播种机试验台控制系统.doc

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And Seed-metering device is a core component to measure the performance of the seeder .So the Seeder Test-bed device became the major ways to research and develop seeder, and it is the essential experimental equipment that can generate new generation of high-performance seeder quickly. In order to improve the accuracy of experiment, it would better be tested in the laboratory. If so, not only improve test repeatability and economy, but also shorten test and design cycle. This design consists of speed sensor (rotary encoder), intelligent control unit, man-machine interface unit and execution unit. The operator can input instructions and data with the keyboard and see everything in the LCD12864, thus the operator can see the whole experiment process intuitively. In this design, Frequency converter drives a small wheel spin, and the small wheels drives land wheel of seeder spin, so the speed of land wheels can be changed. Speed sensor measures the rotation angle of the Seed-metering device, to determine whether exists repeat sowing and miss sowing or not. Design with STC89S52 microcomputer as the core, combining these processing circuits, using the flexible C language compilation system to control procedure, realize the repeatability tests of monitoring performance of the Seed-metering device.Key words: Precision-seeding; Seed-metering device; Seeder Test-bed; Frequency converter; Rotary encoder.青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）1绪论1.1研究目的和意义农业生产是人类生活的基础。在人类文明发展的历程中，农业的历史发展最为悠久。工业革命以来，以农业机械在农业生产中的应用为起点的现代化农业逐渐形成。农业现代化体现在农业生产的各个方面:农业机械增多，农业从业人员不断减少，业者较好的现代科技和经营知识，农业生产经营活动逐步专业化、集约化、规模化、现代化，农业劳动生产率得到大幅度提高。农业机械与计算机，卫星遥感等技术结合，新型材料和自动化设备应用于农业生产，正在迅速变为一种越来越带科学特征的工业。先进的科技正在成为现代农业发展的关键要素。随着我国经济的高速发展，城市化速度也进一步加快，社会主义现代化新农村不断地建设，所以农业机械化的发展也必须加快步伐，这就对农机具机械特性测试提出了更高的要求。测试技术的先进性直接影响着新产品的性能和质量，以及产品更新的周期。播种机械性能的提高需要反复的做大量的实验，但是田间试验容易受地点、季节、设备等因素的限制,试验周期长,费用高。所以播种机械尤其主要工作部件排种器的性能测试最好能在实验室内进行,以此来提高试验的准确性，重复性和经济性,并缩短试验和设计周期。尤其是国家“948”项目启动后，引进了柔性精密播种技术，并且将电控技术融入到机械中中去，是国家机电一体化发展的趋势。本设计就是在针对“柔性精密播种机械”播种盘的检测，从而发现机械存在的缺陷，以便使机械更加完善。