李　導(dǎo)，楊丹彤，李　慶

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州　510642）

基于單片機的分布式無線轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)

李導(dǎo)，楊丹彤，李慶※

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642）

基于單片機技術(shù)，設(shè)計了一種分布式無線轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，可用于田間作業(yè)拖拉機的多輪轉(zhuǎn)速實時監(jiān)測。系統(tǒng)利用霍爾傳感器將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊發(fā)送至單片機系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)抗干擾能力較強，精度較高。

轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，無線單片機，實時監(jiān)測，田間作業(yè)，拖拉機

0　引言

對田間作業(yè)動力的運行參數(shù)進行監(jiān)測越來越受到重視［1］。本文基于單片機技術(shù)，設(shè)計了一種分布式無線轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)，用于田間作業(yè)拖拉機動力的多輪轉(zhuǎn)速實時監(jiān)測。系統(tǒng)采用霍爾傳感器［2］采集拖拉機各輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號，脈沖信經(jīng)單片機無線串口通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊發(fā)送到另一單片機進行處理。

1　轉(zhuǎn)速測量方法

轉(zhuǎn)速測量有多種方法。根據(jù)脈沖計數(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有：M法（測頻率法）、T法（測周期法）和M/T法（測頻率/周期法）［3-4］。

M法是利用一段固定時間間隔內(nèi)的編碼器產(chǎn)生的輸出脈沖數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。在規(guī)定的檢測時間內(nèi)，檢測傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。雖然檢測時間一定，但檢測的起止時間具有隨機性，因此M法測量轉(zhuǎn)速在極端情況下會產(chǎn)生±1個轉(zhuǎn)速脈沖的誤差。當被測轉(zhuǎn)速較高或者轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號的數(shù)量較大時，才有較高的測量精度，因此M法適合于高速測量。

T法是通過測量光電編碼器2個脈沖的時間間隔，即脈沖周期來確定轉(zhuǎn)速。相鄰2個轉(zhuǎn)速脈沖信號時間的測量采用對一直高頻脈沖信號進行計數(shù)來實現(xiàn)。在極端情況下，時間的測量會產(chǎn)生±1個高頻脈沖周期的誤差，因此T法在被測轉(zhuǎn)速較低（相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號間隔時間較長）時，才有較高的測量精度，所以T法適合于低速測量。

而M/T法則是前兩種方法的結(jié)合，從而使得在整個速度范圍內(nèi)都有較好的準確性。M/T法同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)傳感器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時對2種脈沖信號進行計數(shù)，因此只要“同時性”處理得當，M/T法在高速和低速時都具有較高的測量精度，但它的實時性較差［5］。

考慮到田間作業(yè)拖拉機的所有車輪轉(zhuǎn)速需要實時檢測的情況，本文選擇使用M法，并采用霍爾傳感器。M法雖然受傳感器輸出脈沖的間隔影響較大，但只要提高編碼器線數(shù)或者加大測量的單位時間，使一次采集的脈沖個數(shù)盡可能多就能得到較高的精度［6］。

轉(zhuǎn)速脈沖頻率測量采用門脈沖計數(shù)法，被測信號脈沖頻率為：

轉(zhuǎn)速為：

因計數(shù)終點的隨機性，計數(shù)最大誤差為：

故測量最大誤差

式中T為標準門脈沖頻率寬度；f為頻率；m為計數(shù)數(shù)值；n為轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖信號數(shù)。

顯然，n（或T）取值越大，即輪盤磁極貼得越密集或門脈沖頻率寬度越大，測量精確度就越高［7］。

2　硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要由霍爾傳感器、MCU模塊、無線串口收發(fā)模塊和LCD液晶顯示模塊等組成，如圖1所示［8］。

圖1　硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

霍爾傳感器將檢測到的信號直接送往單片機，由單片機4個I/O口負責脈沖信號的采集，并每隔1.5 s由無線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；在接收端，單片機通過無線接收模塊接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行處理后用液晶顯示模塊進行顯示。

2.1無線發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送選用經(jīng)典的集數(shù)據(jù)處理、多種I/O接口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器及A/D轉(zhuǎn)換器等功能于一體的51系列單片機。芯片采用STC89C52RC，具有32位I/O口線、一個全雙工串行口，可以計算、儲存及向外發(fā)送數(shù)據(jù)，工作電壓3.3～5.0 V［9］。

系統(tǒng)工作時，霍爾傳感器把4個車輪的旋轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，并將脈沖信號送往單片機，單片機同時對4個脈沖進行計數(shù)，每次經(jīng)過預(yù)設(shè)的發(fā)送時間將數(shù)據(jù)通過無線串口向外發(fā)送。其系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2　無線發(fā)射系統(tǒng)電路圖Fig.2 Wireless emitting system circuit diagram

