收割机行走系统

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收割机行走速度控制系统设计

摘要

联合收割机在农业生产中发挥着越来越重要的作用。然而，我国联合收割机仍存在作业质量差、效率低、故障多等问题。性能好、自动化智能化程度高的联合收割机将成为今后研制开发的一个方向。传统的联合收割机行走速度调节是由驾驶人员通过档位和液压无级变速器来实现。操作比较复杂，速度控制不精确不及时。联合收割机在作业过程中，行走速度是影响其生产率和作业质量的重要因素。要充分地发挥联合收割机的效率，要求在作业过程中保持较高的行走速度。但行走速度受到诸多因素的限制，它对拨禾轮的工作速度，对切割器的切割质量，对脱粒、分离和清选质量，对发动机功率及工作部件功率等都有很大的影响。行走速度太快会使喂入量过大，从而导致脱粒装置超载，发生故障，或造成其它工作部件损坏。同时，过大的喂人量也会使分离损失指数增加而造成损失量超标。可见，对行走速度进行控制是非常有必要的。为此，本文根据联合收割机行走速度的控制要求，运用单片机控制技术，结合自动控制理论设计了一套联合收割机行走速度自动控制系统。该系统可以根据喂入量的变化实时控制收割机的行走速度，使其保持在高效稳定的工作状态。本文首先对控制系统的总体方案进行了分析，提出采用电动机作为收割机行走驱动装置，易于实现速度的自动控制，与传统的机械液压式速度控制系统相比，结构简单，控制更精确。

关键词：联合收割机；自动控制；喂入量；行走速度

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Abstract

Combine in agricultural production is playing an increasingly important role. However, there is still work in China combine poor quality, low efficiency, fault many other issues. Good performance, a high degree of automation intelligence combine to become a direction for future research and development. Combine a traditional walking speed of adjustment by the driver through the stalls and the hydraulic continuously variable transmission to achieve. Operation is relatively complex, imprecise speed control is not timely. Combine the operating process, the walking speed affect the productivity and work quality of the important factors. We should give full play to combine the efficiency of the process required to maintain a high operating speed of walking. But the walking speed by many factors, it allocated Wo round pace of work, on the cutter's cutting quality of the threshing, separation and cleaning quality of the work on the engine power and the power of such components has a significant impact n. Walking too fast will feed people excessive, leading to overloading of threshing equipment, failure, or cause damage to other parts of the work. Meanwhile, the excessive amount of feed were also isolated loss index will increase the amount excessive losses. Can be seen on the walking speed control is necessary. Therefore, this article combines walking speed under the control requirements, the use of microcomputer control technology, automatic control theory and design combined with a combine harvester travel speed control system. The system can feed real-time control of volume changes in walking speed of the harvester, so as to maintain stability in the efficient working condition. Firstly, the overall scheme of the control system were analyzed, with motor running as the harvester drive, easy to implement speed control, with the traditional mechanical-hydraulic speed control system, structure, simple control more precise.

Keywords：Combine; control; feed rate; walking speed

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摘要 ........................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................... II 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1 选题的目的和意义 ...................................................................................................... 1 1.2 研究现状和动态 .......................................................................................................... 2

1.2.1 国外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 ..................................................................................................... 3 1.3 本设计研究内容 .......................................................................................................... 4 1.4 技术路线 ...................................................................................................................... 4

2 控制系统的硬件设计 ..................................................................................................... 6

2.1 喂入量传感器的选择分析 .......................................................................................... 6

2.1.1 喂入量传感器的应用现状 ................................................................................. 6 2.1.2 喂入量测试方法的选择分析 ............................................................................. 7 2.2 行走速度测量传感器的选择 ...................................................................................... 7

2.2.1 转速测量方法的选择 ......................................................................................... 7 2.2.2 开关型霍尔传感器的原理 ................................................................................. 8 2.2.3 传感器整形电路设计 ......................................................................................... 9 2.3 单片机硬件系统的选择及配置 .................................................................................. 9

