柴媛欣，石晶，朱志強(qiáng)

電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

柴媛欣，石晶，朱志強(qiáng)

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)STC89C52RC為核心的電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)，其通過控制PWM占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過電流傳感器檢測實(shí)時(shí)電流信號(hào)、電壓傳感器檢測實(shí)時(shí)電壓信號(hào)、電機(jī)控制器輸出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)、LCD液晶顯示和存儲(chǔ)模塊為一體的電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)，達(dá)到提高電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量，減少能耗，降低工作成本等目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：該電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)，可在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并在負(fù)載發(fā)生變化的情況下保持轉(zhuǎn)速基本不變，具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，并且該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示、記錄電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)變化情況，以此可對電動(dòng)微耕機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配，使其滿足其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的需求。

單片機(jī)STC89C52RC；電動(dòng)微耕機(jī)；數(shù)據(jù)采集；動(dòng)力控制

前言

傳統(tǒng)微耕機(jī)以柴油機(jī)或汽油機(jī)為動(dòng)力源，體積較大，轉(zhuǎn)向不靈活，不易于年老體弱者及女性使用，在惡劣工作環(huán)境下，容易發(fā)生熄火現(xiàn)象，且其排放的尾氣對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，尤其不適用于溫室大棚等密閉空間的耕作[1]?；谏鲜鰡栴}，近年來，新型電動(dòng)微耕機(jī)產(chǎn)品逐漸取締了傳統(tǒng)微耕機(jī)，其采用電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，具有體積小，操作簡便，無污染等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)STC89C52RC的電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)安裝在電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)上，采用單片機(jī)對其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，改善了電動(dòng)微耕機(jī)的工作質(zhì)量，降低了工作成本，并實(shí)時(shí)檢測與存儲(chǔ)電動(dòng)微耕機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，分析其動(dòng)態(tài)工作性能，以此對其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)STC89C52RC、電流傳感器、電壓傳感器、電流變送器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、電源模塊等組成[3]。如圖1所示，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，控制PWM在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的占空比，以此對動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制。電流傳感器輸出的電流信號(hào)通過電流變送器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，與電壓傳感器輸出的電壓信號(hào)共同被A/D轉(zhuǎn)換模塊采集；電機(jī)控制器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)可直接被單片機(jī)采集；電源模塊為單片機(jī)提供電力源；單片機(jī)采集的電流、電壓、轉(zhuǎn)速信號(hào)可在LCD顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡存儲(chǔ)模塊[4]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊由單片機(jī)、閉環(huán)霍爾傳感器、電流變送器等組成，如圖2所示。單片機(jī)STC89C52RC內(nèi)置8K字節(jié)可編程Flash存儲(chǔ)器，512bit的RAM，2K的E2PROM，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32位的通用I/O控制端口[5]。由于霍爾傳感器具有測量范圍廣，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，故該模塊采用霍爾傳感器[6]。被測電線穿過霍爾電流傳感器，M端輸出電流信號(hào)；電流信號(hào)從電流變送器的IN+端口輸入，IN—端口接地，OUT+端口輸出電壓信號(hào)，OUT—端口接地；電壓傳感器的IN+端口和IN—端口與電機(jī)控制器的供電電源端相連，M端輸出電壓信號(hào)，⊥端接地；A/D轉(zhuǎn)換模塊的AIN2端口采集電流變送器輸出的電壓信號(hào)，AIN1端口采集電壓傳感器輸出的電壓信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機(jī)STC89C52RC的P35引腳采集的是電機(jī)控制器OUT端口輸出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，P36引腳與A/D轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)端口SDA連接，P37引腳與A/D轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)鐘信號(hào)端口SCL連接。通過該數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)可實(shí)時(shí)采集電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)的電流、電壓與轉(zhuǎn)速信號(hào)[7]。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖

2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)

電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)顯示模塊選用的LCD為STN類像素為128*64黑白字符圖形式的12864液晶屏。數(shù)據(jù)顯示模塊電路如圖3所示，LCD液晶屏的PAUSE端口與單片機(jī)STC89C52 RC的P3.0端口相連；RES端口與單片機(jī)STC89C52RC的P2.1端口相連；PSB端口與單片機(jī)STC89C52RC的P2.3端口相連；RS端口與單片機(jī)STC89C52RC的P2.4端口相連；RW端口與單片機(jī)STC89C52RC的P2.5端口相連；E端口與單片機(jī)STC89C52RC的P2.6端口相連。通過該數(shù)據(jù)顯示模塊，可實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)的電流、電壓與轉(zhuǎn)速信號(hào)[8]。

