（农业机械化工程专业论文）一种测量农机具行进速度的双轮装置设计及研究.pdf

摘要 在农业机械的性能研究和鉴定试验中，农机具的行进速度是一个十分重要 的参数。 在我国，测量速度的典型方法主要有标杆法、五轮仪法、雷达测速法。在 农业机械的研究鉴定中，采用较多的是标杆法和五轮仅法。其中标杆法用于要 求不高的简易测量，伍轮仪法则用于比较正式的测量。根据测量原理及实践可 知：五轮仪用在坚硬平直的公路上测速，效果比较理想。因此，目前汽车行业 普遍采用这种方法。对于农机具的田间测量来说，由于地表不平整、不坚硬、 有根茬、秸秆，会给五轮仪的测量结果带来很大的误差和波动性。 本课题的主要目的是研制一种面向农机具田间测速、测距的双轮测量装置， 思路是通过对双轮速度信号的在线处理，排除地表状态引起的随机误差，使测 量结果更准确。这是对传统单轮五轮仪法的改进。主要有： 第一，设计制作了双轮测量装置。为了适应传感器的安装同时满足双轮测 量的特点，对该装置结构进行了特殊设计和加工。 第二，根据农机具工作的速度范围，为了得到尽量接近瞬态的速度测量效 果，选择每周输出3 6 0 个脉冲的增量式光电编码器作为速度传感器。为了安装编 码器同时便于对其进行同轴度调节，设计了相关的机构一一桥形支架和爪形连 接器。 第三，测量装置上配备了整个测量系统的控制核心一一单片机系统、数据 输出设备一微型打印机，供电设备1 2 v 电瓶和稳压电路。整体装置在结构 和功能上，满足了田间数据采集以及在线连续测速的要求。本文也对测量系统 的硬件设计，相关的软件设计进行了介绍。 第四，设计并进行了大量的试验，用以了解测量系统的系统误差和随机误 差，并对引起误差的因素进行了分析，提出了减小误差的方案。 第五，在具有农田特点的地表进行了双轮与单轮的对比试验，通过分析推 导出适于该地况测量的双轮最优值算法，利用方差分析及类似的方法总结出， 使用该算法得到的测量值更接近真实值。整体系统的测量精度可达到1 。 第六，为了提高系统工作的稳定性和可靠性，提出了相关的抗干扰措施。 关键词：速度测量：五轮仪法；增量式旋转编码器；算法；抗干扰 t h ed e s i g na n ds t u d yo nt h e7 i 、v o w h e e le q u j p m e n tf o r 、k l o c i t ym e a s u r e m e n t o f a g r i c u l t l l r a lm a c h i n e r y a u t h o r ： f e n gj u a “ s u p e i s o r ：s h iz h i x i n g m a j o r ：a g r i c u l t i l r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h et r a v e l i n gs p e e di sav e r yi m p o n a n tp a r a m e t e ri nt h ep e r f o m a i l c er e s e a r c h a n di d e n t i f i c a t i o ne x p e r i m e n to fa g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y t h et y p i c a lm e a s u f 鲫e n ts p e e dm e t h o d sa r em a r kp o s tm e a s u r e m e n tm e t h o d ， 矗f t hw h e e lm e t h o d ，r a d a rs p e e dm e a s u r c m e n tm e t h o da n ds oo ni no u rc o u n t r y t h e m a r kp o s tm e a s u r e m e n tm e t h o dw h i c hi su s e da sas i m p l em e a s u r e m e n ta i l d f i f t h w h e e lm e t h o dw h i c hi su s e da saf o m a lm e a s u r 锄e n ta r eu s e dw i d e l yi nm es t u d y a n di d e n t i 矗c a t i o no f a 群i c u l t l l r a lm a c h i n e r y a c c o r d i n gt ot h em e a s u 糟m e n tp r i n c i p l e a n dp r a c t i c e ，m ef i f mw h e e lm e t h o di sp e r f b c tt ob eu s e dt om e a s u r es p e e do nt h e h a r da n dn a tr o a d t h e r e f o r e ，t h em e m o dh a sb e e na d o p t i n gi nt h ea u t ot r a d e w i d e l y b u ti fm i sm e