2.3.1 单片机的选择 ..................................................................................................... 9 2.3.2 AT89C51单片机的性能与引脚功能介绍 .................................................... 10 2.3.3 系统I/O口的扩展 ............................................................................................ 13 2.3.4 8255A芯片的引脚配置及功能 ..................................................................... 13 2.3.5 8255A芯片与AT89C51的接口电路设计 .................................................... 14 2.3.6 振荡器电路设计 ............................................................................................... 15 2.3.7 复位电路设计 ................................................................................................... 16 2.4 存储器的配置 ............................................................................................................ 17

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2.5 数据采集电路的设计 ................................................................................................ 18

2.5.1 模数转换器的选择 ........................................................................................... 18 2.5.2 ADC0809引脚介绍 ........................................................................................ 18 2.5. 3 ADC0809与单片机AT89C51的接口电路设计 ......................................... 19 2.5.4 行走速度测量电路设计 ................................................................................... 21 2.6 显示系统电路设计 .................................................................................................... 21 2.7输出控制电路设计 ..................................................................................................... 23

2.7.1 调速方案的选择 ............................................................................................... 23 2.7.2 输出控制电路设计 ........................................................................................... 24 2.8 本章小结 .................................................................................................................... 26

3 数据处理及控制系统的软件设计 ............................................................................ 27

3.1 数学标度变换与标定 ................................................................................................ 27 3.2 数字滤波算法 ............................................................................................................ 28 3.3 控制系统软件设计 .................................................................................................... 28

3.3.1 主程序设计 ....................................................................................................... 30 3.3.2 喂入量数据采集子程序 ................................................................................... 31 3.3.3 速度显示子程序 ............................................................................................... 33 3.3.4 控制输出子程序 ............................................................................................... 34 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 35

4 控制器抗干扰设计 ........................................................................................................ 37

4.1 形成干扰的基本要素 ................................................................................................ 37 4.2 干扰的分类 ............................................................................................................... 37 4.3 干扰的耦合方式 ........................................................................................................ 38 4.4 常用硬件抗干扰技术 ................................................................................................ 38

4.4.1 抑制干扰源 ....................................................................................................... 38 4.4.2 切断干扰传播路径 ........................................................................................... 39 4.4.3 提高敏感器件的抗干扰性能 ........................................................................... 40 4.5硬件抗干扰 ................................................................................................................. 40

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4.6软件抗干扰 ................................................................................................................. 41 4.7本章小结 ..................................................................................................................... 42

结论 ........................................................................................................................................ 43 致谢 ........................................................................................................................................ 44 参考文献 ............................................................................................................................... 45

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1 绪论

1.1 选题的目的和意义

我国是一个农业大国，稻麦作为主要的粮食作物，种植面积广，收割周期短，收割时劳动强度大。联合收割机的使用为农业生产提供了很大的方便，它在现代农业中具有非常重要的作用。它生产效率高，谷物损失率小，同时，由于机械化程度高，从而大大减轻了农民的劳动强度，改善了劳动条件，并且能做到大面积及时收获，为抢种下茬作物创造了条件。

目前联合收割机正在向大功率，多功能，高效率方向发展。由于功率大幅度提高，功能增加，联合收割机尺寸、重量及配套零部件数量也随之增加，使得操作起来困难加大，对驾驶人员的操作经验要求较高，劳动强度较大。并且由于农业生产的特殊性，作物适宜收获的时间是比较短促的。联合收割机造价十分昂贵，这就要求每台机器必须要高效可靠的工作，才能及时完成作业，才能符合成本核算的要求。要提高生产效率和农机的利用率，需要采用智能化的控制装置和监视装置。自动控制技术在其他方面的成功应用，为在联合收割机上采用自动控制方法提供了技术支持，同时也要求收割机采用先进的自动控制机构，这样才能符合生产需要和技术发展需要。所以，联合收割机发展趋势是广泛采用自动控制和监视装置。

