基于STM32的煙葉采摘機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛 朝，趙冠南，朱 騏，冉云亮

（鄭州容大科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，農(nóng)業(yè)全程機(jī)械化也隨之推進(jìn)，煙葉種植的機(jī)械化也在快速的發(fā)展，但針對煙葉采摘的機(jī)械在我國還是相對比較落后，并且對機(jī)械運(yùn)行的控制更多的還是采用的純電氣控制，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)的控制。為此，本文設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)控制的，針對采摘機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛行走的無極調(diào)速，同時(shí)對車速進(jìn)行監(jiān)控；對采摘部件可以通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)，同時(shí)對采摘部件的各個(gè)模塊的運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)控；在機(jī)械進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候車速和采摘速度相互制約，以實(shí)現(xiàn)車速和采摘速度的匹配，提高采摘效率和降低對葉片的損害。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)采收機(jī)的智能化、人性化、靈活性和精確性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是STM32F103 系列單片機(jī)作為主控器。這個(gè)系列的微控制器具有價(jià)格便宜，可靠性高，應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。本控制系統(tǒng)主要是有車輛行走、煙葉采收和人機(jī)交互等3 部分組成，也是整個(gè)機(jī)器設(shè)備的核心部件。車輛行走主要是有車輛控制手柄、車輛驅(qū)動和車速檢測3 部分組成，這3 部分形成一個(gè)閉環(huán)的控制電路，實(shí)現(xiàn)對車輛行駛的平穩(wěn)控制。煙葉采收有驅(qū)動電路和速度檢測電路組成，采收部件的速度是由人機(jī)交互界面來設(shè)置，這個(gè)部分也形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過這個(gè)閉環(huán)的方式加強(qiáng)了對采收部件的控制，能夠提高采收機(jī)的采收效率和采收效果。人機(jī)交互模塊改變了原有的操作不方便的現(xiàn)狀，這種方式使現(xiàn)有的機(jī)器的操作和控制比較人性化。除了3個(gè)關(guān)鍵部件之外還增加了一個(gè)定位部件——北斗模塊，通過北斗能夠統(tǒng)一管理采收機(jī)的使用情況，并能夠進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度，更有效率的使用采收機(jī)。采用北斗還有一個(gè)目的就是測量采收機(jī)的行駛速度，但這個(gè)速度并不參與采收機(jī)的作業(yè)控制，主要是因?yàn)楸倍窚y速有一定的滯后性，跟不上采收機(jī)作業(yè)時(shí)對于速度信號的需要，采收機(jī)在作業(yè)時(shí)對速度檢測要求實(shí)時(shí)性很高，不能有滯后性。硬件設(shè)計(jì)框圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件的框架Fig.1 The system hardware framework

1.1 主控制器

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的主控器采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ARM 系列芯片——STM32F103RCT6，該芯片使用的是ARM 公司的Cortex-M3 內(nèi)核，具有最高72MHz 的主頻，包含豐富的嵌入模塊。此芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入信號的快速反應(yīng)，并且對于車輛的精細(xì)化控制能夠達(dá)到理想的效果。

在本設(shè)計(jì)中使用了主控芯片的定時(shí)器模塊、ADC 模塊、USART模塊、CAN模塊等嵌入的硬件模塊。定時(shí)器模塊主要是使用其PWM輸出和PWM捕獲功能，PWM功能是用來控制行車和采收部件，主要是實(shí)現(xiàn)對這2 個(gè)模塊的速度調(diào)控；PWM 捕獲是用來獲取運(yùn)動部件的速度，速度檢測傳感器使用的是脈沖類型的。ADC 模塊是用來獲取行車的控制信號和車輛狀態(tài)信號的，車輛的手柄的信號和車輛檢測傳感器采用的是模擬信號輸出，此芯片自帶的ADC 模塊是12 位車轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，所以就直接采用MCU自身所帶的ADC模塊。USART模塊是用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的，本設(shè)計(jì)使用的是串口的觸摸顯示屏。CAN 模塊是為了實(shí)現(xiàn)控制器和ECU之間的數(shù)據(jù)通信的，實(shí)時(shí)的獲取到發(fā)動機(jī)的狀態(tài)，并在顯示屏上顯示出來。在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)通信接口，以便后續(xù)對控制器的升級，增加上位機(jī)處理功能。主控器的最小系統(tǒng)電路，見圖2。