t h o di su s e di nt h ef i e l d ( t h es u r f a c eo ff i e l di su n d u l a t e d ，s o r 锄dc o v e r sw i t hs t r a w 蛐ds t u b b l e ) ，w h i c hw i l lb r i n gb i g g i s he r r o ra n df l u c t u a t i o n t h ep u r p o s eo f t l l i sp r o j e c ti st os t u d yat w o w h e e le q u i p m e n tw h i c ho r i e n t st o m e a s l l r es p e e da n dd i s t a i l c ei nt h ef i e l d t h ei d e ai se x p e l l i n gt h er a n d o me f r o f b y t h es u r f h c eo ff i e l da n dg e t t i n ge x a c tr e s u l tb yt h et w o w h e e ls p e e ds i g n a l so n - l i n e t r e a t m e n t i ti si m p r 0 v e dt ot h es i n 9 1 e w h e e ls t r u c t u r eo fc o n v c n t i o n a lf i f t hw h e e l d e v i 。 f i r s i ly ，at w o w h e e le q u i p m e n ti sd e s i g n e da n dp r o c e s s e ds p e c i a l l yw i t ht h e p u r p o s eo f a d o p t i n gs e n s o rf i x i n ga n df i t t i n gt h ef e a t u r eo f t w o w h e e lm e a s u r e m e n t s e c o n d l y jo nt h eb a s i so ft l l es c o p eo fa g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y st r a v e l i n gs p e e d ， i n c r 锄e n t a lr o t a r ye n c o d e r ( 3 6 0 r p m ) i su s e da ss p e e ds e n s o ri no r d e rt oa p p r o a c ht o t r a n s i e n t s p e e d b yw a yo ff i x i n g e n c o d e ra i l dc o a x i a ld e g r e ea d j u s t m e n t b r i d g e s h a p eb r a c k e ta n dc l a w s h a p el i r l k e ra r ed e s i g n e da i l dp r o c e s s e d t h i r d ly m e a s u r e m e n td e v i c e f i x e s t h e c o n t r o l l i n gc o r e s i n 西e c h i p m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m ，d a t ao u 钿u td e v i c e s u b m i n i a t i l r ep r i n t e r p o w e rs u p p l r s t o r a g eb a t t e r y ( 12 v ) a n dv o l t a g es t a b 订i z a t i o nc i r c u i t f m mt h es t n l c t u r et ot h e 如n c t i o n ，a l lm ed e v i c ec a nm e e tm er e q u i r e m e n to ft h ed a t ac o l l e c t i o na n do n l i n e c o n t i n u o u ss p e e dm e a s u r e m e n t t h em e a s u r e m e n ts y s t e m sh a r d w a r es n c t u r e d e s i g na n dr e l a t e ds o n w a r ed e s i g nh a v eb e e ni n t m d u c e di nt h i sp a p e r t h i r d l y ，am a s so fe x p e r i m e n t sa r ep r o c e e d e di no r d e rt om a s t c rs y s t e m i ce r r o r a n ds t o c h a s t i ce f r o ro fm es y s t e m ，t h e s ee r r o r s l b r o u 曲tf a c t o r sa r e 跚a l y z e d ，s o m e s c h e m e sa r ea d d r c 幽e db yw a yo f w e a k e n i n ge r r o r f o u r t m y c o m p a r i n gs i n g l ew h e e l 。