基于MSP430F149的水稻插秧机水平智能控制系统 2011-04-26 16:58:10来源:互联网

摘要:以超低功耗微处理器MSP430F149为核心,设计一种水稻插秧机的水平智能控制系统。该控制系统实现对插植部位置的实时、有效控制,保证插植部的倾角范围控制在±4°以内。介绍了系统的组成结构、软硬件设计及结果分析。实验证明该控制系统可靠性高、移植能力强,可控制的角度范围在±45°以内,可方便应用于各种智能控制插秧机。
关键词:MSP4310F149;插秧机;水平控制;智能控制;农业机械

随着我国农业机械化、智能化的发展,对农业机械的要求越来越高。传统的插秧机工作时,插秧深度位于同一水平面,当遇到田地低陷时,秧苗的入土深度就会减少,反之,当田土抬高时,秧苗的入土深度就会增加,在一定程度上会影响秧苗的存活率。因此需要一个控制系统,使插秧机的机身相对支撑的高度随田地的起伏做相应调整,控制插秧臂的工作高度,使秧苗的根部进入泥土的深度基本保持一致。为此,这里设计了一种基于MSP430F149单片机的水稻插秧机水平智能控制系统,该系统可以在插秧机工作过程中实时调整控制插植部的水平高度,即使行走倾斜,但依靠倾斜角度传感器感应也能够保持插植部的水平。

1 系统整体方案设计
该系统设计的主要目的是保证水稻插秧机在工作过程中的插秧质量。在插秧机行走过程中,当插植部偏离水平位置,倾斜角传感器感应后,信息以模拟信号形式发送给单片机,单片机会根据偏离程度,向电机控制器发送命令,来控制水平调整电机实现复位调整,使插植部保持水平,保证插秧质量。该控制系统主要由倾斜角度传感器、单片机MSP430F149系统、控制器、执行电机等4部分构成。图l为系统整体设计框图。


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单片机MSP430F149作为核心部件,具有片内集成的12位A/D转换模块,将倾斜角度传感器所测得的插植部水平角度信号送入MSP430F149进行A/D转换、处理和存储并通过RS232通讯接口发送相应的控制命令。倾斜角度传感器要尽量安装在使其敏感轴与插秧部的旋转轴垂直,以保证传感器工作在最佳的状态。其测量范围为±45°,输入直流电压8~24 V,输出直流电压0~5V,水平位置为基准参考位置,基准输出电压为2.5V。输出电压与测量角度的变化是标准的线性关系,即每1°的变化将引起直流输出电压56 mV的变化。
控制器采用高达32位的硬件PID器件,能完美实现对直流电机的位置与速度控制,其所有的配置参数(驱动模式、输入/输出设置等)及滤波参数都可以通过RS232口输入并保存在运动控制器的内置存储器(EEPROM)中,易于编程,同时该控制器还具备体积小巧,易于安装,连接灵活等显著特点。电机采用RE40系列直流电机,是一种高质量的驱动元件,它装有高性能的稀土磁钢,专利的空芯杯转子是电机的核心,这使得电机具备小体积、低惯量的显著特性,电机额定转速能达到6930 r/min,额定扭矩为0.17 N·m,借助于精密的齿轮箱,可获得更宽的转矩范围,外置HEDL5540编码器,编码器分辨率是500线。由于电机安装位置有限,减速电机部分采用的是涡轮蜗杆减速电机,减速比为50:1,这样电机扭矩可放大至8.5 N·m,完全能够带动插植部。

2 系统硬件电路设计
本系统选用TI的超低功耗的MSP430F149型单片机,其工作电源电压为1.8~3.6 V,具有5种省电模式,并且可方便地在各种工作模式之间切换,从待机模式唤醒只需6μs,内部自带参考基准源、采样保持和自动扫描特性的12位A/D转换器,2个USART,具有丰富的片上外围模块。


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图2是MSP430F149的主要外围电路设计,以5 V电源供电,通过AMSlll7转换成3.3 V供给MSP430F149,低频时钟源选择为32.768 kHz,高频时钟源选择为8 MHz,由于电路并不复杂,复位电路选择简单的RC复位电路即可,RS232通信接口通过MAX232进行驱动,用于输入输出及控制的端口,按定义连接并对相应的寄存器设置和软件编程即可。
倾斜角度传感器发出的角度信号可选MSP430F149单片机的A0~A7任意一个引脚作为A/D模拟量输入通道,采集信号经运算处理,得出控制电机转向转速的命令控制字符,并通过串口发送至控制器,控制电机完成相应的动作。

3 系统软件设计
MSP430F149采用C语言完成程序设计,可以在IAR软件中进行仿真调试,程序设计流程如图3所示。