基于Linux的自動(dòng)超越補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

葛世強(qiáng)，陳大鵬，洪草根（江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港222061）

基于Linux的自動(dòng)超越補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

葛世強(qiáng)，陳大鵬，洪草根
（江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港222061）

以S3C2440A微處理器為核心，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的排種器漏播自補(bǔ)種控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以激光傳感器監(jiān)測(cè)漏種、霍爾傳感器監(jiān)測(cè)排種器轉(zhuǎn)速，通過(guò)監(jiān)測(cè)排種器內(nèi)部漏充種情況提前預(yù)知漏播，提出了一種基于超越離合器的漏播自補(bǔ)種控制算法，控制排種器自身的超越旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)種，設(shè)計(jì)了可視化交互界面監(jiān)控播種情況和故障報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：漏種監(jiān)測(cè)和轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為100%，系統(tǒng)的補(bǔ)種成功率和補(bǔ)種后粒距合格指數(shù)在19.96 r/min轉(zhuǎn)速以下能達(dá)到100%，在19.96 r/min以上時(shí)達(dá)到98%，補(bǔ)種及時(shí)，準(zhǔn)確。

監(jiān)控系統(tǒng)；嵌入式；漏播補(bǔ)種；自動(dòng)控制

0　引言

精量播種具有省種、省工、省時(shí)、高產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是緩解糧食缺口，解決季節(jié)性勞動(dòng)力短缺的有效手段，精量播種是未來(lái)發(fā)展的方向［1，2］。但由于排種系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用條件的限制，目前機(jī)械式精量播種機(jī)漏播現(xiàn)象嚴(yán)重，以玉米為例，平均漏播率在10%以上［3，4］，按4500株/667 m2種植，每株250 g，漏播空穴周?chē)倪呺H效應(yīng)按2%計(jì)算［5，6］，則玉米漏播損失在1654 kg/hm2以上。若出苗后在漏播位置人工補(bǔ)種或人工移栽，終因生長(zhǎng)差異不能正常生長(zhǎng)，需采用漏播補(bǔ)種裝置在播種時(shí)高質(zhì)量的自動(dòng)補(bǔ)種［7］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)漏播自補(bǔ)種已有一定的研究，但只是在已有排種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，額外加裝了一套補(bǔ)種系統(tǒng)，或者僅是通過(guò)兩套排種系統(tǒng)同時(shí)工作來(lái)減少漏播率，不僅系統(tǒng)龐雜，而且采用的排種管內(nèi)監(jiān)測(cè)方式存在補(bǔ)種位置滯后、不準(zhǔn)確等問(wèn)題［8～11］。

本文研究在大籽粒作物漏播自補(bǔ)種裝置［12］基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的漏播自補(bǔ)種控制系統(tǒng)，旨在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提前預(yù)知漏播，實(shí)現(xiàn)排種器自身超越旋轉(zhuǎn)自動(dòng)補(bǔ)種，提高播種質(zhì)量。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)是大籽粒作物排種漏播自補(bǔ)種裝置，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置利用超越離合器的單向鎖合原理，集排種器與補(bǔ)種裝置為一體，能夠在不干涉動(dòng)力源的情況下使排種器加速旋轉(zhuǎn)補(bǔ)種。本控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)排種器內(nèi)部，提前預(yù)知漏播，根據(jù)監(jiān)測(cè)的漏種信息和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制算法計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的補(bǔ)種轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角度，驅(qū)動(dòng)排種器自身加速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位置無(wú)偏差補(bǔ)種并能夠故障報(bào)警。

圖1　大籽粒作物漏播自補(bǔ)種裝置Fig 1　Automatic reseeding device of large grain crops

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

漏播自補(bǔ)種控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　漏播自補(bǔ)種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2　Structure diagram of automatic reseeding control system

系統(tǒng)的核心處理器是S3C2440A，主要完成排種器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和補(bǔ)種時(shí)機(jī)、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的計(jì)算、LCD觸控顯示器的驅(qū)動(dòng)以及控制算法的實(shí)施；漏種監(jiān)測(cè)傳感器采集漏種信息；速度傳感器采集排種速度；LCD觸控顯示器用于調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示播種數(shù)、漏播數(shù)、排種速度、粒距等信息；步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)排種器加速旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行補(bǔ)種操作；地輪電機(jī)及調(diào)速器模擬地輪為排種器提供正常作業(yè)時(shí)提供動(dòng)力，電源為系統(tǒng)提供電力。

1.2控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制目標(biāo)是提前預(yù)知漏播，在排種器至多連續(xù)3個(gè)漏充種的情況下，當(dāng)漏充種槽位本應(yīng)排種的那一時(shí)刻排出補(bǔ)位的種子，實(shí)現(xiàn)位置無(wú)偏差補(bǔ)種，若大于連續(xù)3個(gè)漏充種時(shí)，可認(rèn)為排種器故障或作物種子不合格，系統(tǒng)向用戶報(bào)警。