1.2国内外排种器试验台控制系统的发展国内外的学者们一直致力于对播种机试验台控制系统的研究，并且不断地在技术上取得突破，从而使得测试的数据更加准确，测试的方法也更加方便快捷。研究方向主要有两个：对排种器监控系统的设计和模拟机具行进运动与排种器配合实现精密播种。而排种器的监控装置主要有以下几种：原始的排种器试验装置；基于电子技术的排种器监控系统；基于虚拟仪器的排种器性能监测系统；基于计算机视觉的排种监控以及基于单片机或PLC的排种器系能监测等【1】。在1996年，Dickey John公司在播种机上安装了光电传感器后，可用于单行播种的监视【2】。其80年代又采用了雷达测速技术、播种密度和谷物漏播的监视装置，利用微处理器控制肥料分配与喷灌，以及一个液晶显示器用于显示发动机速度、拖拉机滑移率、行走速度和每小时工作面积。日本学者曾设计了一种气动式排种器的粒距均匀度检测装置，用20对光电器件，根据种子间距检测排种器的重播、漏播及合格指数，能较好地满足精密排种器的性能监测要求【3】。日本于九十年代初又研制了一种电磁操作排种装置，用于电子控制的气力精播机。系统由一个高性能的电磁阀，一个数据采集与控制器和一个排种器组成。该控制系统主要用于控制电磁阀动作，排种性能可根据种子下落间隔 (30ms210ms)进行调整【4】。与国外相比，国内对播种机试验台的研究起步较晚，而且技术也相对落后。1974年，张波屏教授首先在我国研制成移动式排种器试验台，并首次采用沙盘固定，其工作环境清洁，种子可回收利用，观测、取样方便【5】。其后，对播种机试验台的研究开始不断发展，技术也是不断地进步，尤其是近十年以来，很多院校和研究机构结合日益成熟的计算机和通信技术，设计出来很多技术含量很高的播种机试验台的控制系统。沈阳农业大学和沈阳长桥胶带有限公司在2000年合作研制了排种器转速自动检测系统【6】。其根据自动控制原理，设计了一套自动测试排种器工作过程中的各种性能指标参数的试验装置, 采用了模块化的程序设计方法和PL/M高级语言, 开发了一套能自动测试排种器在工作过程中排种器转速的软件程序。使用了MCS-51系列单片机及传感器组成的硬件测试系统, 实现了对排种器的排种轴转速的实时检测和显示。 控制系统的设计方向主要是电控方向靠拢的，而且自动化的程度也是越来越高的。河北农业大学的郭燕霞等设计的精密播种微处理器系统【7】，针对当前农业生产中的播种机多使用不同的齿轮或排种器进行有级调速，调整播量，株距比较困难和地轮打滑严重影响播种质量等情况，以AT89S52单片机为核心设计开发了微型计算机控制的自动化精密播种系统。可以实时采集动力机械的作业速度，并根据作业速度和作物粒距要求调整排种器的转速，减轻了传统播种机械因地打滑和地面不平等因素对播种质量的影响，从而达到精密播种的目的。通信技术的进步促使播种机试验台控制系统的设计更上一个台阶，湖北农业大学的向阳等设计的基于RS485总线的排种器实验台控制系统【8】采用PC机作为上位机，输送带运行采用变频调速技术，排种器及排砂器采用步进电机调速。上位机用户界面采用VB60开发，用户可方便地对输送带、排砂器及排种器的运动进行精确控制。三者既可独立运动，又可对其运动关系进行约束，从而很好地模拟播种机田间作业情况。1.3设计研究内容本次设计基于青岛农业大学主持的国家“948”项目“柔性精密播种机综合技术的引进”，关键在于在实验室内对播种机排种器的性能检测，用单片机作为控制装置，用旋转编码器对播种盘转过的角度进行精确的测量，从而找出驱动播种盘的步进电机出现异常震动而导致漏播现象的规律，以达到完善整个系统的目的。所要完成的设计任务包括以下几个方面:（1）机械传动系统设计：因为播种机性能试验台属大型专用检测设备，是综合应用技术的体现，靠单纯的信号检测电路和控制电路，是不可能完成任务的，所以需要设计一定的机械结构，完成力的传动和传感器的安装。（2）键盘输入和显示系统设计:一套完整的检测系统，一定要有一个良好的人机交互界面，这样才能使试验员快速准确地对试验对象完成检测。同时要考虑到成本的投入，要以最少的投入，完成设计，并达到所要实现的试验效果。（3）控制系统设计:包括对处理器的选择，最小系统外围器件的选择和电路设计，控制电路的设计，驱动电机的选择，检测电路的设计，最终构成一个完整的系统。（4）软件程序设计:硬件电路是一个系统的物质基础，而软件就是系统的灵魂。所需要完成的任务主要包括程序流程图的编写，各个模块子程序的编写，整体程序的调试。（5）实物制作与调试：需要完成电路的焊接，系统的统调，数据的采集和处理，封装的制作。2系统总体方案设计2.1设计方案的选择2.1.1问题的提出1盛种漏斗 2.分配锥 3.排种格盘 4.漏斗 5.回转分配器6.步进电机 7.直流电机 8落种杠杆 9.输种管 10 落种行程开关图2-1排种系统结构简图在精密播种技术中，排种盘的转动要求转速可调，精度要求高，转速较低。如图2-1所示，是排钟系统的结构截图，其中6是驱动播种盘转动的步进电机，在实际的应用中，由于步进电机本身的特性，会在低频运行时发生共振而出现失步的现象，导致漏播的情况。