电动微耕机数据采集与系统设计

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摘要：设计一种以单片机STC89C52RC为核心的电动微耕机数据采集与动力控制系统，其通过控制PWM占空比来调节电机转速，通过电流传感器检测实时电流信号、电压传感器检测实时电压信号、电机控制器输出实时转速信号、LCD液晶显示和存储模块为一体的电动微耕机数据采集与动力控制系统，达到提高电动微耕机作业质量，减少能耗，降低工作成本等目的。试验结果表明：该电动微耕机数据采集与动力控制系统，可在一定的范围内进行速度的平滑调节，并在负载发生变化的情况下保持转速基本不变，具有良好的稳态、动态性能，并且该系统能够实时显示、记录电动微耕机作业时的各项指标变化情况，以此可对电动微耕机动力系统进行优化匹配，使其满足其动力性及经济性的需求。

关键词：单片机STC89C52RC；电动微耕机；数据采集；动力控制

传统微耕机以柴油机或汽油机为动力源，体积较大，转向不灵活，不易于年老体弱者及女性使用，在恶劣工作环境下，容易发生熄火现象，且其排放的尾气对环境造成严重污染，尤其不适用于温室大棚等密闭空间的耕作[1]。基于上述问题，近年来，新型电动微耕机产品逐渐取缔了传统微耕机，其采用电动机为动力源，具有体积小，操作简便，无污染等优点[2]。因此，本文设计了一种基于单片机STC89C52RC的电动微耕机数据采集与动力控制系统，将该系统安装在电动微耕机样机上，采用单片机对其动力系统进行实时控制，改善了电动微耕机的工作质量，降低了工作成本，并实时检测与存储电动微耕机的各项指标参数，分析其动态工作性能，以此对其动力系统进行优化匹配。

1系统总体方案设计

电动微耕机数据采集与动力控制系统主要由单片机STC89C52RC、电流传感器、电压传感器、电流变送器、A/D转换模块、LCD显示模块、SD卡存储模块、电源模块等组成[3]。如图1所示，该系统以单片机为核心，控制PWM在一段连续工作时间内的占空比，以此对动力系统进行控制。电流传感器输出的电流信号通过电流变送器转换成电压信号，与电压传感器输出的电压信号共同被A/D转换模块采集；电机控制器输出的转速信号可直接被单片机采集；电源模块为单片机提供电力源；单片机采集的电流、电压、转速信号可在LCD显示屏上进行实时显示，并将数据存储到SD卡存储模块[4]。

2系统硬件设计

2.1数据采集模块的设计。数据采集模块由单片机、闭环霍尔传感器、电流变送器等组成，如图2所示。单片机STC89C52RC内置8K字节可编程Flash存储器，512bit的RAM，2K的E2PROM，3个16位定时器/计数器，32位的通用I/O控制端口[5]。由于霍尔传感器具有测量范围广，响应速度快，动态性能好，可靠性高等优点，故该模块采用霍尔传感器[6]。被测电线穿过霍尔电流传感器，M端输出电流信号；电流信号从电流变送器的IN+端口输入，IN—端口接地，OUT+端口输出电压信号，OUT—端口接地；电压传感器的IN+端口和IN—端口与电机控制器的供电电源端相连，M端输出电压信号，⊥端接地；A/D转换模块的AIN2端口采集电流变送器输出的电压信号，AIN1端口采集电压传感器输出的电压信号，进行模数转换；单片机STC89C52RC的P35引脚采集的是电机控制器OUT端口输出的转速脉冲信号，P36引脚与A/D转换模块的数据端口SDA连接，P37引脚与A/D转换模块的时钟信号端口SCL连接。通过该数据采集模块，单片机可实时采集电动微耕机作业时的电流、电压与转速信号[7]。2.2数据显示模块的设计。电动微耕机数据显示模块选用的LCD为STN类像素为128*64黑白字符图形式的12864液晶屏。数据显示模块电路如图3所示，LCD液晶屏的PAUSE端口与单片机STC89C52RC的P3.0端口相连；RES端口与单片机STC89C52RC的P2.1端口相连；PSB端口与单片机STC89C52RC的P2.3端口相连；RS端口与单片机STC89C52RC的P2.4端口相连；RW端口与单片机STC89C52RC的P2.5端口相连；E端口与单片机STC89C52RC的P2.6端口相连。通过该数据显示模块，可实时显示电动微耕机作业时的电流、电压与转速信号[8]。2.3数据存储模块的设计。电动微耕机数据存储模块通过文件系统及SPI接口驱动程序，即可完成MicroSD卡内的文件读写。数据存储模块电路如图4所示，其控制接口共有6个引脚，其中GND为地，VCC为供电电源，MISO、MOSI、SCK为SPI总线，分别与单片机STC89C52RC的P1.4，P1.5和P1.6引脚连接；CS为片选信号脚，与单片机STC89C52RC的P1.7引脚连接。通过该数据存储模块，可实时存储电动微耕机作业时的电流、电压与转速信号。