系統(tǒng)監(jiān)控流程如圖3所示，漏種監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)排種器內(nèi)部導(dǎo)種輪充種情況，處理器根據(jù)漏種位置和數(shù)量以及此時(shí)的排種器轉(zhuǎn)速和空槽位旋轉(zhuǎn)到排種口的角度，通過(guò)控制算法得出補(bǔ)種轉(zhuǎn)速和角度，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器，使導(dǎo)種輪缺種槽位之后有種子槽位快速補(bǔ)位，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。若漏種監(jiān)測(cè)傳感器沒(méi)有監(jiān)測(cè)到漏種，步進(jìn)電機(jī)待機(jī)，排種器常速排種；若監(jiān)測(cè)到漏種，判斷當(dāng)前連續(xù)漏充種數(shù)是否不小于4，若是，則故障報(bào)警；反之，則步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器加速補(bǔ)種。

圖3　監(jiān)控系統(tǒng)控制方案流程圖Fig 3　Flow chart of control scheme for monitoring system

1.3控制算法

1）行走速度計(jì)算：行走速度用速度傳感器輸出電平下降沿信號(hào)數(shù)量計(jì)量。本研究中排種器18個(gè)種勺均勻分布，每個(gè)種勺經(jīng)過(guò)速度傳感器時(shí)會(huì)輸出一個(gè)下降沿，排種器旋轉(zhuǎn)一周輸出18個(gè)下降沿。行走速度為

式中v為行走速度，km/h；n為每秒處理器接收到的下降沿個(gè)數(shù)；d為播種粒距，m。

2）排種器轉(zhuǎn)速計(jì)算：排種器18個(gè)種槽均勻分布，每相鄰兩個(gè)槽位間的夾角為π/9 rad。排種器轉(zhuǎn)速為

式中ω為排種器轉(zhuǎn)速，rad/s。

3）補(bǔ)種轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角計(jì)算：當(dāng)監(jiān)測(cè)到有連續(xù)m個(gè)漏充種時(shí)，補(bǔ)種轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)角為

式中ω'為補(bǔ)種轉(zhuǎn)速，rad/s；θ為旋轉(zhuǎn)角弧度，rad。

2　模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含電源、速度傳感器、漏種監(jiān)測(cè)傳感器、LCD觸控顯示器和步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器5個(gè)主要模塊。

2.1電源模塊

系統(tǒng)供電電源是車(chē)載DC12V電瓶，而控制電路需要DC5V電壓，據(jù)此設(shè)計(jì)直流降壓穩(wěn)壓電路，其他模塊可直接由DC12V供電。

如圖4所示，基于LM2576設(shè)計(jì)了一種DCl2V—DC5V降壓穩(wěn)壓電路，該降壓穩(wěn)壓電路實(shí)測(cè)輸出電壓為5.02 V，且非常穩(wěn)定。

2.2速度監(jiān)測(cè)模塊

速度監(jiān)測(cè)對(duì)象為勺輪，材質(zhì)為鐵鋁合金，選用開(kāi)關(guān)型CHE18—8NA—A710接近式霍爾傳感器，其感應(yīng)方式為接近式，檢測(cè)物體為鐵鋼銅鋁等金屬，響應(yīng)時(shí)間＜1 μs。

圖4　降壓穩(wěn)壓電路Fig 4　Step-down and voltage-regulator circuits

測(cè)速程序采用下降沿計(jì)數(shù)方式。排種時(shí)種勺旋轉(zhuǎn)到與傳感器足夠近的距離，輸出高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)；種勺離開(kāi)傳感器足夠遠(yuǎn)的距離，輸出低電平變?yōu)楦唠娖剑a(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào)。勺輪上均勻分布的18個(gè)種勺產(chǎn)生周期性的邊沿觸發(fā)信號(hào)，處理器測(cè)得每秒接收到的下降沿個(gè)數(shù)，根據(jù)式（2）得到排種器實(shí)時(shí)角速度ω，rad/s。測(cè)速程序流程圖如圖5所示。

圖5　測(cè)速程序流程圖Fig 5　Flow chart of speed measurement program

S3C2440A處理器的GPIO外部中斷EINT9接收霍爾傳感器發(fā)送來(lái)的下降沿中斷信號(hào)，監(jiān)測(cè)和計(jì)算每秒接收到的下降沿個(gè)數(shù)，編寫(xiě)外部中斷EINT9的定時(shí)器程序，通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)緩沖寄存器TCNTB0和定時(shí)比較緩沖寄存器TCMPB0換算成TCNT0定時(shí)器的時(shí)間，根據(jù)控制算法編寫(xiě)GPG1接口下降沿監(jiān)測(cè)和速度換算驅(qū)動(dòng)程序，得出排種器轉(zhuǎn)速。