本设计就是在此问题的基础上提出的，结合小区播种的面积，播种时行进的速度，以及种子的类别，总结出步进电机出现失步的规律，找出步进电机现失步的原因，从而有针对性地解决问题。2.2整体设计方案单片机最小控制系统变频器控制单元LCD显示单元旋转编码器12位高精度DA播种机地轮键盘输入单元播种盘 计数中断图2-2 系统硬件框架图通过对以上要求的分析，和对系统各个模块的选择，总体设计方案如下：系统硬件框架图如图2-1所示，采用8位的单片机最小系统作为控制装置，用12位的高分辨率DA转换芯片TLV5618，经放大电路放大后输出0-10V的可调的电压，对变频器进行控制，从而可以通过键盘输入想要试验的速度，使变频器的输出频率发生相应的变化。变频器的输出控制电机带动一个直径为24cm的小轮转动，利用与地轮之间橡胶的摩擦力带动地轮旋转，最终达到模拟地轮行走的目的。进入计数中断后，播种盘根据地轮的速度开始调速，同时单片机内部计数器开始记录编码器所转过的角度。最后将所测得的角度，显示到液晶显示器上。记录不同米数，所获得的角度，并画出曲线；记录不同速度，所获得的角度，并画出曲线。最后通过分析曲线，得出结论。采用单片机作为控制系统，通过编写相关程序来达到自动监测的目的，软件系统设计主程序流程图如图2-3所示。 Y开始初始化调用键盘查询输入相应参数确定与否启动变频器系统运行中转到中断处理外中断NYNY打开计数中断判断无脉冲输出N中断返回图2-3 软件系统设计主程序流程图3地轮驱动部分设计3.1机械传动原理和分类机械传动在工程技术中应用非常广泛，主要是指运用机械方式传递动力和运动的传动。主要分为两类:一是靠机械各部件间的摩擦力传递动力与摩擦传动，例如带传动、绳传动和摩擦轮传动；二是靠主动件与从动件啮合或者借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。例如齿轮传动、链传动、螺旋传动和谐波传动，如图3-1所示。 图3-1 齿轮传动本次设计就是采用的第一类中的摩擦轮传动，摩擦传动容易实现无级变速,大都能适应轴间距较大的传动场合,过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，虽然不能保证准确的传动比，但能达到本次设计的要求，如图3-2所示。图3-2 摩擦轮传动3.2地轮驱动具体方案设计图3-3 地轮驱动部分图纸1.轴承；2.摩擦轮；3.联动轴；4.联轴器；5.铁架；6.电机安装部分 本次设计的机械部分主要由6部分构成，如图3-3所示。2是一个直径是24cm的摩擦小轮，用来靠摩擦力带动地轮转动，它通过一个联动轴和两个轴承连在一个联轴器上。联轴器的另一端连接电机的轴，以获得源动力。两个滚动轴承选择的都是球轴承，它由滚珠、内环、外环与保持器构成，比轴颈轴承的转动摩擦阻力小，因此相同的转速下，摩擦产生的温度会比较低。而且轴承在铁架的固定部分，设计为上下左右都可以调节的形式，以达到联轴器两边协调的目的，从而不致联轴器受力不均使其寿命受到很大的影响。 474控制系统设计4.1 控制器的选择AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。4.2单片机最小应用系统单片机是整个控制系统的核心部分，软件的储存测量、数据的处理执行、组件控制命令的发出等都要经过单片机，它是一个微型计算机系统，有存储、I/O、定时及中断等功能。单片机最小系统即为单片机系统能进行工作所必需的最少功能结构，其他功能都在最小系统的基础上实现。图4-1是电路原理图。图4-1 单片机最小应用系统单片机最小系统除了AT89S52芯片外，还包括一个复位电路和一个振荡电路。复位电路：复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电复位是外部的复位电路在系统通上电源后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制。上电自动复位原理：通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度即为低电平，单片机开始正常工作。手动复位是在复位电路中设计按键开关触发复位电平，控制单片机复位。振荡电路：振荡电路是通过晶振给单片机提供时钟周期，使单片机一步步执行程序代码，进行正常工作。单片机内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体一起构成自激振荡器。图4-1中外接石英晶体（或陶瓷谐振器）以及电容或构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。电容的大小没有严格的要求，但也会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和稳定性。外接石英晶体时，和一般取30pF10pF，外接陶瓷谐振器时，和一般取40pF10pF。