在联合收割机自动控制系统中，对于行走速度的控制是一个非常重要的方面。联合收割机自动控制的目的是保证在正常工作模式下，在不超过允许的最大损失量的前提下，使收割机获得稳定的最大前进速度。从而使收割机始终工作在最佳状态，保持较高的工作质量和工作效率。在作业过程中，行走速度是制约联合收割机生产率和作业质量的重要因素。传统的速度控制方法是由驾驶员通过档位和液压无级变速器来实现，实际操作时比较复杂。并且驾驶员要依靠自己的经验来判断如何调整速度的大小，速度控制不精确，不及时。本文参考收割机的最新研究动向，对采用电驱动的收割机速度控制系统进行研究。传统的联合收割机传动机构复杂，皮带传动很不可靠。对收割机的不同工作部分采用独立的电动机驱动，可以简化复杂的传动机构，使收割机工作更加可靠。并

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且电动机调速方法简单可靠，便于实现自动控制。

1.2 研究现状和动态

对于采用电驱动的联合收割机的研究工作，目前在国外处于起步阶段，在国内还没有开始。最近几年，德国Deere公司和Hohenheim大学合作，对采用电动机驱动的联合收割机的各个工作部件进行了一些研究，在2002年开发出电动脱粒滚筒，还没有实际速度自动控制系统的研究应用。电驱动在联合收割机自动化、智能化控制方面应用前景良好。

为了提高机器的作业质量并使其高效、安全、可靠地工作，现代联合收割机上广泛采用各种电子仪表监视装置，传感器检测装置以及应用单片机系统的智能化控制装置等先进技术，这是90年代以来联合收割机发展的一个重要特点。现代电子技术，传感器技术以及微控制器技术等迅速发展，为联合收割机实现自动控制提供了技术保障。随着农业现代化的进程不断推进，各国都在研究各种监视报警和自动控制装置。以微计算机控制技术为基础的机电一体化技术的广泛应用，是现代农机的最重要特征之一。收割机自动控制研究的对象主要有行走速度、喂入深度、割茬高度、滚筒转速和负荷等。

传统的行走速度控制方法主要有机－液式、电－液式机构等，结构较复杂，操作不便，控制精度不高。为了克服这些缺点，现在很多联合收割机生产企业正在研究采用自动控制的联合收割机速度调节系统，并逐渐在联合收割机上应用。

1.2.1 国外研究现状

发达资本主义国家如日本、美国等对农业机械自动化的研究始于20世纪70年代。在日本最典型的是半喂入联合收割机，是自动化技术应用较集中的机型。井关公司研制的HD1500联合收割机上有方向、割茬高度、喂入深度、转弯、袋口结扎、停车等自动控制装置。其中对于行走速度自动控制的研究一直是一个很重要的方面。控制器根据传感器传送的信号，加以判断，然后输出控制信号，通过电磁阀、液压控制阀等控制液压油缸工作，改变收割机的传动速比，从而实现自动调速。

到了90年代，日本在联合收割机上大量应用了机电一体化技术，在半喂入联合收割机中应用了车速自动控制装置，利用发动机转速检测机构、行走速度检测机构、收割

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状态检测机构等检测收割机的工作状态，通过变速机构实现车速的自动控制。在这类控制系统中普遍采用液压无级变速装置作为速度调节的执行机构。

发达国家对联合收割机的速度自动控制技术都进行了大量的研究。德国农业工程学基础研究所和英国国立农业工程研究所等单位都一直从事这方面的研究工作。最早采用单输入的控制方法，通过传感器反馈喂入量信息，改变联合收割机行走速度，用传感器反馈谷物长度信息，改变割茬高度，以保证一定的喂入量。德国已经研制出一种用喂入量信号既控制行走速度，又控制滚筒转速的联合收割机。

