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，连接灵活等显著特点。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、低惯量的显著特性，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。

    系统的软件程序固化在MSP430F149内部Flash存储器中完成，采用模块化设计方法，结构清晰。主程序包括有时钟初始化、定时器。Ti-merA、串口通信、A／D初始化和存储等模块。系统上电自动复位后，自动运行程序，采用查询方式，每120ms发送一次控制命令。其控制命令的算法如下：
    控制命令为：N=(LP／360)(V-2．5)×18，其中，L为编码器分辨率；P为电机减速比；V为角度传感器信号。
    延时程序用MSP430F149内部的定时器延时，其相关程序代码(延时10 ms)如下：

        定时器时钟源为子系统时钟，子系统时钟由外部8 MHz时钟源经8分频得到。主程序在执行完int_timerA()程序后即进入定时器的中断服务程序，在中断服务程序中设置中断标志位，标志位累加，在主程序中通过查询中断标志位的累加次数，从而判断延时时间是否达到预期值。考虑到电机的动作时间及控制的实时有效，控制命令的发送时间要保证每发送一条命令都要在上一条命令执行完毕的情况下，2条命令的发送时间间隔尽量缩短。经过多次实践，120ms／次的发送频率较佳。

4 实验结果分析
    将已编译的程序下载到硬件系统中，并在实际的水田中进行试验，在没有应用水平控制系统时，由于水田不平、插秧机行驶速度等原因导致插植部倾斜角度左右波动变化较大，经角度传感器采集得到的信号如图4所示，由图4中可看到插植部的波动范围较大，最高可达+20°的倾角范围，在插秧的水田里也可看到水田出现大量漂秧现象，插秧质量无法得到保证。加入水平控制系统后，得到明显改善，如图5所示。测试结果表明，没有加入控制系统的插植部在工作中波动较大，倾角幅度在±5°与±20°之间，加入控制系统后，倾角波动范围可以控制在±4°以内，这样的倾斜角度在实际中可以保证插秧的质量。

5 结论
    基于MSP430F149的水稻插秧机水平智能控制系统可以实时、准确、有效地控制插秧机插植部的水平位置，为机械的自动化插秧质量提供强有力的保障。相对于传统的弹簧水平控制方法，插秧机水平智能控制系统可在0．1s内对插植部的水平波动做出反应，控制复位准确，对恶劣环境有很强的抗干扰能力，解决了目前国内水稻智能插秧机在水平控制方面精度低，延迟长，抗干扰差等问题，实现了在插秧机水平可控制方面的自动化、智能化。大量的实验结果表明基于MSP430F149的水稻插秧机水平智能控制系统保证插植部最大的倾角波动范围在±4°以内，从而保证了插秧质量，对于比较恶劣的插秧环境有很强的适应性。