4.3电动机及其控制方式的选择4.3.1三相齿轮电动机工作原理 电动机是把电能转换成机械能的设备，电动机按分类方式的不同分为很多类，其中按供电电源的不同可分为直流电动机和交流电动机。在本设计中，选用的三相齿轮电动机。三相齿轮电动机就是将三相异步电动机和减速齿轮集成为一个整体，如图4-2所示，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩。大小齿轮的齿数之比，就是齿轮电机力的传动比。齿轮电机的优势主要有两个： (1) 降低速度的同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速机额定扭矩。 (2) 降低速度的同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。图4-2 减速齿轮电机4.3.2三相齿轮电动机适用本次设计的分析齿轮电机的两个优势，正好能够符合本次设计的要求。一方面由于不破坏播种机的原有机械结构，即不用电动机直接驱动地轮旋转，而是靠一些机械机构来完成力的传动，所以难免会有力矩的消耗，但是如果应用齿轮电机，虽然会降低电动机的额定转速，但是仍然能达到实现最高播种速度的同时，增大输出扭矩。另一方面，只要运动的物体，便会存在一个惯性，电机也是如此，其本身存在一个惯量，由于本次设计的要求是在地轮旋转过程中能够迅速停机，以便模拟播种过程中地轮打滑的现象，所以说齿轮电动机适用于本次设计的需要。4.3.3三相齿轮电动机变频调速原理 三相齿轮电动机和三相异步电动机的调速原理一样，而且调速的方式很多，主要包括七种方式：变极对数调速方法，变频调速方法，串级调速方法，绕线式电动机转子串电阻调速方法，定子调压调速方法，电磁调速电动机调速方法，液力耦合器调速方法。每种调速方式都有它的优缺点和所适用的场合，这里仅对变频调速的原理进行介绍。三相异步电动机的转速公式为:n = n0(1 - s) = (60f /p)(1 - s) (41)其中n为三相电机转速；n0是旋转磁场的转速；s是电动机的转差率；f是交流电源的频率；p是电机的极对数。从式41可以看出 ,改变供电频率 f 、电动机的极对数 p及转差率 s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看 ,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速 n0或不改变同步转速 n0两种。本次设计采用的是用变频器来控制电动机，即改变同步转速n0的方式。4.3.4所选电机的型号及相关参数的计算根据以上的分析，结合本次设计的需要，选用了荣立三相齿轮电机，其电气参数如表4-3所示VOLTS220V380VAMP0.850.5HZ6050RMP17201420RATIO 5:1表43 电机铭牌 上表是所选购的电机上的铭牌参数，当用三相电驱动时，Y型接法和型接法的不同，就导致输入的驱动电压不同，在试验时，选用220V（额定电压）输入的Y型接法，可以计算出电机的额定功率为： P额定=U额定I额定=（2200.85）W=1/4HP=187W (42) 其中，HP是马力的意思，1HP=750W。 由三相电动机的额定转矩计算公式： T=9550p/N=95500.1871500=1.18NM (43) 其中，p是电机的额定功率，单位是KW；N是电机的额定转速，单位是R/M。因为齿轮电机的传动比是Ra=5:1，所以得到齿轮电机的输出转矩为： T0=T*Ra=1.185=5.9NM (44) 因为选用的摩擦小轮直径是24cm，所以电动机可产生最大转矩Tm=5.9/0.12=49N,大约相当于能带动5公斤的物体，所以完全足够满足设计的需要。 4.4变频器及其控制方式的选择 4.4.1变频器的工作原理及其应用情况变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。其主要由整流单元，滤波单元，逆变单元，制动单元，驱动单元，检测单元，微处理单元等组成。如图4-4所示：图4-4 变频器工作原理图（1）在上图中，电容C1是吸收电容,因为整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波。压敏电阻可实现过电压保护,热敏电阻实现过热保护。C2也是吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。霍尔电流传感器安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值，实现过电流保护。充电电阻的作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容。开机前电容二端的电压为 0V；所以在上电的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。图中的电解电容是储能电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。