基于MSP430F149的水稻插秧机水平智能控制系统

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。
  
    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，连接灵活等显着特点。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、低惯量的显着特性，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。
  
    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。