精密播种之电子驱动系统设计

保定科技职业学院 071000 于拴道 唐尧华 张江亚

精密播种之电子驱动系统设计

保定科技职业学院 071000 于拴道 唐尧华 张江亚

本文研究的排种自动控制系统是依据前轮转速控制排种，在排种量、粒距和前轮转速之间建立关系，并以单片机为核心，配以测速装置、驱动装置及处理电路，输出合理驱动脉冲驱动步进电机的转动，进而带动排种器轴转动达到均匀排种目的的一种电子驱动系统方案。

播种机；控制装置；传感器；步进电机；排种器

前言

本设计针对播种机地轮打滑严重影响播种质量的问题，采用智能控制器（单片机）测量播种机作业速度,并根据测得的速度动态调节电机转速，用微处理器及传感器，对播种机播种过程进行检测、监控，把播种速度与机具前进速度联系起来；采用步进电机驱动排种轴，使步进电机及排种轴转速与播种机作业速度一致。达到提高播种质量的实用精密播种控制目的。

1 系统硬件设计

1.1 传感器系统及测速部分设计

田间现场作业时由于环境恶劣，经常会有尘土飞扬的情况，有时情况会非常严重，这样就会影响到光电传感器的作业效果。因此考虑到现场作业环境对光电传感器的影响，霍尔传感器与被测对象无接触、使用寿命长等优点，本设计选用开关型霍尔传感器测量播种机转速。在拖拉机前轮轴轴承套内端面上贴装圆周均布磁片，霍尔检测传感器固定于前轮的转向支架处。

1.2 主板及相关硬件设计

本设计硬件系统由三部分组成：单片机应用系统、步进电动机控制模块、传感器信号调理模块。本实验单片机系统用来显示拖拉机实时作业速度。

（1）单片机应用系统及相关模块

本设计采用MSP430F149单片机作为系统的核心。MSP430系列单片机是一种16位的单片机，它具有集成度高、外围设备丰富、超低功耗、体积小、功能强、面向控制的特点，具有很高的性能价格比等优点。

本系统所使用的主要端口及相关模块简述如下：

1 ）单片机系统电源。3.3V电源由芯片LM 3940提供。

2 ）P1.1为外部信号输入端。从传感器出来的脉冲信号经过滤波放大整形后输入到此引脚，见图1。

图1 传感器

3 ）传感器信号采集输入电路

速度传感器选用H—JK系列霍尔传感器，它是一种新型差动开关式霍尔传感器，传感器在内部集成了调理、滤波电路，不仅大大简化了系统主板的设计，还使得传感器抗干扰性能得到了很大提高。

主板上信号采集、输入电路见图1。传感器电源引脚接JP1的1号脚，信号引脚接JP1的2号脚，传感器负级接JP1的3号脚做为地线。R1为上拉电阻，R2为一个1K电阻，以滤掉主板接地端其他信号干扰。

信号时序见图2。

图2 传感器输出与光耦输出信号时序

定时器B它是一个16位的定时/计数器。本设计TimerB是用来定时时间为1ms，即每隔1ms中断一次，检测一下是否有脉冲到来，有脉冲到来就计算时间，没有就继续检测。

（2）步进电动机控制电路

步进电动机不能直接接到电源上工作，且其功率一般远高于数字电路驱动能力，必须使用专用步进电动机驱动设备，按照数字控制系统要求状态，顺序不断的产生各相导通或截止的信号，以驱动步进电动机正常工作。步进电动机驱动系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，很大程度上也取决于驱动部分的优劣。步进电动机驱动设备的主要构成如图所示，一般由分配器、信号处理级、推动级、驱动级、保护线路等组成。

（3）系统的硬件抗干扰设计

本系统应用于农业生产过程，而农业生产环境往往比较恶劣，外部干扰源较多，而系统自身因电源、输电线路都存在内阻，也会引起噪声干扰。故系统工作是否可靠，其抗干扰性能如何是衡量开发成功与否的重要指标。

过程通道是前向接口、后向接口与主机间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输干扰是干扰的主要因素。为了保证长线传输可靠性，主要措施有光电耦合隔离、双绞线传输、阻抗匹配等。采用光电耦合器可以将主机与前向、后向及其他部分切断电路上的联系，能有效地防止干扰从过程通道窜入主机。

2 系统软件设计简介

2.1 软件总体结构

软件系统采用模块化设计，为了完成上述功能，系统软件主要分为一下几个模块：自检模块、初始化模块，测控模块。各模块关系如图3所示。

图3 软件系统流程图

2.2 程序控制

系统以步进电机为执行元件，单片机脉冲输出即为控制步进电机进行工作的信号。此信号经步进电机驱动电源的脉冲分配和功率驱动，控制步进电机进行工作。

2.3 软件抗干扰设计

单片机应用系统在现场使用时，由于大量干扰源的存在，常常会使系统不能正常运行。虽然通过优化硬件电路可以减弱干扰的影响，但干扰仍然时常发生，因此软件抗干扰就成为了一条有效措施。本软件采用的抗干扰方法主要有以下几种：

（1）指令冗余技术

在程序中人为地插入单字节指令NOP，以增加系统抗干扰能力。

（2）软件陷阱技术

当跑飞程序进入非程序区时，通过设定软件陷阱来拦截，把跑飞的程序重新引入到系统的复位入口处。

（3）看门狗技术（WDT）

合理地在看门狗溢出的地方清除看门狗定时器的内容，当程序出现异常时重新启动系统。看门狗的控制和功能实现主要是通过设置WDTCTL寄存器来实现。

本文采用设定寄存器来进行对看门狗的控制。

3 结论

本装置经田间试验验证，通过计算变异系数对播种均匀性进行分析，实验结果表明系统软硬件工作正常，能够依据作业速度实时调节排种装置，克服了因地轮打滑造成的播种不均匀，从而实现了精量播种。用本装置驱动排种器排种的播种效果表1所示。

表1

可以看出电机驱动时播种质量明显提高。

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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，电子工程师，高级技师，籍贯河北保定。1982年毕业于吉林工业大学应用物理专业，学士学位。