3系统软件设计

电动微耕机数据采集与动力控制系统的软件程序采用C语言编写，每10ms采样一次。在电动微耕机产品开发过程中，将该系统安装在电动微耕机样机上，使其在工作时可在一定的范围内进行速度的平滑调节，并在负载发生变化的情况下能够保持转速基本不变，具有良好的稳态、动态性能，并可准确、快捷地实时采集与存储其动态参数，以此分析其动力性能是否满足需求。主程序流程图如图5所示。

4试验及结果分析

图6为电动微耕机动力系统测试时，LCD显示屏上电流、电压、转速信号的显示。当前时刻电压值为54.9v，电流值为3.1a，转速值为629r/min，电机转速将持续增长至2800r/min左右并保持恒定。当依次按下不同的按键时，将分别通过串口助手显示该系统存储的电流、电压、转速信号，并可保存成文本文档，供后续分析数据使用。为了测试该电动微耕机数据采集与动力控制系统是否满足设计需求，特在某区域进行了实地作业测试。如图7所示为测试系列电压下动力系统的动力特性曲线、效率特性曲线图。其中A为外特征曲线，B为效率区分割线，C为最高效率区。开始时随着转速的增加，扭矩值近似不变，当转速增加到某一值时，扭矩值直线下降，保持功率不变。从曲线图可看出，当转速和扭矩在某一特定值附近时，可达到最佳效率区，由此可通过闭环PID控制使动力系统保持在该速度值附近。

5结论

本文设计了一种电动微耕机数据采集与动力控制系统，采用单片机作为其核心控制单元，基于PID算法对其动力系统进行恒转速控制，提高了动力控制精度，降低了系统的复杂程度。为了便于电动微耕机产品开发过程中的调试与标定，系统设计了基于闭环霍尔式电流和电压传感器的信号采集模块以及室内调试用的上位机存储模式和室外调试用的SD卡存储模式，并且可通过LCD显示模块实时监测各项动力参数与当前状态。经过测试，结果证明该系统可对电机进行高精度恒转速控制，到达预定转速迅速，并可准确、快捷地实时对各种动态参数进行采集与存储。此外，该系统对电动微耕机的总布置基本无改动，成本低廉，操作方便，适用性好。在生产厂家对电动微耕机的调试过程中，数据采集，数据显示以及数据存储有利于工程师对控制算法进行调参和优化。

参考文献

[1]郭晨星.电动微耕机的分析与设计研究[D].太原:太原理工大学,2018.

[2]张强,杨光友.基于STM32单片机控制的电动微耕机研制[J].农机化研究,2019(7):100-109.

[3]闫世杰,张曙光,彭晓云.基于STC12C5A60S2单片机设计的水源地信息采集装置[J].中国农机化学报,2014,35（4）:283-285.

[4]孔庆光.异步电动机信号采集及状态监测系统的设计[J].宁德师范学院学报(自然科学版),2017,29（3）:301-305.

[5]刘健.基于STC89C52RC单片机实验系统的设计与开发[D].长沙:湖南大学,2013.

[6]王瑗,潘葳.集成霍尔传感器特性测量与应用实验的改进[J].物理实验,2018,38（11）:28-30.

[7]李国强,谢永成,魏宁.基于单片机的直流电动机的信号采集系统设计[J].计算机测量与控制,2017,25(3):176-179.

[8]杨阳,浦瀚,郭晓凤.基于STC89C52单片机压力测试与显示系统研究[J].电子设计工程,2018,26(19):157-160.

作者:柴媛欣 石晶 朱志强 单位:辽宁工业大学