圖2 主控器最小系統(tǒng)Fig.2 The minimum system of main controller

1.2 電源電路模塊

電源電路模塊是由3 部分組成，一路是輸出12 V 的電路，一路是輸出5 V的電路，一路是輸出3.3 V的電路。

12 V 輸出電路是用來驅(qū)動液壓控制器的電壓，由于車輛的供電電壓是12 V，所以該電路不需要進(jìn)行降壓，在設(shè)計(jì)時(shí)只需要進(jìn)行電路的隔離和保護(hù)就可以了。

5 V 輸出電路是用來給各外置的功能模塊進(jìn)行供電，同時(shí)也給3.3 V 電源電路提供電源，為了給設(shè)備提供穩(wěn)定的電源和足夠的功率，所以這里選用的是LM2596-5.0 的開關(guān)型穩(wěn)壓芯片，該芯片最大輸出電流為3 A，能夠滿足整個(gè)控制的需求。由于系統(tǒng)的電源是由采收機(jī)的供電電瓶提供的，所以在開機(jī)會出現(xiàn)瞬間高電壓的沖擊，本系統(tǒng)做一個(gè)保護(hù)電路。D1 是一個(gè)肖特基二極管，用來防止電源反接，如果電源輸入接反之后，D1處于高阻態(tài)狀態(tài)，電源不能形成回路，后面電路就不會有電，對電路起到保護(hù)作用，見圖3。

圖3 5V電源電路Fig.3 The 5V power supply circuit

3.3 V輸出電路是主要用來給控制器最小系統(tǒng)供電的，為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，該電路能否穩(wěn)定可靠的輸出是非常重要的。在該系統(tǒng)中為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和模擬控制信號檢測的可靠性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路的3.3 V 電源，一路用來給數(shù)字信號供電，一路給模擬信號供電。本系統(tǒng)3.3 V電路采用的是線性穩(wěn)壓芯片，主要是保證模擬信號的電源穩(wěn)定性，見圖4。

圖4 3.3V電源電路Fig.4 The 3.3V power supply circuit

1.3 驅(qū)動電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路能夠驅(qū)動2A 的負(fù)載，為了防止大功率負(fù)載在工作時(shí)對控制器形成干擾和沖擊，在設(shè)計(jì)電路時(shí)采用了非接觸式隔離的方式，并且還能實(shí)現(xiàn)低壓信號控制相對高壓的驅(qū)動電壓，保證有足夠的功率驅(qū)動負(fù)載。隔離電路采用的是FD817 光耦來實(shí)現(xiàn)的，驅(qū)動芯片采用的是MOS管，使用的是MOS 能夠有5A 的驅(qū)動電流。R6 是限流電阻，對驅(qū)動光耦的電壓進(jìn)行限制，由于光耦的驅(qū)動是電流型的，所以加這個(gè)限流電阻是防止驅(qū)動電流過高損壞光耦。E1 是用來濾波的電容，這里采用的是電解電容，由于這里電源是直接取自電瓶，所以在設(shè)備工作時(shí)會出現(xiàn)電壓的不穩(wěn)定現(xiàn)象，電解電容在這里就是為了保證電源不會有瞬間的波動，使外部設(shè)備能夠穩(wěn)定的工作。R5是上拉電阻，這里的采用的是P溝道MOS管，上拉電阻在這里的作用是為了保證MOS管能夠穩(wěn)定的斷開，保證電路的可靠性和穩(wěn)定性。驅(qū)動電路，見圖5。