均压电阻是为了防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容，因为两个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。（2）直-交部分（逆变部分）VT1-VT6是绝缘栅双极型功率管，构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变成频率和幅值都可调的交流电。VT1-VT6的续流二极管，作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。（3）控制部分:电源板、驱动板、控制板电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源， 开关电源提供的低压电源有：5V、15V 、24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分在交流电机的调速方面，变频器是现在被认为的最理想，最有前途的调速方法。在国内的工程应用当中，设备的技术水平与国外相比，无论是从制造工艺方面，还是从制作效率方面都存在着一定的差距。但是为了提高国际竞争力，必须提高设备的技术水平，所以应当充分利用变频器调速范围广，调速精度高，动态响应好的优点，将之应用到工业生产中去。4.4.2变频器的控制方式 变频器主要有四种控制方式： (1).操作面板控制。具体操作又分两种：一种是按面板上的频率上升和频率下降按钮来调节输出频率；另一种是通过直接设定频率的数值来调节输出频率。另外，通过操作面板来设置变频器的不同的工作方式，主要分为监视模式、频率设定模式、参数设定模式、运行模式、帮助模式。(2).外输入端子数字量频率选择操作模式。变频器常设有多段频率选择功能，各段频率通过功能码设定，频率端的选择通过外部端子来实现。变频器通常在控制端子中设置一些控制端，这些端子的接通组合可以通过外围设备。(3).外围端子模拟量频率选择操作方式。为了方便与输出量模拟电流或者电压的调节器、控制器的连接，变频器还设有模拟量I/O端。当接在这些端口上的电流或电压在一定范围内平滑变化时，变频器的输出频率就在一定范围内平滑变化。(4).数字通信操作方式。为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，可以通过通信方式接收频率控制指令。不少的变频器厂商还为自己的变频器与PLC通信设置了专用的通信协议，如西门子的USS协议即是西门子公司MM400系列变频器的专用通信协议【9】。4.4.3变频器的具体型号及其控制方式的选择本次设计选用的是深圳三拓ST5002015T型号的变频器，外形如图4-5所示。其中ST表示公司代号，代表深圳三拓的意思；500表示系列号；2表示输入电压等于220V；015表示最大适用电机功率：015=1.5KW，037=3.7kw 110=11KW；T表示通用型（恒转矩），F表示风机水泵型（平方转矩）。 图4-5 变频器外形图本变频器具有过流，过压，缺相，过载，过热，欠压等多相保护功能，一旦发生故障，变频器立即报警跳闸，停止输出，LED监视器上将显示相应的故障代码，电机停转，操作员只要查找手册便可以找到故障的原因，做出相应的处理方法。当故障排除后，按停止键“STOP”即能解除故障报警。其标准配线图如图46所示： 图4-6 变频器的标准配线图在使用之前，查阅其使用手册，找到其功能参数一览表，通过操作面板来设置其控制方式，部分列表如下：功能码参数名称设定范围出厂值备注E000频率设定方式选择0. 操作面板设定1. 面板电位器设定2. FV端子电位器或010V设定；3. FI端子420mA信号设定；4. 操作面板设定，若从FV端子侦测到电位器或010V信号自动切换为5；5. FV端子电位器或010V设定，若侦测到面板操作自动切换为4 4备注：“”表示该功能运行中可以修改本次设计因为是要用单片机来控制变频器，所以选择频率设定方式中的2，即在FV端子输入010V连续变化的电压信号，所以将E000的值设定为2。4.5控制电路设计4.5.1启动电路设计 本次设计采用单片机控制继电器动作，以达到启动变频器的目的。由图46可以看到变频器的外部输入控制端子是正转启动和停止的控制端，只要将其与com端接通就是启动，反之断开就是停止。具体电路设计如4-7所示： 4.5.2控制芯片的选择 通过查阅相关资料，大多数同行人员选择用数字电位器来完成单片机对变频器的控制，它的优点就是硬件电路设计简单，可完成单片机控制下的闭环回路的自动控制调节，性价比较高，易于实现。但是结合本次设计的需要，低分辨率的数字电位器（例如x9511，将电阻31细分）根本无法实现电机真正意义上的无级变速，而高分辨率的数字电位器成本就会增加很多，所以综合以上考虑，还要电机实现无级变速，选择了外围电路稍微复杂，但是相对成本较低的12位高分辨率的DA转换芯片TLV5618.4.5.3TLV5618的通信协议 图47 TLV5618引脚图 TLV5618 是带有缓冲基准输入的双路 12 位数模转换器，引脚图如图47所示, 通过 CMOS 兼容的 3线串行总线, 可对TLV5618 实现数字控制。