现在，在国外很多农机生产企业都采用了一些先进的监测控制装置。约翰·迪尔、纽荷兰、克拉斯、福格森等公司新生产的机型上很多都装有转速仪表，实时显示收割机各部分的工作状况及行驶速度，方便驾驶员随时调节工作速度。MF760收割机上就装有电－液控制的行走速度自动控制机构。通过电磁阀控制液压油缸工作，来改变无级变速器的传动轮直径实现变速。在久保田ZX300半喂入式联合收割机上，传感器直接测量滚筒扭矩，通过电子回路，用电动机改变行走无级变速器中的油泵斜盘角度，从而调节行走速度，使负荷稳定。日本久保田PR0481－M型联合收割机具有先进的速度控制装置及其他智能化装置。 1.2.2 国内研究现状

在国内，从上世纪70年代中期开始，就有专家对国外的农机自动化技术作过大量的研究工作，特别是对拖拉机和谷物联合收割机，但没有应用到国内机型上。80年代中期，应用机电一体化技术的机构在茶叶机械上研究成功，如可编程控制的茶叶揉捻机和计算机自动控制的茶叶烘干机等，但没有被推广应用。90年代初，杭州拖拉机厂从韩国引进生产的东杭HL2010型联合收割机，设有自动对行装置、发动机润滑油缺少自动报警装置、杂余抛射器堵塞自动报警装置、茎杆链排堵塞报警装置等检测报警装置。

我国对于联合收割机监视、自动控制的研究工作开展比较晚。对行走速度自动控制系统的研究也较落后。由于对先进技术的研究缺少支持，国内生产的联合收割机对于行走速度自动控制系统的应用还是较少。有专家估计，我国的农机技术发展水平与发达国家相比，仍有20~30年的差距。

现在，随着国家对农业生产的重视程度加强，对农机生产投入增加，联合收割机生产厂家对先进的控制技术的研究工作投入越来越多的经费支持，国产的联合收割机逐渐

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的采用了一些先进的行走速度自动控制技术。

1.3 本设计研究内容

本设计研究的目标是建立电驱动联合收割机行走速度自动控制的智能控制系统。此控制系统能综合分析传感器检测到的各相关参数的变化，然后由控制器发出相应联合收割机行走速度自动控制系统的研究的控制指令来调整收割机的行走速度，最终使收割机的喂入量稳定在一个允许的范围内。

由于时间、研究条件和研究水平的限制，本文仅研究单输入量的闭环控制系统，此系统的输入量为收割机的喂入量，所要控制的是电动机的转速。即根据作业过程中联合收割机喂入量的变化，通过单片机系统的分析，来控制收割机的行走速度，使其发生相应变化，最终使喂入量稳定在一定范围内。后续的研究工作可以在此基础上增加输入量，然后进行综合分析，最终使该控制系统完善，从而应用于实际生产。本设计的主要内容包括：

（1）传感器的选择：参考目前的喂入量传感器的优缺点，进行对比分析，结合目前对喂入量传感器的最新研究进展，介绍合适的喂入量测量方法及喂入量传感器。选择合适的速度传感器用来测量联合收割机的行走速度。

（2）控制系统硬件设计。包括单片机的选用、单片机硬件扩展及配置、数据转换器件的选用及配置、整个硬件系统的优化配置等。

（3）控制系统软件设计。包括主程序、数据采集子程序、各硬件驱动子程序等。（4）单片机系统的抗干扰设计。包括硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。

1.4 技术路线

系统设计的技术路线如图1.1所示

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开始资料阅读，可行性分析系统整体设计硬件设计硬件各部分分别设计整体分析修改配置是否合理硬件系统测试分析原理是否通过软件各子程序设计分析原理子程序调试是否通过系统组和调试是否通过结束

