧[2]。因此，農作物根莖的粉碎加工已成為農業中的重要內容。本設計基于單片機監控電機，有效減少勞動力短缺，降低勞動強度，提高工作舒適度和生產力，充分利用資源，符合環保和可持續發展的要求，進行低碳排放[3]；同時有效利用切碎的秸稈，大大降低了秸稈的燃燒，對保護環境非常重要。本文開發的秸稈切碎系統將霍爾式速度傳感器與單片機相結合，感應切割速度，控制送料電機，防止切割電機長時間過載運行，保護刀具。其中，霍爾速度傳感器接收到的速度信號經過預處理電路處理得到穩定的方波，單片機對方波進行計數，計算出速度。按鈕電路進行模式選擇、送料電機停機和授權總控。顯示電路顯示進給電機的狀態和當前模式。光電隔離電路實時監測割炬電機和鼓風機開關信號。

1 總體方案設計

控制系統由傳感器電路、旋轉信號處理電路、隔離光耦輸入電路、直流電機、按鈕電路、喇叭電路和直流電機狀態顯示電路組成。傳感器部分使用霍爾傳感器，將工具電機速度轉換為脈沖信號[4]。速度信號處理電路包括對信號進行放大、波形和被測波形轉換的電路，實現對被測信號的放大，降低對被測信號幅值的要求，進行信號測量[5]。信號交換和信號調理電路將交替的正負信號波轉換成微機可以接收的TTL/CMOS 兼容信號[6]。處理器采用STC89C51單片機。光耦隔離輸入電路可以將外部開關的輸入信號送到單片機，避免外界干擾。直流電機是一種實現單片機控制操作的執行器。按鈕電路允許將外部信號命令直接輸入單片機。蜂鳴器電路實現斷電報警功能。直流電機狀態顯示電路由三個LED 組成，可以顯示直流電機的停止、正轉和反轉狀態。該系統采用孔式速度傳感器，持續感應刀具的速度，從而監控進給電機的運行狀態，最終避免刀具電機受力，保護刀具。總體方案設計如圖1 所示。

圖1 控制系統總體方案設計

運行過程中，啟動刀具電機和風扇開關，待刀具電機高速穩定后，根據切碎的秸稈類型選擇合適的切刀方式，按下按鈕啟動電機，開啟進給機制，開始遞進進料。此時，秸稈在進料機構的作用下被壓入切碎機，在一定程度上被粉碎，然后被風機吹走。在運行過程中，如果電量較大，電機負載會增加，喂料機構會因主控系統的動作而主動停止供電。一旦電機上的負載降低且滾筒速度恢復，喂料機構就會被觸發，將自動開始向前旋轉[7]。在這個過程中，如果喂料機構一段時間不工作，系統會自動檢測到喂料機構被鎖定。這時，蜂鳴器響起提醒操作人員，同時進料機構反轉，將物料吐出。該系統配有急停按鈕，用于在緊急情況下停止送料電機。

2 控制系統電路原理設計

秸稈切碎控制系統由晶振電路、復位電路、進料電機控制電路、光電隔離電路、按鈕電路、音響報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，用于產生基準頻率。因為其具有出色的頻率穩定性和抗外部干擾，該電路中的頻率精度由基準頻率控制。同時，它可以產生振蕩電流并向微控制器發送時鐘信號[8]。

圖3 為單片機的晶體振蕩器電路示意圖。片內和片外器件構成時鐘發生電路，所有處理器操作都與時鐘同步進行。C1 和C2 為反饋電容，可選20pF 至100pF，默認值為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 輸出時鐘頻率通常在0.5MHz 和16MHz 之間，標準為12MHz 或11.0592MHz[9]。電容器C1 和C2 有助于改善振動頻率（通常為30pF）。通過調整它們，可以實現對fosc 的微調。