圖5 驅(qū)動電路Fig.5 The drive circuit

1.4 速度檢測電路模塊

速度檢測對采摘機(jī)來說是很重要的部分，因?yàn)樵谡w設(shè)計(jì)中，行車速度和采摘速度是需要匹配的。在早前的設(shè)備中是需要靠駕駛員來實(shí)現(xiàn)兩者的匹配，這樣的設(shè)計(jì)就對駕駛員的要求比較高，如果是新手駕駛的話，就會出現(xiàn)漏采的現(xiàn)象?，F(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化程度越來越高，在新設(shè)計(jì)的控制器中增加了運(yùn)動模塊的速度采集，以實(shí)現(xiàn)采收的智能化程序。本采集模塊使用了三線編碼器和高速霍爾傳感器。R96、R97、R98為信號的上拉電阻，由于編碼器是一個(gè)脈沖信號，并且是高電平有效的信號，上拉電阻的作用就是保證脈沖信號的有效性，以避免丟失數(shù)據(jù)；C50、C51、C52 是用做信號濾波的，由于該系統(tǒng)是使用到煙草機(jī)械上的，那么在設(shè)備使用中會因?yàn)闄C(jī)械的震動等原因而產(chǎn)生的高頻脈沖，通過濾波電容去除掉這些高頻脈沖的干擾。U41 是用來隔離的，這個(gè)電路是采集的高頻霍爾開關(guān)信號，這個(gè)信號是＞5 V 的電壓信號，所以使用U41 起到一個(gè)高低壓信號隔離的作用，同時(shí)還能隔離霍爾信號多單片機(jī)的沖擊和干擾，R101是用作限流的，但R101和C57 一起構(gòu)成了一個(gè)RC 濾波電路，對信號進(jìn)行一個(gè)濾波處理，防止設(shè)備的干擾。速度檢測電路，見圖6。

圖6 速度檢測電路Fig.6 Th espeed detection circuit

1.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互采用的是工業(yè)顯示屏，該屏是電阻觸摸屏。選擇電阻觸摸屏是考慮到農(nóng)業(yè)機(jī)械所使用的的環(huán)境，電阻觸摸屏在高溫、土塵的環(huán)境下能夠可靠的使用，保證了設(shè)備的可靠性。為了保證控制器和顯示屏通信的可靠性，采用的是485 通信。此電路設(shè)計(jì)中用電平穩(wěn)定電路，電路保護(hù)電路以及濾波電路，R142 和R144 是用來穩(wěn)定電平信號的，C86 是芯片電源旁路和濾波的，D4 是TVS 管，用來防止外部信號對芯片產(chǎn)生沖擊的，起到保護(hù)的作用。通信電路，見圖7。

圖7 人機(jī)交互通信電路Fig.7 The human computer interaction communication circuit

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車輛的控制程序主要是有兩部分組成：一個(gè)是車輛行走控制，一個(gè)是采收部件控制。在整機(jī)系統(tǒng)中這兩部分還要聯(lián)動進(jìn)行工作。

2.1 系統(tǒng)的整體程序設(shè)計(jì)

采收部件控制是整體控制的關(guān)鍵，也是整車性能好壞的關(guān)鍵。系統(tǒng)上電后，首先是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后是檢測整車狀態(tài)，如果車輛沒有問題才可以進(jìn)行車輛的操作，否則不能進(jìn)行車輛的操作。系統(tǒng)的軟件控制分為步進(jìn)模塊、行車模塊、采收模塊和人機(jī)交互模塊，在這些模塊中采收模塊和行車模塊之間是有一定的制約的。在轉(zhuǎn)場的時(shí)候采收和行車是沒有關(guān)系的，車輛在采收作業(yè)的時(shí)候采收模塊對行車模塊是有一定的制約的。在采收作業(yè)時(shí)行車的速度是受到采收作業(yè)速度的影響的，車輛的行駛速度是有一個(gè)和采收設(shè)置速度相匹配的值的，車輛行駛速度可以低于這個(gè)匹配速度，但不能高于這個(gè)速度，如果高于這個(gè)速度的話，會直接影響煙葉的采收破損率和采凈率。人機(jī)交互是用來顯示車輛狀態(tài)和對車輛的一些參數(shù)的設(shè)置和矯正的，主要是采用的觸摸顯示屏。整機(jī)流程圖，見圖8。