2.2無線接收模塊

無線接收系統(tǒng)同樣選用了51系列單片機，與無線串口接收模塊及LCD液晶顯示屏共同構(gòu)成了轉(zhuǎn)速的顯示系統(tǒng)。

接收系統(tǒng)工作時，無線接收模塊隨時準備接收數(shù)據(jù)，一旦接受到數(shù)據(jù)，就對數(shù)據(jù)進行校驗，然后再將經(jīng)校驗后的數(shù)據(jù)送往單片機內(nèi)，由單片機對數(shù)據(jù)進行計算及存儲，并將結(jié)果顯示在LCD液晶屏上。接收系統(tǒng)電路如圖3所示。

3　軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要分為發(fā)射端程序和接受端程序。發(fā)射端程序主要包括主程序、脈沖變化檢測程序和中斷發(fā)射程序；接受端程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)顯示程序。

圖3　無線接收系統(tǒng)電路圖Fig.3 Wireless receiving system circuit diagram

發(fā)射端程序：在發(fā)射端，一旦檢測到脈沖發(fā)生變化，程序內(nèi)部定義的脈沖數(shù)加1，每次經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時間，數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊向外發(fā)送。

接收端程序：接收端，單片機通過無線接收模塊接受數(shù)據(jù)，當檢測到數(shù)據(jù)接收成功，馬上對數(shù)據(jù)進行處理并顯示，同時等待接受下一次數(shù)據(jù)。

接收端和發(fā)送端程序流程圖如圖4—5所示。

圖4　發(fā)送程序流程圖Fig.4 Flow chart of emitting program

圖5　接收程序流程圖Fig.5 Flow chart of receiving program

4　實際測試與結(jié)果

實地測試選用的拖拉機為麥賽福格森4245式拖拉機，如圖6所示。實際轉(zhuǎn)速選取拖拉機在低中高三檔常用的轉(zhuǎn)速，通過資料查到4245式拖拉機的傳動比和前后輪直徑，可計算得到實際轉(zhuǎn)速值。在被測試拖拉機的每個輪上安裝每圈24個磁極的磁盤。

圖6　麥賽福格森4245型拖拉機Fig.6 MASSEY FERGUSON 4245

表1　直線行駛時測量轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的對比Tab.1 Comparison between experimental data and actual data on straight driving

表2　轉(zhuǎn)彎行駛時測量轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的對比Tab.2 Comparison between experimental data and actual data on turning driving

式中K為時間段內(nèi)檢測到的脈沖個數(shù)；T為每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔；m為輪盤每圈的磁極數(shù)；n為輪的轉(zhuǎn)速。

直線行駛時顯示轉(zhuǎn)速及實際轉(zhuǎn)速如表1所示。

彎道行駛時顯示轉(zhuǎn)速及實際轉(zhuǎn)速如表2所示。

R1、R2為2個前輪轉(zhuǎn)速，R3、R4表示2個后輪的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)彎時的實際轉(zhuǎn)速為相同速度下直線行駛的轉(zhuǎn)速。

從表1和表2可以看出，拖拉機直線行駛時所測數(shù)據(jù)平均誤差不超過3%，轉(zhuǎn)彎時所測平均轉(zhuǎn)速誤差不超過3%，且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增大，誤差逐漸縮小。

5　結(jié)束語

1）系統(tǒng)對拖拉機進行多軸轉(zhuǎn)速實時監(jiān)測，實驗結(jié)果顯示系統(tǒng)監(jiān)測精度較高，能滿足分布式監(jiān)測的要求。

2）采用了強穿透性的無線傳輸模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性，可以實現(xiàn)異地實時監(jiān)測。

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Wireless Distributed Revolution Measurement system based on single-chip microcomputer

Li Dao，Yang Dantong，Li Qing※
（College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

Based on single-chip microcomputer control technology，a wireless distributed revolution measurement system was developedby using hall sensors.The system makes it possible to monitor the rotate speeds on different axles in real time.The practical test results indicate the system has a good ability of anti-disturbance and keeps a high precision.

rotational speed test system，wireless single-chip microcomputer，real-time monitoring，field operation，tractor

廣東省科技計劃項目（2013B020313005）

李導(dǎo)（1991—），碩士研究生，主要從事地面車輛系統(tǒng)與導(dǎo)航技術(shù)研究。

李慶（1973—），副教授，研究方向為車輛工程和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備。Email:lqiing@scau.edu.cn