基于MSP430F149的水稻插秧機(jī)水平智能控制系統(tǒng) 2011-04-26 16:58:10來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要：以超低功耗微處理器MSP430F149為核心，設(shè)計(jì)一種水稻插秧機(jī)的水平智能控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)插植部位置的實(shí)時(shí)、有效控制，保證插植部的傾角范圍控制在±4°以內(nèi)。介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)及結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)可靠性高、移植能力強(qiáng)，可控制的角度范圍在±45°以內(nèi)，可方便應(yīng)用于各種智能控制插秧機(jī)。
關(guān)鍵詞：MSP4310F149；插秧機(jī)；水平控制；智能控制；農(nóng)業(yè)機(jī)械

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化的發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的插秧機(jī)工作時(shí)，插秧深度位于同一水平面，當(dāng)遇到田地低陷時(shí)，秧苗的入土深度就會(huì)減少，反之，當(dāng)田土抬高時(shí)，秧苗的入土深度就會(huì)增加，在一定程度上會(huì)影響秧苗的存活率。因此需要一個(gè)控制系統(tǒng)，使插秧機(jī)的機(jī)身相對(duì)支撐的高度隨田地的起伏做相應(yīng)調(diào)整，控制插秧臂的工作高度，使秧苗的根部進(jìn)入泥土的深度基本保持一致。為此，這里設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)的水稻插秧機(jī)水平智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在插秧機(jī)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整控制插植部的水平高度，即使行走傾斜，但依靠?jī)A斜角度傳感器感應(yīng)也能夠保持插植部的水平。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是保證水稻插秧機(jī)在工作過(guò)程中的插秧質(zhì)量。在插秧機(jī)行走過(guò)程中，當(dāng)插植部偏離水平位置，傾斜角傳感器感應(yīng)后，信息以模擬信號(hào)形式發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)偏離程度，向電機(jī)控制器發(fā)送命令，來(lái)控制水平調(diào)整電機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位調(diào)整，使插植部保持水平，保證插秧質(zhì)量。該控制系統(tǒng)主要由傾斜角度傳感器、單片機(jī)MSP430F149系統(tǒng)、控制器、執(zhí)行電機(jī)等4部分構(gòu)成。圖l為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖。


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單片機(jī)MSP430F149作為核心部件，具有片內(nèi)集成的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，將傾斜角度傳感器所測(cè)得的插植部水平角度信號(hào)送入MSP430F149進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、處理和存儲(chǔ)并通過(guò)RS232通訊接口發(fā)送相應(yīng)的控制命令。傾斜角度傳感器要盡量安裝在使其敏感軸與插秧部的旋轉(zhuǎn)軸垂直，以保證傳感器工作在最佳的狀態(tài)。其測(cè)量范圍為±45°，輸入直流電壓8～24 V，輸出直流電壓0～5V，水平位置為基準(zhǔn)參考位置，基準(zhǔn)輸出電壓為2．5V。輸出電壓與測(cè)量角度的變化是標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系，即每1°的變化將引起直流輸出電壓56 mV的變化。
控制器采用高達(dá)32位的硬件PID器件，能完美實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的位置與速度控制，其所有的配置參數(shù)(驅(qū)動(dòng)模式、輸入／輸出設(shè)置等)及濾波參數(shù)都可以通過(guò)RS232口輸入并保存在運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)置存儲(chǔ)器(EEPROM)中，易于編程，同時(shí)該控制器還具備體積小巧，易于安裝，連接靈活等顯著特點(diǎn)。電機(jī)采用RE40系列直流電機(jī)，是一種高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)元件，它裝有高性能的稀土磁鋼，專(zhuān)利的空芯杯轉(zhuǎn)子是電機(jī)的核心，這使得電機(jī)具備小體積、低慣量的顯著特性，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到6930 r／min，額定扭矩為0．17 N·m，借助于精密的齒輪箱，可獲得更寬的轉(zhuǎn)矩范圍，外置HEDL5540編碼器，編碼器分辨率是500線。由于電機(jī)安裝位置有限，減速電機(jī)部分采用的是渦輪蝸桿減速電機(jī)，減速比為50：1，這樣電機(jī)扭矩可放大至8.5 N·m，完全能夠帶動(dòng)插植部。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)選用TI的超低功耗的MSP430F149型單片機(jī)，其工作電源電壓為1．8～3．6 V，具有5種省電模式，并且可方便地在各種工作模式之間切換，從待機(jī)模式喚醒只需6μs，內(nèi)部自帶參考基準(zhǔn)源、采樣保持和自動(dòng)掃描特性的12位A／D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)USART，具有豐富的片上外圍模塊。


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圖2是MSP430F149的主要外圍電路設(shè)計(jì)，以5 V電源供電，通過(guò)AMSlll7轉(zhuǎn)換成3．3 V供給MSP430F149，低頻時(shí)鐘源選擇為32．768 kHz，高頻時(shí)鐘源選擇為8 MHz，由于電路并不復(fù)雜，復(fù)位電路選擇簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路即可，RS232通信接口通過(guò)MAX232進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于輸入輸出及控制的端口，按定義連接并對(duì)相應(yīng)的寄存器設(shè)置和軟件編程即可。
傾斜角度傳感器發(fā)出的角度信號(hào)可選MSP430F149單片機(jī)的A0～A7任意一個(gè)引腳作為A／D模擬量輸入通道，采集信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理，得出控制電機(jī)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速的命令控制字符，并通過(guò)串口發(fā)送至控制器，控制電機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
MSP430F149采用C語(yǔ)言完成程序設(shè)計(jì)，可以在IAR軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試，程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。