图1.1技术路线

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图2.4 AT89C51 引脚图

（1）主电源引脚VCC为电源端，接＋5V直流电源，GND为接地端；（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1连接外部晶体的一个引脚，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入。当用外部振荡器时该引脚接收振荡器的信号，把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

XTAL2接外部晶体的另一个引脚，在单片机内部它是振荡器的反相放大器的输出。采用外部振荡器时，引脚悬空不接。

（3）控制信号引脚RST、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

RST复位信号输入端，振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平可以使单片机复位。

ALE/PROG地址锁存信号引脚，访问外部存储器时，P0口输出的低8位地址由ALE输出的控制信号锁存到片外地址锁存器，P0口输出地址低8位后，又能与片外锁存储器传送信息。不访问片外存储器时，ALE以振荡器1/6的固定频率输出正脉冲，可为其他芯片提供时序和时钟信号。在对Flash存储器编程期间，该引脚用于输入编程脉冲PROG。

PSEN程序存贮允许引脚，其输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存贮器取指令时，每个机器周期两次PSEN有效（即输出2个脉冲），但在此

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期间内，每当访问外部数据存储器时，两次PSEN有效信号都不输出。

EA/VPP外部访问允许信号引脚，要使CPU访问外部程序存储器（地址为0000H~FFFFH），则EA端必须保持低电平（接GND端）。当EA保持高电平时（接VCC端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序，在Fl ash存储器编程期间，此引脚用于施加12V的编程允许电源VPP。

（4）输入输出引脚P0.0~P0.7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7、P3.0~P3.7P0端口（P0.0~P0.7）是一个8位漏极开路型三态双向I/O端口，包括一个输出锁存器，2个三态缓冲器，1个输出驱动电路和一个输出控制端。它的地址是80H至87H。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写“1”时，可作为高阻抗输入端用，在编程时P0端口接收指令字节。验证程序时则输出指令字节，此时要求外接上拉电阻。

P1端口（Pl.0~P1.7）是一个带有内部上拉电阻的8位准双向口，它的位地址是90H与97H。P1的输出缓冲器可驱动4个TTL输入，对端口写1时可用作输入口，此时那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序验证时，P1接收低8位地址信号。

P2端口（P2.0~P2.7），是一个带有内部上拉电阻的8位准双向口。它的位地址是A0H至A7H，P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL输入，对端口写“1”时可用作输入口，此时那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容是专用寄存器（SPR）区中P2寄存器的内容，整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和控制信号。

P3端口（P3.0~P3.7）是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0端口，也是双功能口。P3口可以作为第一功能口即通用I/O端口使用，也可作为第二功能口使用。P3口第二功能定义如下表所示。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

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表1.1 P3口功能表

2.3.3 系统I/O口的扩展

本系统为典型单片机应用系统，对于系统外围配置和应用电路的需要，现有并行I/O口已经不能满足，故需对系统的I/O口线进行扩展。

由于AT89C51单片机与Intel公司的MCS－51系列是兼容的，故选用Intel公司的通用型可编程I/O接口扩展芯片8255A（3×8位）来扩展I/O口线最为简捷可靠。扩展方法选用广泛采用的总线扩展方法，这种方法十分方便，扩展的8255A芯片的数据输入线取自AT89C51的P0口。在工作时，只分时占用P0口，并不影响P0口与其他扩展芯片的输入输出操作，不会造成单片机硬件资源的额外增加。 2.3.4 8255A芯片的引脚配置及功能

8255A是Intel公司与其微处理器配套的通用可编程并行I/O接口扩展芯片，可与AT89C51系统总线直接连接，引脚采用40线双列直插式封装，具体配置如图2.5所示。

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图2.5 8255A 引脚图

8255A芯片各引脚功能简述如下：

数据总线（8条）DO~D7为双向数据总线，用于单片机和8255A间的数据传送和控制信息的传送。

数据端口PA、PB、PC，可以编程选择为输入或输出端口。

控制线（6条）：RESET为复位线，高电平有效。复位时控制寄存器被清0，各端口设置成输入方式。CS为片选线，RD为读信号线，WR为写信号线，均为低电平有效。 A1、A0为端口选择信号端，用来选中PA口、PB口、PC口和控制寄存器中的哪一组工作。