se x p e r i m e n tw i m t w ow h e e l s ，at w o 。w h e e l o p t i m a la l g o r i t h mi sg a i n e d m a k i n g u s eo f 蛆a l y s j so f v a r i a n c ea n ds i m i l a fm e m o d s u mu pt h ef a c t t h a tv a l u eo fm e 髂u r e m e n tn e a r st ot h er e a l v a l u eb yt h e a l g o r i t t h em e a s u r 锄e n tp r e c i s ec a nb el f i n a l l y ， f o r i i n p r o v i n gs e c l l r i t y o f s y s t c i l l ， t h i s p 印e ri n t r o d u c e s s o m e a n t i d i s t u r b a n c em e a s u r e s k e yw o r d s ：v e l o c i t ym e 8 s l l r e m e n t ；f i r hw h e e lm e t l l o d ；l n c r e m e n t a lr o t a r ye n c o d e r ； a 1 9 0 r i t h r n ；a n t i - d i s t u i b a l l c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得趣j b 盔些太堂或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在沦文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：奠争蝎 签字日期：a 一占年月7 曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解逦j e 壅些太堂有关保留及使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 ( 借) 阅。本人授权迥j 壅些盍堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：吗妈 签字目期：o 上棚彳年月7 日 导师签名：史瓷号 签字目期：如f 年i 月7 日 一种测量农机具行进速度的双轮装置设计及研究 1 绪论 在农业机械的研究和鉴定试验中，许多参数都与农机具的行进速度有关。例如计算谷 物产量时，需要监测联合收获机的速度；分析排种均匀性时，需要借助播种机的行进速度f 在自动控制喷雾装备的喷雾量时，需要根据装备的行驶速度和作物的高度；鉴定玉米秸 秆还田装置的切碎效果时，取决因素里包括了拖拉机的运行速度口】 谈到测速，应该说方案不少，但是对于农机具的田间测速，除了精度较低的标杆法和 接触式的五轮仪法外，还没有其它常规的测速方法和装备可用。直线运动物体速度测量比 较困难，而实现在线连续测量并得到接近瞬态的速度，困难更大口】。 】1 速度测量中的问题 1 1 1 农机具速度测量的特点 ( 1 ) 场地不固定。农机具测速试验的结果与田间具体状态有很大关系，所以测速必须 在具体地块进行。因此不可能建立汽车那样的固定试验场，对于安装、调试比较复杂的测 速装备不能实现一次性永久安装。 ( 2 ) 地表状态多变。田间地表的平整度、硬度、秸秆覆盖、土壤类型、水分等因素都 是变化的采用传统接触式测速方法容易出现较大的误差。 ( 3 ) 速度较低。农机具的田间作业速度一般不超过2 0 l ( i t l ，l l ，有些测速方法不适用。 ( 4 ) 需要在线测量并希望得到接近瞬态的速度。由于田间条件的不稳定，农机具的速 度波动较大，各种与速度相关的研究目的之一，就是要找出速度波动的规律。因此，仅能 测量一段距离的平均速度远远不够，应该测出连续的、接近瞬态的速度。 1 1 2 直线运动速度测量的难点 在速度测量领域，转速测量比较容易，所以转速测量的技术比较成熟。转速传感器种 类繁多，测量方案也比较容易实施。转速容易测最是因为物体转动的参照物容易确定，被 测物与参照物的位置、距离固定不变，传感器容易设计和安装。直线运动速度测量的难点 在于参照物是地面静止的物体，测量过程中被测物体和参照物的距离、位置不断变化，这 为测速方案设计以及传感器安装带来诸多不便。 