器件接收的用于编程的16位字的前 4位产生数据的传送模式, 后 12 位产生模拟输出。输出电压为基准电压的两倍, 且单调变化。数字输入端带有斯密特触发器, 具有较高的噪声抑制能力。数字通信协议包括:SPITM、QSPITM和 MICROWIRETM标准。TLV5618在5V电源下工作,功耗极低(慢速方式 3mW ,快速方式 8mW) ,并具有上电复位功能。可用于移动电话、测试仪表、自动测试控制系统等领域【10】。其引脚定义如下：引脚名称编号I/ O说 明DIN1I串行数据输入SCLK2I串行时钟输入3I片选,低电平有效OUTA4ODACA模拟输出AGND5模拟地REFIN6I基准电压输入OUTB7ODACB模拟输出VDD8电源正极 本次设计采用的是TLV5618的SPI通信协议，SPI 是一种允许一个主设备启动一个与从设备的同步通讯的协议，从而完成数据的交换。这种通信方式的优点是占用端口较少， 一般4根就够基本通讯了，同时传输速度也很高。SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，SCLK提供时钟脉冲，DIN和OUT则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过OUT线，数据在时钟上沿或下沿时改变，在紧接着的下沿或上沿被读取。 完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样8次时钟信号的改变，就可以完成8位数据的传输。SCLK信号是由主设备（本次设计是单片机）控制，从设备不能够控制信号线。而且在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制【11】。TLV5618的时序图如下所示：图4-8 TLV5618的时序图4.5.4TLV5618电路及信号调理电路的设计 TL431作为一个高性价比的常用分流式电压基准，有很广泛的用途。作为基准源其典型接法如下图所示：图49是TL431的典型接法，输出一个固定的电压值，计算公式是： Vout=（R1+R2）*2.5/R2 (4-5) R3的数值应当满足条件：1mA(Vcc-Vout)500mA;当R1=0的时候，R2可以省略，这时候电路图变为4-10所示，TL431就相当于一个2.5V的稳压管了。 图4-9 TL431典型接法 图4-10TL431输出2.5V接法TLV5618的16位的串行线包括4位的控制线和12位的数据线，所以其转换输出电压为：Vout=2*Vref*(dignum/0x1000) （4-6）其中，Vref=2.5V；dignum为单片机所送给的数字量。TLV5618的DA转换电路如图4-11所示：图4-11 TLV5618的DA转换电路这样，通过以上的电路，结合单片机的控制，便可以输出0-5V的模拟电压了，但是这对于本次的设计存在两个问题：一方面变频器的FV模拟电压控制端，需要的是0-10V的电压，而TLV5618最多输出5V的电压。另一方面，当输出电压很小的时候，驱动能力很小，不能够驱动变频器，所以会出现，电机转速跳变的现象。所以针对以上问题，设计了以下信号调理电路，包括一个信号放大电路和一个电压跟随电路。如图4-12所示：图4-12信号调理电路 放大电路和电压跟随电路都用了通用运放LM358N。其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。放大电路设计为正比例放大电路，放大倍数为：Vout=（1+R7/R6）Vin=2Vin (4-7)电压跟随电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。当输入阻抗很高时，就相当于前级电路开路，起到隔离作用。对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。5检测系统设计5.1旋转编码器的工作原理及选型5.1.1旋转编码器的工作原理旋转编码器已由高新技术发展成为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品。主要应用于检测角度位置，也可通过机械联动转换成直线运动来检测线性位置。在光刻技术飞速发展的情况下，其购置价格也已经大幅下降，而且精度大大提高。按照信号输出的原理不同，旋转编码器主要分为增量型和绝对值型两种，随着技术的进步，现在又出现了混合式绝对值编码器。编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理【12】。（1）增量型编码器一般给出两种方波，它们的相位差90度，通常称为通道A和通道B。只有一个通道的读数给出与转速有关的信息，与此同时，通过所取得的第二通道信号与第一通道信号进行顺序对比的基础上，得到旋转方向的信号。