2.3.5 8255A芯片与AT89C51的接口电路设计 AT89C51扩展一片8255A的接口电路如图2.6所示。

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图2.6 18255A芯片与AT89C51单片机接口电路

图中8255A的端口选择信号线A0和Al分别接AT89C51的P2.5、P2.4端，片选CS

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接P2.3端，复位引脚接AT89C51的RESET端，8255A的读写控制线RD和WR分别接AT89C51的RD和WR端，数据线D0~D7接P0.0~P0.7端。8255A的工作方式选用方式0（基本输入输出方式）。在这种方式下，PA、PB、PC口均可设置为输入或输出，且不需选通信号。 2.3.6 振荡器电路设计

AT89C51内部有一个用于构成片内荡振器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此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或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器，振荡电路的连接方法如图2.7所示。

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图2.7 振荡电路

图中外接石英晶体（或陶瓷谐振器）以及电容C1或C2构成并联谐振电路，接在

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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、起振的快速性和温度稳定性。外接石英晶体时，C1和C2一般取（30pF±10pF），外接陶瓷谐振器时，C1和C2一般取（40pF±10pF）。在此选用的是石英晶体，C1、C2均取30pF。 2.3.7 复位电路设计

与其它微处理器一样，单片机在启动时需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。AT89C51的上电复位电路如图2.8所示。

图2.8 上电复位电路

RST复位输入引脚通过一电容接至VCC端，同时经过一个电阻接地。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落。为保证能可靠地复位，RST端的高电平信号必须持续两个机器周期的时间。在复位期间端口引脚处于随机状态，复位后系统将端口置为全“1”态，即端口寄存器的复位值为FFH。PC的值是0000H，因此，程序的入口地址为0000H，CPU从0000H开始执行操作。模式控制寄存器TMOD为00H，表示定时器/计数器都处于方式0工作状态，TH0，TL0，TH1，TL1均为00H则表示定时器/计数器复位后都清零。堆栈指针SP为07H，SBUF内为不定值，其余的寄存器全部清0。内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。若系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器PC中将得不到一个合适的初值，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。

工作时如果芯片的外部选通信号EA接高电平，则首先访问内部程序存贮器。如果EA保持低电平，则只访问外部程序存贮器。在本系统中，由于使用的为内部程序存储器，故EA接高电平。

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2.4 存储器的配置

单片机将程序存储器和数据存储器分为不同的存储空间，程序存储器只可读不可写，用于存放编好的程序和表格常数。AT89系列单片机可寻址的外部程序总空间为64KB，EA引脚接高电平时，执行内部ROM中的命令，EA引脚接低电平时，单片机直接从外部程序存储器中取指令。数据存储器在物理上和逻辑上分为两个地址空间，一个为内部数据存储器空间，一个为外部数据存储器空间，外部数据存储器的寻址空间最大可达64KB。

对于片内部无ROM的单片机，或者程序较长内部ROM不够用时，需扩展外部程序存储器芯片。当数据量大，内部RAM不够用时，需扩展外部数据存储器芯片。对于本系统，由于数据量不太大，程序也不太长，选用的AT89C51单片机内部含有4KB的Flash闪速存储器，128B的RAM数据存储器，可满足要求，因此不需扩展外部存储器。