河北农业大学硕士学位论文 1 2 常用测速方法及分析 目前国内外测量拖拉机、汽车一类移动机械行进速度的常用方法有标杆法、五轮仪法 和雷达测速法【”。 1 2 1 标杆法测速 标杆法是比较简单的一种方法。沿被测机具的行进方向树立距离己知的两根标杆，手 工方法卡表测出机具通过两标杆的时间，根据距离和时间可以算出机具速度。显然，这种 方法只能得出平均速度，不能得到瞬时速度。而且由于人工计时，标杆距离越短，误差越 大。如果用电测方法代替人工卡表，计时精度能够大大提高，标杆的距离可以大幅度缩短。 电测方法的实用形式通常是等间距树立多根标杆，测量得到一系列较短距离的平均速度。 采用此方法对，标杆距离的一致性是影响测量结果准确性的主要因素，树立标杆是一项繁 琐的工作。测量过程中，机具前进时登须保持电测传感器与标杆的距离，若变化试验场地 就要重新树立标杆。 标杆法的特点是简单易行，但是测量结果的精度较低，只能得到一段距离的平均速度， 可用于粗略定性研究。 1 2 2 五轮仪法测速 五轮仪法是在被测车辆上安装转动灵活、与地面以一定压力、可靠接触的第五轮。车 辆移动时，地面摩擦力可使附加的第五轮转动。利用光电开关或者霍尔开关以及相应装置， 每转可以产生若干脉冲，由脉冲周期可以计算出轮子转速。根据第五轮在单位时间内滚过 的弧度( 转速) 及轮缘周长，可以计算出对应每段弧长的平均直线速度。各种新型转速传感 器的出现，使五轮仪测量瞬对性大为改善t 用旋转编码器等转速传感器，每转可以输出几 百个甚至几千个脉冲，可以计算出接近瞬态的速度。 传统五轮仪法是典型的单路接触式测量方法。地表的硬度、摩擦系数、触地压力等会 影响测量结果。高速运行时，第五轮的滑动、跳动和轮胎气压的变化会带来一定的误差。 严格的五轮仪测量应该参照中国行业标准j j g ( 汽车) 2 8 9 五轮仪检定规程进行。一 般认为，五轮仪用于平整坚硬路面的测速还是比较准确的。因此，目前汽车行业普遍采用 这种方法。 不过五轮仪价格适中，在中、低速范围尚能满足一般测试，对于农机具的速度测量仍 然是一种可以借鉴的方法i ，6 】。 1 2 - 3 雷达测速法 2 雷达测速的基本原理是应用反射波的多普勒效应。多普勒效应是指当发射源和接收者 一种测量农机具行进速度的双轮装置设计及研究 之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化，原理如图l 所示。这一物理现象 首先在声学上由物理学家克里斯顿多普勒于1 8 4 2 年发现的。1 9 3 0 年左右开始将这一规 律运用到电磁波范围。当无线电波在行进的过程中碰到物体时，该电波会被反弹，而且反 弹回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的运动状态而改变。若无线电波所碰到 的物体是固定不动的，那么所反弹回来的电波及其频率是不会改变的。然而，若物体是朝 着无线电发射的方向前进，此时所反弹回来的电波会被压缩，因此该电波的频率也会随之 增加【7 4 】。反之，若远离波源运动时，接收到的频率较波源的实际频率降低。 圈l 多普勒雷达测遵仪原理囤 f i g ，lp r i n c i p l eo f d o p p l 茁r 暑d 牡s p e e dm e 醛u r e m e n t 多普勒效应中相对于波源频率厂的频率偏移量以被称为多普勒频移，为： 六= 2 煳么或工= 2 咖形 ( 1 1 ) 式中v 一物体移动速度 西一雷达发射的电波和物体运行方向之间的夹角 兄一波源发射波的波长，其值等于光速c 频率厂 只要能够测出多普勒频移的值和夹角，就可以根据上式计算出速度。 雷达测速设备比较昂贵，实施也较复杂，目前还不是常规的测速手段。同时，对拖拉 机、农机具等低速运动物体的测量误差也较大。 除了以上方法，在汽车和铁路列车上还有一些其它的测速方法。比如，汽车的速度表 多数是根据轮子的转速间接得到( 理论) 前进速度，这等于忽略了因轮胎新旧、气压大小、 地面附着系数、刹车等原因对实际前进速度的影响。不过汽车速度表属于指示仪表，而非 测量仪表，所以其显示精度也很低，测速方法的误差可以忽略。当然这样的方法和精度不 适于农机具速度测量。铁路列车上使用的方法还有测速电机方式、脉冲转速传感器方式以 及正在探索的g p s 方式m 1 ”。 河北农业大学硕士学位论文 1 3 国内外有关农机测速的研究 孟凡英等( 1 9 8 0 ) 研制了针对犁体测量的田间测试系统，主要参数有牵引力、速度、 打滑率等”。 n p t h o m s o n ( 1 9 8 4 ) 研制了便携式测试系统，用于对实际犁耕速度和理论速度的测试。 该系统包括：各种传感器、数据记录仪、盒式磁带记录仪及微型计算机等【”】。 杜宇人( 1 9 9 1 ) 开发了基于8 0 3 l 单片机的联合收获机工作状态和工作参数的监测仪。 朱彤( 1 9 9 1 ) 采用t p 8 0 l 单板机研制了农机具工作参数测试仪口”。 o w e n d e ( 1 9 9 7 ) 设计了一个低成本的耕作机具实验数据采集系统，可以同时测量机具 牵引阻力、垂直反力、耕深及机具前进速度。系统主要组成：传感器、数据记录仪和便携 式计算机等口“。 李汝莘博士( 1 9 9 7 ) 在研究单行靴式开沟器开沟阻力、开沟深度及行走速度时，将五 轮仪改制成专用的牵引阻力、开沟深度、行走速度及滑转率综合测试仪【2 3 】。 