一种插秧机导航控制单元系统设计

一种插秧机导航控制单元系统设计

技术领域

本发明专利涉及单片机技术领域，具体涉及一种插秧机导航控制单元系统设计。

背景技术

农业生产是人类社会存在和发展的基础，为了不断提高生产效率，改善农业生产 环境，人类从诞生之日起，对农业生产方式的研究就从来没有停止过。农业机械化，使机械 装置代替了人的劳动，把人从繁重的体力劳动中解脱出来，极大的推动了农业生产的发展。 进入21世纪，信息技术、传感器技术、控制技术、网络技术等的发展，将农业生产带入了自动 化发展时代。

农用车辆自动导航技术作为农业生产自动化、智能化的一项重要内容，逐渐受到 人们的重视。早在上世纪20年代，就出现一种能够沿着犁沟自动行驶的拖拉机；到了40年 代，出现了能够在缆绳引导下在田间做圆周运动的自动行驶拖拉机。70年代，人们又通过在 田间铺设电缆来引导拖拉机自动行驶；80年代，诞生了基于图像传感器的自动引导车辆，随 后又出现了基于GPS、多传感器融合等多种导航方式的自动行驶车辆，农业自动导航控制技 术的研究不断取得重大进展。该项技术的应用把驾驶员从频繁的方向操作中解脱出来，实 现车辆的无人驾驶，让机器代替人在户外工作，或进行如喷洒农药等对人体有害的操作，极 大的改善了工作环境。

进入90年代，精细农业的问世，又为农用车辆自动导航提出了新的要求。精细农业 将遥感地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等高科技 与地理学、农业、生态学、植物生理学、土壤等基础学科有机结合，实现在农业生产过程中对 农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监控，以实现对作物生长、发育状况、病虫害、水肥 状况以及相应的环境状况进行定期信息获取和动态分析，通过诊断和决策制定实施计划， 并在全球定位系统GPS与GIS集成系统支持下进行田间作业的信息化农业。精细农业技术的 应用，可以在很大程度上提高作业精度，减少重复作业，节约能源，保护环境，维持农业生产 的可持续发展。由于精细农业是建立在“空间差异”数据采集与实时处理的信息化技术上， 需要精确的位置信息和环境信息，这就为自动导航控制技术提供了广阔的发展前景。

发明专利内容

本发明专利涉及一种插秧机导航控制单元系统设计，本发明是用一台25W的直流电动 机，16F873A单片机构成的数字化直流调速系统。本发明通过单片机控制电机的转向及转速 单元，实现插秧机自动导航功能的操作。同时辅助设计了微电机控制电路，实现其对编码器 转角的测量。

附图说明

图1：流程图。

图2：主电路图。

图3：TMR2定时器模块的工作原理框图。

图4：蜂鸣电路图。

图5：蜂鸣器图。

图6：PWM模式的结构框图。

图7：PWM输出波形的两个参数图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种插秧机导航控制单元系统设计，本发明是用一台25W的直流 电动机，16F873A单片机构成的数字化直流调速系统。本发明通过单片机控制电机的转向及 转速单元，实现插秧机自动导航功能的操作。同时辅助设计了微电机控制电路，实现其对编 码器转角的测量。

进一步的，本发明的自动导航控制单元是以PIC16F877A为核心，以任务循测的方 式进行程序的编写。采用间跳指令来完成的整个任务循检过程。信号输入端口分配：通讯口 是否有新数据RA0，定时200ms到否RA1，是否需要调整转角RA2，是否需要制动RA3，是否需要 调整速度RB0，是否控制插秧台RB1。信息输出端口分配：通讯口读数据RB2,读转角RB3，控制 电机转向RB4,制动RB5，调整速度RB6,插秧台升降RB7。流程如图1所示。

进一步的，中断程序包括变量及其常数的定义和中断服务程序的设定。程序实现 如下：

#define MYFLAG 20H

#define COUNT 21H

#define LightFanZhuan 22H

#define LightZhengZhuan 23H

#define T1_count 24H

#define SHENG 25H

#define JIANG 26H

#define delcount1 27H

#define delcount2 28H

list p=16F873A

include "p16f873A.inc"

org 0x000 ；复位入口地址

nop

goto main

org 0004h ；中断入口地址

bcf INTCON,TOIF ；复位TIMER0的中断标志

movlw 0x3d ；TMR0重新赋值

movwf TMR0

decf COUNT,f ；中断次数减1

btfsc STATUS,Z ；判断是否被减 为零了

bsf MYFLAG,0 ；置产生50ms定时到标志

cblock 0x20 ；定义变量

wTemp ；中断保护 W寄存器

statuaTemp ；中断保护STATUS寄存器

pchTemp ；中断保护PCLATH寄存器

endc ；变量定义结束

org 0080h。

进一步的，本发明的初始化程序中，定义了程序中要用到的自定义寄存器及定时 200MS和PWM控制的一些相关程序。其中主要包括将定时200ms的数据导入寄存器中和PWM周 期设定。初始化程序如下:

main

banksel OPTION_REG

movlw b'00000101' ；预分频数位64

movwf OPTION_REG

banksel TMR0

movlw 0x3d ；TMR0赋初始值

movwf TMR0

banksel INTCON ；设置中断控制寄存器

movlw b'10100000'

clrf INTCON

bsf INTCON,T0IE ；只使TMR0中断

bsf INTCON,GIE ；开全局中断

bcf STATUS,RP0

bcf STATUS,RP1

movlw D'4'

movwf COUNT ;设置中断次数清 零计数器

clrf MYFLAG

banksel TRISB ；切换到TRISB所在的bank

clrf TRISB ；确保RB为输出状态

banksel TRISC ；切换到TRISC所在的bank

bcf TRISC,0 ；确保RC0为输出状态

bcf TRISC,2 ；确保RC2为输出状态

banksel PR2 ；切换到PR2所在的bank

movlw .156 ；PWM周期值=.156

movwf PR2 ；设定PR2周期控制寄存器

clrf STATUS ；选择bank0

banksel T2CON ；切换到T2CON所在的bank

movlw b'00001100'

；启动TMR2，预分频1:1，后分频1:2

banksel CCP1CON

；切换到CCP1CON所在的寄存器

movlw b'00001100' ；取PWM工作模式控制字

movwf CCP1CON ；设定CCP1模块。

进一步的，循环程序中主要完成框图中各项指令的执行，程序实现如下：

loop

btfsc MYFLAG,0 ；有新数据否

call DUSHUJU ；读取新数据

btfsc MYFLAG,1 ；200ms定时到否

call DINGSHI ；读转角，调整 转角

btfsc MYFLAG,2 ；调整转向否

call ZHUANXIANG ；调节正反转

btfsc MYFLAG,3 ；需要制动否

call ZHIDONG ；制动

btfsc MYFLAG,4 ；需要调整转速否

call TIAOSU ；调整转速

btfsc MYFLAG,5 ；需要控制插秧台否

call SHENGJIANG ；控制插秧台升降

clrwdt ；关闭看门狗

goto loop ；重复主循环。

进一步的，子程序如下：

DUSHUJU bcf MYFLAG,0

bsf TRISB,1

Return

读转角

DINGSHI btfsc MYFLAG,1 ；判断200ms定时是否已到

call Tim0Proc

clrwdt

goto DINGSHI

Tim0Proc

bcf MYFLAG,0

movlw D'4'

movwf COUNT ；设置中断次数清零计数器

call DUZHUANJIAO ；读转角

DUZHUANJIAO bcf MYFLAG,1

movlw D'4'

movwf COUNT ；设置中断次数清零计数器

bcf INTCON,GIE ；暂时禁止所有中断

banksel TMR1H ；切换到TMR1H所在的bank

clrf T1_count ；清空count内数据

Get_T1Val movf TMR1H,w ；读取TMR1H值

movwf T1_count+1 ；传送到T1_count高字节

movf TMR1L,w ；读取TMR1L值

movwf T1_count ；传送到T1_count低字节

movf TMR1H,w ；再读TMR1H值

xorwf T1_count+1,w

；看是否与原先读到的TMR1H内容一样

Skpz ；是，读取16位TMR1 过程结束

goto Get_T1Val

；否，TMR1低位向高位进位，重新读取TMR1

bsf INTCON,GIE ；重新开放中断

bsf TRISB,2 ；设置RB2为输入

Return

定时200ms，时间到就去读转角并且调整转角

ZHUANXIANG bcf MYFLAG,2

btfsc PORTA,5 ；是否反转

call LightFanZhuan ；反转

btfss PORTA,5 ；是否正转

call LightZhengZhuan ；正转

return

控制电机转向，PORTA,5置0为正传，置1为反转

ZHIDONG bcf MYFLAG,3

MOVLW b‘00001000’

IORWF PORTB,f

return

是否制动：TRISB,3置1为制动

TIAOSU bcf MYFLAG,4

banksel CCPR1L ；切换到CCPR1L所在的bank

movlw .156 ；预设波起始点

movwf CCPR1L ；设定占空比输出

banksel PORTB ；切换到PORTB所在的bank

movlw 0x00 ；传送到PORTB

movwf PORTB ；读取PORTB值

call delay500 ；调换延时20ms

movlw 0xff ；传送到PORTB

movwf PORTB ；读取PORTB值

goto TIAOSU

调速：控制PWM占空比调节速度大小

delay500

movlw D'5'

movwf delcount2

del2 call delay5

decfsz delcount2

goto del2

return

delay5 movlw D'200'

movwf delcount1

del1 nop

nop

decfsz delcount1,1

goto del1

Return

延时20ms

SHENGJIANG bcf MYFLAG,5

btfsc PORTA,6 ；升插秧台否

call SHENG ；插秧台升

btfss PORTA,7 ；降插秧台否

call JIANG ；插秧台降

升降控制：PORTA,6置0为降，置1为升

End ；汇编结束。

进一步的，主电路如图1所示，此电路图主要完成对单片机PWM模式的连接，将信号 进行两次滤波之后产生平稳，稳定的模拟信号，并且可以通过控制占空比调节电机的速度。

进一步的，直流电机转向控制模块实验方案是以PIC16F873A为核心，PWM模式下的 工作电路。通过控制TMR2寄存器调节PWM周期，通过调节CCPxCON控制PWM占空比调节输出电 压。