霍爾傳感器與處理器的電路原理圖如圖6所示，CON1的17腳為GPG1接口，對(duì)應(yīng)外部中斷EINT9，接收下降沿信號(hào)，Hall1的3腳接傳感器信號(hào)線。

2.3漏種監(jiān)測(cè)模塊

種子在排出排種器前會(huì)在導(dǎo)種輪種槽中滯留一段時(shí)間，監(jiān)測(cè)導(dǎo)種輪每個(gè)種槽是否漏充種，即可提前預(yù)知是否將會(huì)漏播。采用光電傳感器監(jiān)測(cè)，漏充種時(shí)光信號(hào)導(dǎo)通，反之光信號(hào)阻斷。

排種器往往處于露天環(huán)境下工作，環(huán)境光復(fù)雜，玉米種子體積小，光線易衍射，因此，采用激光傳感器監(jiān)測(cè)種槽，其靈敏度高、響應(yīng)速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可以使監(jiān)測(cè)孔設(shè)計(jì)的很小，利于提高漏種監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖6　速度監(jiān)測(cè)模塊和漏種監(jiān)測(cè)模塊電路圖Fig 6　Circuit diagram of speed monitoring module and seed monitoring module

激光傳感器與處理器的電路原理圖如圖6所示，CON1的16腳為GPG0接口，對(duì)應(yīng)外部中斷EINT8，接收漏種信號(hào)，Laser1的3腳接傳感器信號(hào)線。

2.4LCD觸控顯示模塊

觸控顯示屏作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，提供直觀的監(jiān)測(cè)結(jié)果和便捷的操作方式。選用統(tǒng)寶3.5 in（1in= 2.54 cm）真彩LCD顯示屏，分辨率為240×320，壓阻式觸控。界面由“Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架”編寫(xiě)，顯示數(shù)據(jù)包括播種速度、株距、當(dāng)前排種行、漏播穴數(shù)、補(bǔ)種穴數(shù)、報(bào)警提示等，設(shè)計(jì)開(kāi)始、停止、復(fù)位等虛擬按鍵。

2.5步進(jìn)電機(jī)模塊

選用42HS08型步進(jìn)電機(jī)（雷賽智能控制股份有限公司，深圳）精確控制補(bǔ)種角度和轉(zhuǎn)速。選用JK0220數(shù)字式中低壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（常州精控電機(jī)電器有限公司，常州）與之配套，能夠達(dá)到高細(xì)分的效果，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小，具備良好的調(diào)速性能。

驅(qū)動(dòng)器撥碼開(kāi)關(guān)SW1～SW3設(shè)定為OFF，以便為步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定電流；SW4設(shè)定為OFF，減少步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱量，提高可靠性；SW5設(shè)定為OFF，SW7，SW6 和SW8設(shè)定為ON，使微步細(xì)分調(diào)整為400 step/r。

處理器依據(jù)控制算法，利用TCNT1定時(shí)器得出一定數(shù)量和頻率的PWM信號(hào)，由GPB1接口輸出到驅(qū)動(dòng)器PUL控制接口，控制步進(jìn)電機(jī)的補(bǔ)種轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。

3　性能實(shí)驗(yàn)

3.1軟件仿真

利用Proteus軟件搭建該系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行仿真。仿真用兩個(gè)脈沖發(fā)生器分別代替速度傳感器和漏種檢測(cè)傳感器，用示波器監(jiān)測(cè)步進(jìn)電機(jī)模塊控制端信號(hào)輸出結(jié)果。仿真結(jié)果表明：硬件電路設(shè)計(jì)合理，軟件程序運(yùn)行正確。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，根據(jù)各模塊原理圖搭建了實(shí)際電路和實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7　漏播自補(bǔ)種性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig 7　Test-bed of automatic reseeding characteristics

實(shí)驗(yàn)臺(tái)以種床帶的前進(jìn)速度模擬播種機(jī)的工作速度，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并且通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)速度，為防止種子發(fā)生滾動(dòng)和彈跳，種床帶進(jìn)行“溜沙”處理，便于粒距測(cè)量。試驗(yàn)材料為鄭單958玉米種，半馬齒型，千粒質(zhì)量330.4 g，質(zhì)量含水率12.7%。