a 币v ca 等( 1 9 9 8 ) 设计了一种田间单轴牵引式测试装置，可用于测量机具的牵引阻 力和前进速度等等口“。 苏元升博士( 1 9 9 8 ) 在研究尖角型开沟器的开沟阻力、开沟深度及行走速度时，结合 李汝莘的测试系统，设计了田间测试车8 “。 意大利d e l l ab a s i l i c a t a 大学( 1 9 9 9 ) 研制了一种新型田间机具测试装置。能够实时测 量牵引力、前进速度等【2 “。 高玉璐( 2 0 0 2 ) 为了研究播种机地轮的滑移率，专门研制了地轮滑移测试装置。拖拉 机的实际速度采用反射式光电传感器结合标杆法测量，地轮的转速采用旋转编码器测量 。 史智兴博士( 2 0 0 2 ) 设计了卷带式行进速度测量传感装置p j 。 樊桂菊( 2 0 0 4 ) 研制了适宜于温室大棚作业的电动爪式松土机。通过建立坐标系，推 出工作部件特殊点的运动参数方程，求出各点的运动速度，并分析其运动性质”。 王金萍( 2 0 0 5 ) 研究鸭嘴式成穴器穴孔的形成过程和运动分析，优化穴播机的技术参数： 鸭嘴形状、鸭嘴大小及开启方向、成穴轮半径、入土器高度及机器前进速度等1 2 。 李岩舟( 2 0 0 5 ) 采用型号为a t 8 9 c 5 2 单片机的直接数字控制技术解决摆秧机的行走速 度与摆秧量同步的问题” 1 4 课题研究的思路与内容 1 4 1 研究思路 速度是描述物体运动快慢的物理量。按照定义：速度的大小等于物体的位移s 和发生 这段位移所用时间f 的比值。 4 一种测量农机具行进速度的双轮装置设计及研究 对于在线实时测量来说，直接得到农机具的运行速度很难实现，但是可以通过对行驶 的距离和时间的测量间接得到。时间# 可以通过多种方法直接获得，而且精度很高；位移s 的测量方法也不少，但对于农田这种复杂的地形，实现高精度测量却很难。 对于农机具田间测速来说，由工作环境、设备成本、测量特点所决定，普遍采用五轮 仪或类似的方法”。 由于传统五轮仪使用的是单路接触式测量方法，地表的硬度、摩擦系数、触地压力等 都会影响测量结果。用于田间农机具测速存在两个主要问题：第一是由于地面松软。轮子 下陷，导致五轮仪受摩擦而转动的有效直径与实际直径可能不一致。第二是地面起伏不平 导致轮子滚过的路径长度与直线距离不一致，比如机具实际前进了l m ，而五轮仪的轮子正 好滚过一个4 5 。的尖峰或凹坑，这样五轮仪反映的距离就是1 4 m 左右。如果需要精确的 测量结果，对第一类问题的影响，可以通过对每一种具体测量的田间条件进行脉冲与弧长 当量的标定来消除【3 。而针对第二类问题，特别是用传统五轮仪的单路检测没有办法彻底 解决。 本课题的主要目的是研制一种能够测量农机具田间前行距离、运行速度的双轮测量装 置。该装置通过在线处理检测到的双路信号，能有效地排除地表起伏不平给测量结果带来 的误差，使结果更接近真实值。这是对传统单轮五轮仪的改进。 1 4 2 课题内容 该课题把间距测量的准确性作为进行农机具前行距离与运行速度测量的前提及重点， 最终结合定位与时间信息实现对农机具田间的在线测量。 具体工作如下： l 、 设计出一个能够伴随位置信号产生移动距离信号的装置，该装置结构满足田间数 据采集的基本要求，并作为单片机系统的载体。 2 、设计出能够自动检测定位信号、距离信号的单片机系统，该系统不仅能完成对各 种信息的采集，还能完成对间距和速度数据的在线分析和处理，用微型打印机输出测量结 果。 3 、通过实验数据推导出最优值算法，使测量结果更接近真实值。 5 河北农业大学硕士学位论文 检测系统的硬件设计方案 本文所使用的检测系统是由自制的行进装置与微机测试系统两部分组成( 实图为附 录中的图l 、图2 ) 。行进装置主要作为检测仪器的载体经过特殊加工，使其能满足对不 同项目检测的配套要求。微机测试系统完成对各种信号的采集和数据的存储、处理、输出。 整体系统自备便携式电源，能够实现对田闻运行机具的前行距离与运行速度的在线测量。 田2 行进装置简易圉 f i g 2s k 咖hm a po f m v c l i n 夸d “i c e l 、微机检测系统2 、微型打印机3 、桥形支架4 、连接板5 、爪形连接器 6 、连轴器7 、电瓶8 、反射开关9 、增量式编码器 2 1 行进装置的基本结构 行进装置的结构示意如图2 。设计时，为了能较明显的表现地表状况给实验结果带来 的影响，将两轮轴间距定为l m 。车轮选择的原则，一方面，尽可能使编码器转动相同的 角度对应较大的行进距离，同时又耍协调装置的整体结构( 轮子不能太大) ，另一方面，要 有效降低轮子滚动中的打滑现象，最终选择外径为5 l o m m 的山地车轮；两轮间的连杆端 均焊入段带有螺纹的钢管，将轮轴转入其中，推拉连杆可使轮子伴随其前后转动；为了 配合旋转编码器的安置，特制了一个桥型支架，此架可对安装位置进行左右、上下的调整。 其上的连接板按照所用编码器上的标准孔尺寸钻有相应的连接孔，用螺丝将编码器固定其 6 一种测量农机具行进速度的双轮装置设计及研究 上，此设计避免了在行进间因编码器晃动而产生的不稳定输出。为了使编码器能够随车轮 同速旋转，特制了一种爪形连接器，萁帽端外部按照编码器d 型切面轴直径设计成一个凸 出结构，内部按照轮子外侧轴设计成阶梯状槽体，尾部三个“爪”的斜度符合轮上辐条的 倾斜要求( 基本里平行状) 。 