还有一个可利用的信号称为Z通道或零通道，该通道给出编码器轴的绝对零位。此信号是一个方波，其相位与A通道在同一中心线上，宽度与A通道相同。其内部原理图和输出信号图如下图所示： 图5-1 编码器内部原理图 图5-2 编码器信号输出图（2）绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分的编码器，其码盘必须有N条码道。它的优点是可以直接读出角度坐标的绝对值，没有累积误差，但是造价较高，一般适用于特殊场合。（3）混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。5.1.2旋转编码器具体型号选择根据以上的分析，结合本次设计的需要选用了欧姆龙公司的E62-CWZ6C增量型旋转编码器，外形图和输出回路图如下图所示: 图5-3 编码器外形图 图5-4 编码器输出回路图传感器的电源电压范围是524V的直流电压，分辨率可达到1000P/R。信号输出类型是集电极来路输出。5.2检测电路设计由图5-4可以看出传感器的信号输出类型是NPN型集电极开路输出，即当三极管关断时，传感器能正常输出0信号，但是当三极管开通时，则输出端悬空，即为高阻态，无法正常输出1信号，所以信号输出电路应加上拉电阻。电路设计如图5-5所示：图5-5 数据采集电路5.3数据的采集与处理试验时，分别对小区的长度为8M、10M和12M的情况进行了检测，并分别使地轮驱动速度（播种速度）为0.7M/S,0.8M/S,0.9 M/S,1.0 M/S,1.1 M/S,1.2 M/S进行了测量。因为当前国内小区精密播种机的速度范围是0.7M/S1.2M/S,本次设计采用多次测量求平均值的方式处理数据，总的试验数据如附录3所示，处理后的数据如56所示：直径角度速度8M10M12M0.7 (M/S)0.8(M/S)0.9(M/S)1.0(M/S)1.1(M/S)1.2（M/S）6电源、键盘、显示的功能设计6.1电源电路设计在一个系统中，电源的设计至关重要，不稳定的电压会给设备造成致命伤害或误动作，影响生产，造成很多方面损失。同时还会加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁配件，使业主面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备，浪费资源；严重者甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。所以本次设计采用78系列的线性稳压芯片7805，完成对系统的供电。电路图如图6-1所示：6-1 电源电路6.2键盘电路电路设计为了使试验员能方便快捷地输入想要试验的速度，设计了如图6-2所示的矩阵键盘电路，在单片机资源足够用的情况下，直接接到单片机的输入输出口，而不是用专用的驱动芯片，这样既简化了电路又节省了成本。图6-2 矩阵键盘电路设计6.3液晶显示电路设计显示电路是一个系统必不可少的部分，因为它可以使人们直观地看到系统的运行情况。本次设计主要是采用LCD12864来显示试验速度和最终的排种器所转过的角度。其电源电压范围是DC3.0V-5.5V，可显示的分辨率128*64点，有串行和并行两种通信方式，在显示刷新频率要求不高的情况下，可以选用其的串行通信，这样可以占用单片机很少的IO口资源（只占用4个IO口），本次设计就是采用的串行通信方式，电路图如图6-3所示。图6-3 液晶显示电路 7 总结7.1 设计内容总结 通过对国内外播种机试验台的调研，尤其对精密播种机械的研究分析，结合我校“948”项目的成果，找到问题的切入点，就是驱动播种盘的步进电机走步不精确现象，从而设计了一套控制系统。单片机（8位）作为嵌入式系统设计的先驱，在工业上的应用虽然已经有很久的历史，但是现在仍然以其优越的性能和低廉的价格在历史上占有一席之位。本设计基于8位单片机完成了对机械传动部分的控制和对传感器信号的检测。具体完成的研究工作如下： (1)成功设计并制作了播种机的地轮驱动系统，并且此驱动系统以不改变播种机机械结构的基础上设计制作。 (2)成功完成用变频器对地轮驱动系统的控制，并由单片机最小系统最为主控系统。 (3)根据播种机的机械结构，设计了传感器的安装零件图，并成功安装传感器完成对播种盘角度的检测。 (4)通过对所测得的数据进行分析，找到了问题出现的原因所在，并结合自己的专业知识，提出了自己的看法和解决方法。7.2存在问题及其改正7.2.1变频器的噪声影响系统的稳定本设计中中既包含变频器的强电的各种电气设备和大功率大电流的电力电子设备，又包含小功率的微电子器件构成的单片机控制设备以及产生微弱状态信号的速度传感器。变频器产生的谐波对与其共电源的其他设备直接造成干扰。其输出的高次谐波，通过感应、辐射、地线系统等途径对相关设备造成干扰【13】，如图7-1所示：7-1 变频器对外的主要干扰方式通过以上的分析，对系统的设计提出改善措施：噪声滤波器ST500噪声滤波器