1）排種器轉(zhuǎn)速精度實(shí)驗(yàn)：利用接觸式DM6235P轉(zhuǎn)速表檢測(cè)速度監(jiān)測(cè)模塊測(cè)速精度。排種器實(shí)際作業(yè)轉(zhuǎn)速為7.4～23.1 r/min，在此范圍均勻地取 6個(gè)測(cè)速點(diǎn)：7.4，10.54，13.68，16.82，19.96，23.1 r/min，對(duì)比轉(zhuǎn)速表和速度監(jiān)測(cè)模塊轉(zhuǎn)速的差異，每個(gè)測(cè)速點(diǎn)實(shí)驗(yàn)50次，統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)速誤差Δω，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2）LCD觸控顯示實(shí)驗(yàn)：觀察播種速度、當(dāng)前排種行、漏播穴數(shù)、補(bǔ)播穴數(shù)和株距的數(shù)據(jù)以及故障指示燈是否顯示正確，虛擬按鍵是否可用。

3）漏種監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)：將排種器中種子清空，調(diào)節(jié)排種器至以上6種轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，每種轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)50圈，測(cè)試漏種監(jiān)測(cè)模塊能否監(jiān)測(cè)到每一個(gè)空種槽，統(tǒng)計(jì)漏種監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率B，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

4）補(bǔ)種精度實(shí)驗(yàn)：在以上6種轉(zhuǎn)速下，人為使排種器漏充種，連續(xù)漏充種數(shù)分別為1粒、2粒、3粒及以上，每種轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)50次，檢驗(yàn)補(bǔ)種成功率K、報(bào)警指示燈正確率W，測(cè)量補(bǔ)種后粒距，根據(jù)國(guó)標(biāo)JB/T 10293—2013單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件提供的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出補(bǔ)種后粒距合格指數(shù)A，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　漏播自補(bǔ)種精度實(shí)驗(yàn)Tab 1　Precision test of automatic reseeding

4　結(jié)論

1）LCD觸控顯示屏工作良好，各項(xiàng)數(shù)據(jù)和指示燈顯示及時(shí)準(zhǔn)確，虛擬按鍵響應(yīng)正常。

2）在低轉(zhuǎn)速下，測(cè)速精度較高，隨著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)架振動(dòng)加劇致使速度監(jiān)測(cè)精度有所降低，測(cè)速誤差增高，但轉(zhuǎn)速誤差Δω不高于1.16%，系統(tǒng)仍具有較高的測(cè)速精度。

3）在每種轉(zhuǎn)速下，漏種監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為100%，系統(tǒng)的漏種監(jiān)測(cè)精度較高。

4）系統(tǒng)在7.4～23.1 r/min的排種速度下具有良好的補(bǔ)種效果，系統(tǒng)對(duì)于排種器的故障能夠準(zhǔn)確報(bào)警，報(bào)警指示燈準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

5）在漏充種1粒和2粒的情況下，系統(tǒng)補(bǔ)種成功率K為100%，補(bǔ)種后粒距合格指數(shù)A為100%；當(dāng)連續(xù)3粒漏充種時(shí)，排種器轉(zhuǎn)速不高時(shí)補(bǔ)種成功率為100%，但在轉(zhuǎn)速高達(dá)19.96r/min以上時(shí)，出現(xiàn)了2%的補(bǔ)種滯后，這是由于排種速度本身很高，而補(bǔ)種需要超越旋轉(zhuǎn)的角度和速度，在此基礎(chǔ)上提高了3倍，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)扭矩在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)有所降低，加之排種器自身摩擦阻力較大，造成了偶然的步進(jìn)電機(jī)丟步現(xiàn)象，超越旋轉(zhuǎn)角度偏小，補(bǔ)種后粒距偏大，但在實(shí)際作業(yè)中，排種器轉(zhuǎn)速達(dá)到19.96 r/min以上的情況很少，即便如此，系統(tǒng)補(bǔ)種成功率和粒距合格指數(shù)仍達(dá)到了98%的較高水平。

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Design of automatic over-compensation control system based on Linux*

GE Shi-qiang，CHEN Da-peng，HONG Cao-gen
（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang 222061，China）

In order to solve these problems，an automatic reseeding system based on Linux is designed.The system uses S3C2440A as core.The system adopts a Hall sensor to get the speed of the seed-metering device.A laser sensor is used to monitor the loss of seeds.The system can monitor inside of the seed-metering device to foresee the loss.An automatic reseeding control algorithm based on overrunning clutch is proposed.Through the control algorithm，the seed-metering device can overrun itself to reseed，an interactive visualization interface is designed to monitor the loss of seeds and give failure warning to the user if the seed-metering device has a breakdown. Experimental result shows that the accuracy rate of the loss and speed monitoring are 100%，the reseeding rate and the qualified index of seed space both are 100%while rotating speed is lower than 19.96 r/min and are 98% while rotating speed is higher than 19.96r/min，the automatic reseeding system can reseed timely and accurately.

monitoring system；embedded；reseeding compensation；autocontrol

TP302.1

A

1000—9787（2016）06—0099—05

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0099—05

2015—10—13

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61305050）

葛世強(qiáng)（1989-），男，江蘇連云港人，工程師，從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。