電動微耕機數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)設計

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摘要：設計一種以單片機STC89C52RC為核心的電動微耕機數(shù)據(jù)采集與動力控制系統(tǒng)，其通過控制PWM占空比來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過電流傳感器檢測實時電流信號、電壓傳感器檢測實時電壓信號、電機控制器輸出實時轉(zhuǎn)速信號、LCD液晶顯示和存儲模塊為一體的電動微耕機數(shù)據(jù)采集與動力控制系統(tǒng)，達到提高電動微耕機作業(yè)質(zhì)量，減少能耗，降低工作成本等目的。試驗結(jié)果表明：該電動微耕機數(shù)據(jù)采集與動力控制系統(tǒng)，可在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并在負載發(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)、動態(tài)性能，并且該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示、記錄電動微耕機作業(yè)時的各項指標變化情況，以此可對電動微耕機動力系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配，使其滿足其動力性及經(jīng)濟性的需求。

關鍵詞：單片機STC89C52RC；電動微耕機；數(shù)據(jù)采集；動力控制

傳統(tǒng)微耕機以柴油機或汽油機為動力源，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)境造成嚴重污染，尤其不適用于溫室大棚等密閉空間的耕作[1]。基于上述問題，近年來，新型電動微耕機產(chǎn)品逐漸取締了傳統(tǒng)微耕機，其采用電動機為動力源，具有體積小，操作簡便，無污染等優(yōu)點[2]。因此，本文設計了一種基于單片機STC89C52RC的電動微耕機數(shù)據(jù)采集與動力控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)安裝在電動微耕機樣機上，采用單片機對其動力系統(tǒng)進行實時控制，改善了電動微耕機的工作質(zhì)量，降低了工作成本，并實時檢測與存儲電動微耕機的各項指標參數(shù)，分析其動態(tài)工作性能，以此對其動力系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配。

1系統(tǒng)總體方案設計

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

2系統(tǒng)硬件設計

2.1數(shù)據(jù)采集模塊的設計。數(shù)據(jù)采集模塊由單片機、閉環(huán)霍爾傳感器、電流變送器等組成，如圖2所示。單片機STC89C52RC內(nèi)置8K字節(jié)可編程Flash存儲器，512bit的RAM，2K的E2PROM，3個16位定時器/計數(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，響應速度快，動態(tài)性能好，可靠性高等優(yōu)點，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；電流信號從電流變送器的IN+端口輸入，IN—端口接地，OUT+端口輸出電壓信號，OUT—端口接地；電壓傳感器的IN+端口和IN—端口與電機控制器的供電電源端相連，M端輸出電壓信號，⊥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，AIN1端口采集電壓傳感器輸出的電壓信號，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機STC89C52RC的P35引腳采集的是電機控制器OUT端口輸出的轉(zhuǎn)速脈沖信號，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)換模塊的時鐘信號端口SCL連接。通過該數(shù)據(jù)采集模塊，單片機可實時采集電動微耕機作業(yè)時的電流、電壓與轉(zhuǎn)速信號[7]。2.2數(shù)據(jù)顯示模塊的設計。電動微耕機數(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STC89C52RC的P3.0端口相連；RES端口與單片機STC89C52RC的P2.1端口相連；PSB端口與單片機STC89C52RC的P2.3端口相連；RS端口與單片機STC89C52RC的P2.4端口相連；RW端口與單片機STC89C52RC的P2.5端口相連；E端口與單片機STC89C52RC的P2.6端口相連。通過該數(shù)據(jù)顯示模塊，可實時顯示電動微耕機作業(yè)時的電流、電壓與轉(zhuǎn)速信號[8]。2.3數(shù)據(jù)存儲模塊的設計。電動微耕機數(shù)據(jù)存儲模塊通過文件系統(tǒng)及SPI接口驅(qū)動程序，即可完成MicroSD卡內(nèi)的文件讀寫。數(shù)據(jù)存儲模塊電路如圖4所示，其控制接口共有6個引腳，其中GND為地，VCC為供電電源，MISO、MOSI、SCK為SPI總線，分別與單片機STC89C52RC的P1.4，P1.5和P1.6引腳連接；CS為片選信號腳，與單片機STC89C52RC的P1.7引腳連接。通過該數(shù)據(jù)存儲模塊，可實時存儲電動微耕機作業(yè)時的電流、電壓與轉(zhuǎn)速信號。

3系統(tǒng)軟件設計

電動微耕機數(shù)據(jù)采集與動力控制系統(tǒng)的軟件程序采用C語言編寫，每10ms采樣一次。在電動微耕機產(chǎn)品開發(fā)過程中，將該系統(tǒng)安裝在電動微耕機樣機上，使其在工作時可在一定的范圍內(nèi)進行速度的平滑調(diào)節(jié)，并在負載發(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)、動態(tài)性能，并可準確、快捷地實時采集與存儲其動態(tài)參數(shù)，以此分析其動力性能是否滿足需求。主程序流程圖如圖5所示。

4試驗及結(jié)果分析

圖6為電動微耕機動力系統(tǒng)測試時，LCD顯示屏上電流、電壓、轉(zhuǎn)速信號的顯示。當前時刻電壓值為54.9v，電流值為3.1a，轉(zhuǎn)速值為629r/min，電機轉(zhuǎn)速將持續(xù)增長至2800r/min左右并保持恒定。當依次按下不同的按鍵時，將分別通過串口助手顯示該系統(tǒng)存儲的電流、電壓、轉(zhuǎn)速信號，并可保存成文本文檔，供后續(xù)分析數(shù)據(jù)使用。為了測試該電動微耕機數(shù)據(jù)采集與動力控制系統(tǒng)是否滿足設計需求，特在某區(qū)域進行了實地作業(yè)測試。如圖7所示為測試系列電壓下動力系統(tǒng)的動力特性曲線、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)。開始時隨著轉(zhuǎn)速的增加，扭矩值近似不變，當轉(zhuǎn)速增加到某一值時，扭矩值直線下降，保持功率不變。從曲線圖可看出，當轉(zhuǎn)速和扭矩在某一特定值附近時，可達到最佳效率區(qū)，由此可通過閉環(huán)PID控制使動力系統(tǒng)保持在該速度值附近。

5結(jié)論

本文設計了一種電動微耕機數(shù)據(jù)采集與動力控制系統(tǒng)，采用單片機作為其核心控制單元，基于PID算法對其動力系統(tǒng)進行恒轉(zhuǎn)速控制，提高了動力控制精度，降低了系統(tǒng)的復雜程度。為了便于電動微耕機產(chǎn)品開發(fā)過程中的調(diào)試與標定，系統(tǒng)設計了基于閉環(huán)霍爾式電流和電壓傳感器的信號采集模塊以及室內(nèi)調(diào)試用的上位機存儲模式和室外調(diào)試用的SD卡存儲模式，并且可通過LCD顯示模塊實時監(jiān)測各項動力參數(shù)與當前狀態(tài)。經(jīng)過測試，結(jié)果證明該系統(tǒng)可對電機進行高精度恒轉(zhuǎn)速控制，到達預定轉(zhuǎn)速迅速，并可準確、快捷地實時對各種動態(tài)參數(shù)進行采集與存儲。此外，該系統(tǒng)對電動微耕機的總布置基本無改動，成本低廉，操作方便，適用性好。在生產(chǎn)廠家對電動微耕機的調(diào)試過程中，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)存儲有利于工程師對控制算法進行調(diào)參和優(yōu)化。

參考文獻

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作者:柴媛欣 石晶 朱志強 單位:遼寧工業(yè)大學