圖3 數(shù)據(jù)顯示模塊電路圖

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過文件系統(tǒng)及SPI接口驅(qū)動(dòng)程序，即可完成Micro SD卡內(nèi)的文件讀寫。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路如圖4所示，其控制接口共有6個(gè)引腳，其中GND為地，VCC為供電電源，MISO、MOSI、SCK為SPI總線，分別與單片機(jī)STC89C52RC的P1.4，P1.5和P1.6引腳連接；CS為片選信號(hào)腳，與單片機(jī)STC89C52RC的P1.7引腳連接。通過該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)電動(dòng)微耕機(jī)作業(yè)時(shí)的電流、電壓與轉(zhuǎn)速信號(hào)。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)的軟件程序采用C語言編寫，每10ms采樣一次。在電動(dòng)微耕機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程中，將該系統(tǒng)安裝在電動(dòng)微耕機(jī)樣機(jī)上，使其在工作時(shí)可在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并在負(fù)載發(fā)生變化的情況下能夠保持轉(zhuǎn)速基本不變，具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，并可準(zhǔn)確、快捷地實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)其動(dòng)態(tài)參數(shù)，以此分析其動(dòng)力性能是否滿足需求。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖6為電動(dòng)微耕機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)測試時(shí)，LCD顯示屏上電流、電壓、轉(zhuǎn)速信號(hào)的顯示。當(dāng)前時(shí)刻電壓值為54.9v，電流值為3.1a，轉(zhuǎn)速值為629r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速將持續(xù)增長至2800r/min左右并保持恒定。當(dāng)依次按下不同的按鍵時(shí)，將分別通過串口助手顯示該系統(tǒng)存儲(chǔ)的電流、電壓、轉(zhuǎn)速信號(hào)，并可保存成文本文檔，供后續(xù)分析數(shù)據(jù)使用。

圖6 電路實(shí)物圖

為了測試該電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)需求，特在某區(qū)域進(jìn)行了實(shí)地作業(yè)測試。

如圖7所示為測試系列電壓下動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力特性曲線、效率特性曲線圖。其中A為外特征曲線，B為效率區(qū)分割線，C為最高效率區(qū)。開始時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的增加，扭矩值近似不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到某一值時(shí)，扭矩值直線下降，保持功率不變。從曲線圖可看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速和扭矩在某一特定值附近時(shí)，可達(dá)到最佳效率區(qū)，由此可通過閉環(huán)PID控制使動(dòng)力系統(tǒng)保持在該速度值附近。

圖7 動(dòng)力特性曲線、效率特性曲線圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)微耕機(jī)數(shù)據(jù)采集與動(dòng)力控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)作為其核心控制單元，基于PID算法對其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速控制，提高了動(dòng)力控制精度，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。為了便于電動(dòng)微耕機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程中的調(diào)試與標(biāo)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于閉環(huán)霍爾式電流和電壓傳感器的信號(hào)采集模塊以及室內(nèi)調(diào)試用的上位機(jī)存儲(chǔ)模式和室外調(diào)試用的SD卡存儲(chǔ)模式，并且可通過LCD顯示模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測各項(xiàng)動(dòng)力參數(shù)與當(dāng)前狀態(tài)。經(jīng)過測試，結(jié)果證明該系統(tǒng)可對電機(jī)進(jìn)行高精度恒轉(zhuǎn)速控制，到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)速迅速，并可準(zhǔn)確、快捷地實(shí)時(shí)對各種動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)。此外，該系統(tǒng)對電動(dòng)微耕機(jī)的總布置基本無改動(dòng)，成本低廉，操作方便，適用性好。在生產(chǎn)廠家對電動(dòng)微耕機(jī)的調(diào)試過程中，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有利于工程師對控制算法進(jìn)行調(diào)參和優(yōu)化。

[1] 郭晨星.電動(dòng)微耕機(jī)的分析與設(shè)計(jì)研究[D].太原:太原理工大學(xué), 2018.

[2] 張強(qiáng),楊光友.基于STM32單片機(jī)控制的電動(dòng)微耕機(jī)研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2019(7):100-109.

[3] 閆世杰,張曙光,彭曉云.基于STC12C5A60S2單片機(jī)設(shè)計(jì)的水源地信息采集裝置[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014,35（4）:283-285.

[4] 孔慶光.異步電動(dòng)機(jī)信號(hào)采集及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,29（3）:301-305.

[5] 劉健.基于STC89C52RC單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].長沙:湖南大學(xué),2013.

[6] 王瑗,潘葳.集成霍爾傳感器特性測量與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2018,38（11）:28-30.

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Design of Data Acquisition and Power Control System for Electric- Micro-tiller*

Chai Yuanxin, Shi Jing, Zhu Zhiqiang

（Automobile & Traffic Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121000 )

Design a micro-controller STC89C52RC as the core of the electric-micro-tiller data acquisition and power control system that adjusts the motor speed by controlling PWM duty ratio.Real-time current signal is detected by current sensor, real-time voltage signal is detected by voltage sensor, real-time speed signal is output by motor controller, data acquisition and power control system of electric micro-tiller is integrated with LCD display and storage module to improve the operation quality of electric-micro-tiller, reduce energy consumption and work cost.The test results show that the data acquisition and power control system of the electric-micro-tiller can smoothly adjust the speed within a certain range when working, and keep the rotation speed basically unchanged when the load changes, with good steady-state and dynamic performance.In addition, the system can display and record the changes of various indexes during the operation of the electric-micro-tiller in real time, so as to optimize the matching of the power system of the electric-micro-tiller and make it meet the requirements of its power performance and economy.

Micro-controller STC89C52RC;Electric-micro-tiller;Data acquisition;Power control

U463.5

A

1671-7988(2019)18-18-04

U463.5

A

1671-7988(2019)18-18-04

柴媛欣（1994-），女，碩士研究生，研究方向：機(jī)械CAD/CAM技術(shù)；汽車測試技術(shù)；車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。石晶（1962-），男，教授，研究方向：機(jī)械CAD/CAM技術(shù)；汽車測試技術(shù)；車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。朱志強(qiáng)（1982-），男，講師，研究方向：機(jī)械CAD/CAM技術(shù)；汽車測試技術(shù)；車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。

遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——基于無線遙控的先進(jìn)履帶式新能源微耕機(jī)研發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.006