圖3 晶振電路

2.2 復位電路 復位是單片機的一種初始化操作，其中CPU 和其他系統部件處于一定的初始狀態并從該狀態啟動。除了啟動正常的系統初始化外，如果SoC 在啟動或操作錯誤時出現故障，您也可以按reset 鍵重新啟動[10]。復位后，PC 的內容將被初始化為0000H。這意味著微控制器從塊0000H 開始程序。復位微控制器后，內部RAM 的狀態不會改變。SoC 復位信號的輸入端是RESET 引腳，工作在高電平。其有效期大于24 個滴答聲。RESET 端子的外部復位電路有上電自動復位和按鍵手動復位兩種工作方式。自動上電復位是通過累積一個電容器來實現的，如圖4 所示。上電時，RC 電路被充電，并在RESET 端產生一個正脈沖。充電電流的降低，會導致RESET 電位逐漸降低。在水平模式下按下手動復位按鈕。按鈕電平復位相當于通過電阻連接到高電平的復位。

圖4 復位電路

2.3 喂料電機驅動電路 可用達林頓控制直流電機的轉動，也可用H 橋實現上述功能。本文采用H 橋驅動電路，圖5 所示為使用H 橋驅動直流電機的應用電路。Q1-Q4 是功率MOSFET（晶體管），Q1 和Q2 構成橋臂，Q3 和Q4 構成獨立的橋臂。MOSFET 的每個管（晶體管）旁邊是一個旁路二極管。當Q1 和Q4 導通時，電機控制電流從A流向B，電機正轉。當Q2 和Q4 導通時，電機電流從B 流向A，電機改變方向。因此，可以通過控制Q1-Q4 來控制電機控制[11]。

圖5 H 橋驅動直流電動機

2.4 光電隔離電路 此設計具有開關輸入，以實時監控每個開關信號的狀態。兩個按鈕模擬切割電機開關和吹風機開關。為避免外界干擾，輸入采用光伏隔離電路。光伏隔離器是51 系列單片機中最常用的防止外界干擾的器件[12]。其原理是將電信號轉換為光信號。光信號傳輸到接收器后，轉換為電信號。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。輸入端通過光信號連接完全分開。同時，LED 的正向電阻較低，外部噪聲源的內阻通常較高。由于采用分壓原理，干擾源產生的干擾可以在很少或沒有干擾的情況下提供給輸入端，不會產生對地干擾等串擾，從而提高了對電路干擾的預防。

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輸入數據并向單片機應用系統發送指令，是單片機人工干預的主要手段[13]。本設計的鍵盤具有獨立的鍵盤類型。S1 按鈕是啟動送料電機的按鈕。S2 按鈕是停止送料電機的按鈕。其中S3和S4 為模式選擇鍵，S3 鍵為普通吸管準備的普通模式。S4 鍵處于擴展模式，可用于質地較硬的秸稈。電路如圖7所示。

圖7 按鍵電路

2.6 蜂鳴器報警電路 本設計中蜂鳴器報警電路由NPN 型S8098 三極管驅動，當單片機的P1^6 口輸出低電平時，三極管的VE>VB>VC>0[14]。三極管的發射極正向偏置，集電極結反向偏置，此時蜂鳴器發出聲報警；當單片機的P1^6口輸出高電平時，三極管截止，報警聲停止。具體電路圖如圖8 所示。

圖8 蜂鳴器電路

2.7 指示燈電路 喂料電動機工作指示燈與模式顯示燈選用的是五個發光二極管，用亮滅來顯示電動機的運行狀態。其中添加5 個上拉電阻以增加電位，當單片機I/O 接口位于低電位有效時，顯示燈被激活。具體電路圖如圖9 所示。