安装时首先将爪形连接器扣装在凸出轴上，中心部分与轴接触( 涂抹适量的润滑油可 减小两者问的摩擦) ，用三块有钻孔的铁板分别跟“爪”将辐条的交叉部加紧，用附带螺母 的螺丝予以固定，然后通过改变连接板的高度，将编码器调节到与爪形连接器的凸出结构 相对的位置，最后利用与编码器配套的联轴器将其与爪形连接器结合在一起。 通过一系列的特殊加工，保证了编码器安装得稳定，并在行进装置运行时与车轮保持 了同速旋转。 行进装置的结构与使用者操作器官( 手、足) 的形体尺寸相匹配，仪器的安装位置与 使用者的操作及活动范围相适宜且高矮身材操作皆能适应与使用。 2 2 检测系统的设计 2 2 1 设计思路 设计时需要考虑：熬个系统的控制核心单片机测试系统、数据输出设备微型 打印机、输入两路基准脉冲信号的编码器、位置信号传感器。配合行进装置的整体结构特 点，它能够实现两方面的应用：l 、检测位置信号的间距( 一般应用) 。2 、测量农机具行 进速度( 与农机具连接，并将时间信号代替位置信号时应用) 。 2 2 2 基本测量方法 目前，此检测系统主要是为了确定相邻位置信号间距测量的准确性，就测量方法来说， 仍然采用测速的常规方法。 速度测量方法有频率法和周期法两种，这两种测速方法都是对脉冲进行测量，但测速 范围均受到一定的限制3 ”1 。假定时钟频率为厂，光电编码器每转脉冲数为p 。m 和m ： 分别是对编码器脉冲和时钟脉冲进行计数的计数值： ( 1 ) 频率法( “m ”法) ：在规定的检测时间内，测量计数脉冲个数。虽然检测时间一 定，但检测的起止时间具有随机性，当被测转速较高或电动机转动一圈发出的转速脉冲信 号个数较多时，才有较高的测量精度，并且测量准确度随转速的减小而降低，该方法适合 于高速测量。设在固定时间r 内测得的编码器脉冲数为m ，则转速为： ：竺堕 ( 2 1 ) p r 其相对误差： 7 河北农业大学硕士学位论文 j 劁：坐 ( 2 2 ) i lm ( 2 ) 周期法( “t ”法) ：即测量信号发出脉冲个数所需的时间。该方法在被测转速较低 ( 相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大) 时，才有较高的测量精度，其测量准确度随着转速 的增大而降低，适于低速测量。 ：堕 ( 2 3 ) 删2 其相对误差： 嗍二蚓m 等 q 4 ) 由于本装置转动一周能输出上百个脉冲信号，因此采用频率法作为间距测量的方式。 原理如图3 所示。 t i ，- 、 位卧删l uuu lui _ 圈3 周期法谢量间距原理 f i 9 3p d n c i p l co f c y c l em d c h o dd i s t 蛐c em e a 如r 啪e n t 测距原理为：将两路编码器的输出脉冲作为基准脉冲，分别接到单片机的t o 、t l 引 脚，定时计数器均设置为计数方式；采集到的位置信号为界限标志，接到i n t l 引脚。每 个位置信号产生一个料t l 中断，中断服务程序读取t o 、t 1 计数值并将这两个计数器复位 进行下一次计数。运用一定的算法把计数的两路编码器输出脉冲数进行最优值确定( 将在 以下文中详细介绍) ，由于输出的每个脉冲都对应编码器旋转的一定角度，而角度与连接车 轮的轮缘周长又有一定的正比关系，最终可以导算出对应的车轮行进的距离，即所测得的 两个位置信号间的距离。 测速原理为：同上，仍将两路编码器的输出脉冲接到单片机的t o 、t l 引脚处，定时 计数器设置为计数方式：利用8 9 c 5 2 内部增加的定时器t 2 实现对t o 、t l 输入信号的定时 采样。将采样到的结果运用同上的算法进行最优值确定，并将计数的脉冲数转换为距离， 最后除以采样周期，便得到该段时间内行进装置运行的平均速度。为了接近瞬态速度可以 减小t 2 的采样周期。 一种测量农机具行进速度的双轮装置设计及研究 2 2 3 电路结构简介 本装置的电路结构是单片机及外围芯片的典型应用( 图4 ) ，稳定可靠。外扩r a m 实 现数据的充分存储，人机接口用8 2 5 5 控制9 键的键盘，通过并行输出芯片7 4 l s 3 7 3 连接 微型打印机，还有外部中断输入端口i n t l 、计数器t 0 、t l 输入端口可以接受各种被测脉 冲信号、定时器t 2 用以设定采样周期。 触麓储母 l x t l 3 2 k t 2 定时端r i 髓m 岛码器脉冲 t l 汁教端l i 数据缝 jll 靛码器脉冲 扣计教端f 1 地址蟪 l 一 王1 一i n 挖蹦线 ilir 徽机打川i 锋鼎 韩 图4 硬件结构示意图 f 堙4s k e c c hm a po f h a 喇w a 托s t u c u r e 2 2 4 主要部件及相关技术 ( 1 ) 微控制器 单片机是本系统的控制核心，担负着数据采集、键盘输入、显示和控制输出的任务。 由于单片机的嵌入式、可编程、高集成，可使得检测分析系统做到小体积、智能化、功能 多样。本系统中，单片机接受从键盘输入的设置和指令，作为工作的初始参数；接受外部 传来的位置信号和编码器的脉冲信号，单片机读取这些信号，处理分析后，将结果打印输 出。 近年来，闪速存储器f l a s h 在微控制器芯片内的应用走向成熟，f l a s h 的片内制造 工艺保护技术有了突破性的进展，使得在遇到强干扰后不易引起程序丢失。