圖8 系統(tǒng)流程圖Fig.8 The system flow chart

2.2 行車控制設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)針對的是液壓行走驅(qū)動的設(shè)備，車輛的控制有一個(gè)很大的難題，就是設(shè)備動作響應(yīng)的滯后性，也就是說從控制器發(fā)出控制信號到設(shè)備響應(yīng)之間有一個(gè)時(shí)間差。需要在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候把這個(gè)時(shí)間差給考慮進(jìn)去，已達(dá)到控制的可靠性。這個(gè)在設(shè)計(jì)時(shí)參考了PID 的控制的原理，實(shí)現(xiàn)對車輛行駛的閉環(huán)控制。手柄是用來控制車輛的行走速度、停車和駐車的，手柄信號傳送到控制器上，通過控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出速度調(diào)節(jié)信號，然后再檢測車輛行駛速度，進(jìn)行反饋控制，使用模糊PID的方式對車輛速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。車輛行駛控制流程圖，見圖9。

圖9 行車控制流程圖Fig.9 The traffic control flow chart

2.3 采收器控制設(shè)計(jì)

采收器是需要根據(jù)現(xiàn)場的情況進(jìn)去調(diào)節(jié)速度的，這是本設(shè)備比較關(guān)鍵的部分，也是整個(gè)車輛的是核心部件之一。采收器的速度通過人機(jī)交互來進(jìn)行設(shè)置，并在界面上顯示采收器各個(gè)部件的實(shí)際速度，然后在進(jìn)行人工調(diào)整。之所以采用這種方式來對采收器進(jìn)行速度設(shè)置是因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的特性，液壓在遇到阻力之后會出現(xiàn)速度變慢或是停滯的現(xiàn)象，而且液壓響應(yīng)速度慢也是一個(gè)弊端，為了適應(yīng)實(shí)際需要在這里采用的是人工調(diào)控和實(shí)時(shí)檢測的方式，而沒有采用PID 的閉環(huán)控制方式。

通過人機(jī)交互對采收模塊所需要的速度進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成之后啟動采收，控制器輸出采收器驅(qū)動信號，驅(qū)動采收器工作，然后檢測采收器各部件的速度，最重要的是采收刀的速度，通過模塊PID對采收架的速度進(jìn)行調(diào)控，以保證采收架的速度盡量勻速?？刂屏鞒虉D，見圖10。

圖10 采收流程圖Fig.10 The recovery flow chart

2.4 人機(jī)交互模塊

本系統(tǒng)采用人機(jī)交互主要目的是為了提高設(shè)備的人性化和智能化，以降低設(shè)備對操作人員的技術(shù)能力的要求。此模塊顯示的內(nèi)容包含車輛狀態(tài)顯示、報(bào)警內(nèi)容顯示、參數(shù)設(shè)置和調(diào)試控制等主要內(nèi)容。車輛狀態(tài)顯示主要有油量、液壓油溫、車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速以及采收模塊各模塊的速度。報(bào)警內(nèi)容顯示主要有各個(gè)模塊控制信號輸出異常報(bào)警、油量報(bào)警、液壓油溫度報(bào)警以及發(fā)動機(jī)狀態(tài)報(bào)警。參數(shù)設(shè)置主要有油量矯正、采收模塊速度設(shè)置以及作業(yè)時(shí)匹配車速設(shè)置。調(diào)試控制主要是為了方便在車輛出廠時(shí)的調(diào)試和現(xiàn)場維修使用，通過這個(gè)功能可以獨(dú)立控制車輛上的每一個(gè)運(yùn)動部件運(yùn)行，這樣的設(shè)計(jì)可以節(jié)省調(diào)試和維修的時(shí)間，并且可以降低對裝配和現(xiàn)場維修人員的專業(yè)技術(shù)能力的要求。

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)改變了之前的電氣控制或PLC 控制的方式，相對之前的設(shè)計(jì)，一是降低了成本，二是提高了控制系統(tǒng)的智能性、靈活性和精細(xì)控制，在很大程度上提高了煙葉采收機(jī)的靈活性和機(jī)動性能。

該設(shè)計(jì)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)更加的人性化，對農(nóng)機(jī)手的要求更低，不需要進(jìn)行相關(guān)的專業(yè)培訓(xùn)就能夠做到對采收機(jī)的快速掌握和熟練應(yīng)用。