进一步的，PIC16F87X是维芯公司的中档产品。它采用14位的类RISC指令系统，在 保持低价格的前提下，增加了A/D转换器、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出 （加上简单的滤波电路后，还可以作为D/A输出）、I2C总线和SPI总线接口电路、异步串行通 信（USART）接口电路、模拟电压比较器、LCD驱动、FLASH程序存储器等许多功能，可方便地在 线多次编程和调试。

进一步的，8位宽度的TMR2定时器有一个前置预分频器和后置预分频器，同时还有 一个周期控制寄存器与它配合一起实现针对单片机指令周期的计数。这也意味着TMR2只能 作为定时器使用，无法对外部输入的脉冲作计数。当其预分频和后预分频器的分频比为最 大，计数周期也是最大时，定时的溢出频率与16位的定时器一样：一次计数的溢出最多为 65536个指令周期。 TMR2定时器与TMR0相比，最大的区别是TMR2有一个周期控制寄存器 PR2。TMR0只能在计数溢出回0时才能产生中断，但是TMR2的计数值有一个可以自由设定的 上限，即PR2寄存器的设定值。只要当TMR2的计数值和PR2的设定值相等时就会自动归0，同 时通过后分频器产生一个中断。在PIC单片机中定时器TMR2将与CCP模块PWM输出功能密切 配合，输出的PWM高低电平宽度基本就是靠TMR2的定时来实现。另外，TMR2的定时溢出信号 也可以作为同步串行通信SSP模块的时钟。关于TMR2定时器模块的工作原理框图如图3所 示。

进一步的，电磁阀通过所通电流的大小控制铁心的位置。单片机对电磁阀的控制 是通过PWM实现的：单片机产生PWM电压信号，通过光电隔离传送给驱动电路，驱动电路将 PWM电压信号转换为PWM电流信号，PWM电流信号控制电磁阀的通断或铁心位置。同时使用电 磁换向阀的数字化改造对换向阀直接控制，实现液压系统节流调速。达到控制油门，刹车的 效果。

进一步的，控制程序如下：

MyFlag EQU 20H

list p=16F873A

include "p16f873A.inc"

org 0000h

main

banksel PORTB ；切换到PORTB所在的bank

clrf PORTB ；将PORTB引脚设置为输出

banksel PORTC ；切换到PORTB所在的bank

clrf PORTC ；将PORTB引脚设置为输出

clrf MyFlag ；将MyFlag寄存器置零

loop

btfsc MyFlag,0 ；判断转向

call zhengzhuan ；电机正转

call fanzhuan ；电机反转

goto loop

zhenzhuan bcf MyFlag,0

movlw b’00000001’ ；RB0置1

iorwf PORTB,f

return

fanzhuan bcf MyFlag,0

movlw b’00010000’ ；RC4置1

iorwf PORTC,f

return

end ；汇编结束。

进一步的，PWM模式的结构框图如图6所示。PWM输出波形有两个参数：周期和工作 周期，如图7所示。

进一步的，本发明实验程序如下：

#define delcount2 20H

#define delcount1 21H

list P=16F873A

include "P16F873A.inc"

cblock 0x20 ；定义变量

wTemp ；中断保护 W寄存器

statuaTemp ；中断保护STATUS寄存器

pchTemp ；中断保护PCLATH寄存器

endc ；变量定义结束

org 0x000 ；复位入口

nop ；用于ICD2调试

goto main ；程序转至main处

main

banksel TRISB ；切换到TRISB所在的bank

clrf TRISB ；设置TRISB引脚为输出

banksel TRISC ；切换到TRISC所在的bank

bcf TRISC,0 ；设置TRISC0脚为输出

bcf TRISC,2 ；设置TRISC2脚为输出

banksel PR2 ；切换到PR2所在的bank

movlw .156 ；PWM周期值=.156

movwf PR2 ；设定PR2周期控制寄存器

clrf STATUS ；选择bank

banksel T2CON ；切换到T2CON所在的bank

movlw b'00001100' ；启动TMR2，预分频1:1，后分频1:2

movwf T2CON ；设定TMR2工作模式

banksel CCP1CON

movlw b'00001100' ；取PWM工作模式控制字

movwf CCP1CON；设定CCP1模块

Loop

banksel CCPR1L

movlw .156 ；预设起始点

movwf CCPR1L ；设定占空比输出

banksel PORTB

movlw 0x00

movwf PORTB

call delay500 ；调用延时程序

movlw 0xff

movwf PORTB

;

goto Loop

delay500

movlw D'5'

movwf delcount2

del2 call delay5

decfsz delcount2

goto del2

return

delay5 movlw D'200'

movwf delcount1

del1 nop

nop

decfsz delcount1,1

goto del1

return

end。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。