f l a s h 是非易 失性存储介质，读f l a s h 中的内容同读取r a m 没有什么区别。f l a s h 的写操作比e p r o m 要快。而系统掉电后，f l a s h 中的内容仍可以可靠保存。f l a s h 的另一大优点是结构简 单，集成密度大，成本低。由于f l a s h 比e p r o m 便宜，不需要紫外灯照射擦除，c p u 可依靠程序擦除f l a s h 的某部分或全部，反复使用次数可达数万至数十万次，有代替 e p r o m 的趋势。比起掩膜r o m 来，f l a s h 也有担当大的优势，首先可以省去8 到1 6 周 的掩膜生产周期，省去掩膜费用；其次，掩膜后程序不可修改，在采用了f l a s h 后掩膜 法的这种风险没有了。另外，程序可以在产品出厂前灌入f l a s h ，也可以在产品出厂后， 将程序灌入或升级。 9 河北农业大学硕士学位论文 本设计中选用的微控制器是由a t m e l 公司生产的8 位f l a s h 单片机8 9 c 5 2 。这是一 种低功耗、高性能的c m o s8 位微型计算机。该器件采用a t m e l 的高密度非易失性存储 器技术制造，与工业上标准的8 0 c 5 l 和8 0 c 5 2 的指令系统及引脚兼容，片内f 1 a s h 程序存 储器允许在系统内改写或用常规非易失性存储器编程器编程。通常把通用的8 位c p u 与 f l a s h 集成在一个芯片上，a t m e l 8 9 c s 2 便成为一个高效的微型计算机，它的应用范围广， 可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。 a t 8 9 c 5 2 提供了8 k 字节的f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 线i ，o 口，可以处理6 种中断， 其中外部事件触发的中断2 个，内部状态触发的中断4 个( 中断方式是计算机c p u 与外部 进行通信的一种重要方法) ；自带3 个定时计数器，名称为t o 、t l 和t 2 ，基本功能相同， 都是脉冲计数。计数达到预定值，产生定时器中断信号。如果计数脉冲来自单片机内部的 系统时钟，就称定时计数嚣工作在定时方式，或称之为定时器。如果计数脉冲来自外部事 件( 比如位置感应脉冲) ，就称定时，计数器工作在计数方式。定时方式的用途就是用定时中 断作为时间基准，比如控制采样频率或作为查询时间间隔等；作为测试仪器，采用单片机 系统具有突出的便携特点，但是其存储容量和数据处理功能显然无法与p c 机相比。直接 用p c 机进行原始数据的现场采集又不如单片机系统便携。现在常用的解决方案就是将单 片机用于原始数据的采集，然后将原始数据传输给p c 机进行处理和分析。单片机生产厂 家己经为这个问题提供了解决方案。在单片机内部自带全双工串行通信接口，通过编程可 以实现单片机之间的双机通信、多机通信，还能够与p c 机或其它智能仪器进行数据传输， 可以弥补数据存储容量和处理能力方面的不足。此外，a t 8 9 c 5 2 设有静态逻辑，用于运行 到零频率，并支持软件选择的两种节电运行方式。空闲方式使c p u 停止工作，而允许r a m 、 定时器，计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式下，片内振荡器停止工作，由于时 钟被冻结，一切功能都停止，只有片内r a m 的内容被保存，直到硬件复位才恢复正常工 作。 a t 8 9 c 5 2 f l a s h 单片机有如下特点i ”j ： 与m c s 5 1 产品兼容。 8 k 字节可电气写入及擦除的程序存储器e e p r o m ，可以快速擦除程序并写入程 序，可写擦1 0 0 0 次。 2 5 6 b 内部l 认m 数据存储器。 3 2 条双向输入，输出线，每条输入输出线均可单独作i o 控制口线。 3 个独立的1 6 位定时器，计数器，并且t 2 可以实现向上向下计数。 1 个全双工通讯端口，可编程串行口。 8 个中断向量源。 低功耗空闲和掉电方式。 三级程序存储器加密。 ( 2 ) 速度传感器 测速。首先要解决的是采样问题。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。 只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即 可获得转速的信息。脉冲信号的获得可以有多种方式，下面逐一进行分析即j ： 1 0 一种测量农机具行进速度的取轮装置设计及研究 霍尔传感器 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可 以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输 出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现 旋转一周，获得多个脉冲输出。 光电传感器 光电传感器是应用非常广泛的一种器件 基本的原理就是当发射管光照射到接收管时 个遮光叶片，安装在转轴上，当扇叶经过时 可以获得多个脉冲信号。， 光电编码器 有各种各样的形式，如透射式、反射式等， 接收管导通，反之关断。