圖9 指示燈電路

3 控制系統程序設計

3.1 主程序設計 本控制系統主程序流程如圖10 所示。當系統通電時，初始化完成，系統仍在等待按下有效的啟動按鈕。當按下啟動鍵時，主電路程序進入主程序循環[15]。主程序不斷掃描控制面板的操作模式，設置開關的狀態，使送料電機正轉，送料電機反轉吐出，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框圖。在智能進給過程中，主程序每0.1s 讀取一次當前刀具轉軸轉速。使用預測速度而不是當前速度并將其與設定速度進行比較，預測速度為當前速度值與當前速度減去前次速度值的差值之和，也即預判轉速[16]。

圖11 智能喂入流程圖

S=S1+（S1-S2）

該運算式中S—預判轉速（r/min）；S1—刀具轉軸當前轉速（r/min）；S2—刀具轉軸前次轉速（r/min）。

使用預測速度而不是實際速度作為配置速度比較的基礎的好處是盡可能保證實時轉軸速度不低于設定速度。磨削過程更高效穩定，避免刀具短時過載，嚴重損壞發動機。由于預測刀具轉軸速度低于指定速度，進給停止，刀具轉軸等待恢復，然后繼續向前運動。在此期間，電源機構必須等待1 秒才能重新啟動電源。這有助于切削軸以更高的速度拾取切屑并提供更高的進給速度，以減少對刀具的沖擊和延長刀具的壽命[17]。

4 控制系統仿真調試

4.1 普通模式與加強模式選擇 仿真軟件選用Proteus，擴展模式和普通設計模式選擇S3 和S4 鍵。系統啟動后，按下按鈕可進入模式選擇。只有選擇了模式才能進入喂料程序。在圖12 中，LED D1 和D2 上的指示燈分別代表擴展模式和正常模式。選擇模式后，程序切換到送料程序，避免人為操作不當造成不必要的損壞。為避免同時按下兩個按鍵，在程序中加入互鎖程序，避免不小心同時按下兩個按鍵而造成無法識別單片機。

圖12

4.2 智能喂入仿真 智能進給是根據刀具電機轉速實時執行相應動作。仿真如圖13 所示。霍爾效應速度傳感器用于讀取工具的速度。當霍爾效應速度傳感器發送速度脈沖時，電路對其進行放大、整形和濾波，以產生平滑穩定的方波脈沖。然后使用10 毫秒計時器的中斷次數計算當前刀具速度和先前刀具速度，并使用公式計算下一個10 毫秒的預測速度。將預測速度與模式中設置的速度進行比較。如果目標速度高于設定速度，則送料電機正轉。如果預測速度低于設定速度，送料電機將停止。如果停止超過5秒，則認為電源輸入被阻塞。此時會發出報警聲，送料電機自動反轉并頂出物料5 秒。之后，評估先前估計的速度和設定的速度，當超過設定的速度時，設置快進模式。如果在停止電機后5 秒內檢測到預測速度超過設定速度，則送料電機再次正轉并再次倒計時。

圖13 仿真信號

當預測速度大于設定速度時，喂料電機正轉。如圖14所示，左側接口B1 為藍燈，右側接口B2 為紅燈說明電機正在正轉。

圖14 喂料電機正轉

當預測速度小于設定速度時，喂料電機停止。如圖15所示，左側接口B1 為藍燈，右側接口B2 為藍燈說明電機停止。

圖15 喂料電機停止

當停止5s 后，喂料電機反轉，同時蜂鳴器報發出報警聲。如圖16（a）所示，左側接口B1 為紅燈，右側接口B2 為藍燈說明電機正在反轉。電阻R4 的信號燈為藍色，說明蜂鳴器正在工作，如圖16（b）所示。

圖16

當5s 后喂料電動機停止，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停止。R4前的正方形燈為紅色，說明蜂鳴器已經停止。

圖17

5 總結

本文選用AT89C51 單片機作為控制器和霍爾式轉速傳感器來完成系統設計，完成了總體控制系統電路設計、控制系統硬件電路設計和控制程序的編寫。通過控制程序和硬件電路相結合進行調試和仿真，實現了秸稈切碎和進料電機控制的功能。