为此，可以制作一 产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周 光电编码器的工作原理与光电传感器样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘 等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。 根据输出信号的特征，常分为增量式编码器和绝对式编码器。 a 增量式编码器特点： 增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无 限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。输 出三组方波脉冲a 、b 和z 相。a 相和b 相方波在相位上相差l 4 个周期，可以用来判断 编码器甚至同轴旋转设备的转动方向。而z 相为每旋转一周输出一个脉冲，用于基准点定 位。需要提高分辨率时，可利用a 、b 两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。工作原 理如图5 。 图5 增量式编码器的工作原理图 f i g 5w d r kp d n c i p l eo f l n c r c m 曲t a ie n c o d e r l 放大整形2 脉冲输出 b 绝对式编码器特点： 绝对式编码器有与位置相对应的代码输出，通常为二进制码或b c d 码。从代码数大 小的变化可以判别正反方向和位移所处的位置，绝对零位代码还可以用于停电位置记忆。 绝对式编码器的测量范围常规为o 3 6 0 度。 速度计与长度计一般采用增量式编码器【。 河北农业大学硕士学位论文 衡量以上儿种速度传感器的特点，并考虑到安装简便，性能稳定，提高测量精度等因 素，最终选用o m r o n 公司生产的e 6 8 2 c w z 6 c 型，分辨率为3 6 0 的编码器h 5 4 “。如图6 所示，为该型号光电编码器的外形。 豳6 光电编码器外形 f i 9 6s h a p eo f p h o t o e l e c t r i c a le n c o d e o e 6 8 2 c w z 6 c 的基本参数：工作电压5 2 4 v ，工作电流8 0 m a ，最高响应频率 l l o o k h z 。经示波器测试，此型编码器的输出方波较规范，没有。毛刺”现象。 ( 3 ) 定位传感器 本系统采用t x 0 5 d 红外线反射开关的输出作为定位信号。这种反射开关实际上是一 种一体化的红外线发射、接受器件，它内部包含红外线发射、接受及信号放大与处理电路。 当接通电源后，即从模块内部的红外线发射管向前方发射3 8 k h z 的调制红外线，一 旦有物体或人体进入有效范围内时，红外线就会有一部分被反射回来，被与发射管同排安 装的光敏接收管收到并转换成同频率的电信号后，由模块内部电路进行放大、解调、整形、 比较处理后，在输出端给出高电平信号。工作方式如图7 所示： 围7 反射开关工作方式 f i 9 7w o r k m o d co f r c n c c t i 锄o n o f f 模块的红外线发射能力与工作电压有关。工作电压越高，红外线发射功率越强，检测 距离就越远；反之，电压低，检测距离就相对较近。 t x 0 5 d 的电参数：工作电压5 1 2 v ，极限电压1 5 v ，工作电流5 2 0 m a ，最大3 0 m a ， 对应检测距离为0 1 2 0 c m 。 1 2 一种测量农机具行进速度的双轮装置设计及研究 ( 4 ) 微型打印机 w dup - a 系列打印机是最新设计的一种面板式超小型点阵式通用打印机。整机体积 小，重量轻，操作简单，连接方便。特别适于安装在仪器或设备的面板上。使打印机和仪 器浑然一体，提高整机的结构水平。 这种打印机的并行接口与c e n t r o n i c s 标准【钉1 兼容，均采用以丽、d a 队l d a r a 8 、b u s y 和习示信号为特征。这些信号构成的打印机工作时序如图8 。 附。厂 ：厂 b l 五y s t b c k 图8 并行接口时序 f i g 8t i m es e r i e so f p a r a l l c l i n t e r f a c o 并行口时序可以概括为：主机在打印机忙线b u s y 为低电平时，输出数据，产生选通 脉冲信号i 而，将数据总线上的数据d b 0 d b 7 锁存入打印机中，在打印机处理此数据期 间，忙线为高电平，此时主机不能向打印机发送数据，否则将被丢失。打印机处理完此数 据或执行完打印操作后，忙线变成低电平，并发出应答丽泵信号脉冲，表示数据已被接受 处理完毕，打印机可接受下一个数据。 从以上的并行接口时序图可以看出，产生丽选通信号是设计单片机与打印机接口电 路的关键。在编写打印机控制程序时，主要作两件工作： 判断b u s y 忙线信号电平。 当输出数据在数据总线上时，产生一个低脉冲选通信号丽。 用查询方式输出打印数据时，其流程图见图9 。在编程中，如果不使用百i i 信号作中 断源。一般可不对其进行处理，仅判断b u s y 信号电平状态即可。 河北农业大学硕士学位论文 圈26查询流程鄹 圈9 查询流程围 f i g 9f 1 0 wc h 珊