AT89C51的4KB片内Flash的地址为0000H~0FFFH，把EA引脚连到VCC，当地址为0000H~0FFFH时，即访问内部Flash存储器；当地址为1000H~FFFFH时，访问外部程序存储器。AT89C51程序存储器中，0000H~0002H单元用于初始化程序，单片机复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。另外，每个中断在程序存储器中都分配有一个固定的入口地址，中断响应后CPU便跳到该单元，从此处开始执行中断服务子程序。每个中断入口地址的间隔为8个单元，外部中断的入口地址为0003H，定时器0的入口地址为000BH，外部中断1的入口地址为0013H，定时器1的入口地址为001BH，依此类推。如果一个中断服务子程序足够短的话，则可全部存放在这8个单元中。对较长的子程序，则在此放置一条跳转指令，将中断子程序放在后边的存储器，由跳转语句来获得入口地址。

内部数据存储器的地址是8位的，低128B的分配是：最低32个单（00H~1FH）是四个通用工作寄存器组的地址，每个寄存器组含有8个8位寄存器，编号为R0~R7。专用寄存器PSW（程序状态字）中有2位（RS0、RS1）用来确定采用哪一个工作寄存器组，低128字节区中所有单元都既可通过直接寻址方式访问，又可通过间接寻址方式访问。虽然高128字节区与专用寄存器（SFR）区的地址是重合的（80H~FFH），但实际上它们是分开的，究竟访问哪一区是通过不同的寻址方式加以区分的。访问SFR用直接寻址方式，访问高128字节区时，采用间接寻址方式，并且仅在带有256B RAM的单片

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机才有高128字节区。

2.5 数据采集电路的设计

本控制系统共有两路传感器信号输入，即喂入量传感器信号和霍尔转速传感器信号。喂入量传感器输出的信号为模拟信号，需要进行A/D转换后才能输入单片机。霍尔传感器的输出信号为脉冲数字信号，经过放大整形处理后可以直接输入单片机AT89C51的计数引脚进行计算。 2.5.1 模数转换器的选择

A/D转换器是数据采集系统的核心电路，它将采样获得的连续电压转换成数字量。A/D转换器的性能指标主要包括分辨率和转换时间。分辨率是指输出的数字量最低位变化1时所对应的输入模拟电压的变化值。转换时间是指完成一次完整的A/D转换所占用的时间。

A/D转换器芯片种类按变换原理主要分为逐次逼近式、双积分式、量化反馈式和并行式和并/串式等。其中逐次逼近式A/D转换器性能价格比最优，应用最广泛。经过分析比较，我们选择常用的中速、价廉的逐次逼近型A/D转换器ADC0809芯片。 2.5.2 ADC0809引脚介绍

ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。为了实现8路模拟信号的分时采集，片内设置了8路模拟选通开关以及相应的通道地址锁存及译码电路，转换后的数据送入三态输出数据锁存器，其转换时间约为100μs。分辨率8位，转换8位。A/D转换过程主要包括：采样量化及编码，采样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码。如8位A/D转换器采集到0V电压则变成00H数字信号，采集到5V电压则变换成FFH数字信号，其他在0~5V之间的模拟量都可转换成00H~FFH之间的数字量。ADC0809采用28脚双列直插式封装，引脚如图2－9所示。单片机采集到的数据是经过采集电路处理过的数字信号。数字信号为无量纲数，要使此数据的大小能反映被测量的值，需要对数据进行标度变换，即将数字信号的大小与被测量的带有量纲的参数建立对应关系。例如，对于A／D

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转换器采集的数据就需要进行标定。因为被测的喂人量大小以模拟量的形式输入A／D转换器，数据的量纲和数值与A／D转换的输入值和转换后的数字量不同。喂人量的大小单位以kg／s表示，经传感器转换后得到的为电压值，单位为V。喂人量信号首先必须由传感器及数据处理电路转换成ADC0809所能接收的信号0～5V，再由A／D转换成00H～0FFH的数字量。这些数字量并不一定等于原来带有量纲的参数值，它们仅仅对应于参数值的大小，还须把它们转换成带有量纲的数值后才能用于运算、显示和控制输出。数据的定标就是将数据赋予合适的物理单位，因此要给出一个单位转换系数。

图2.9 ADC0809 引脚图

各脚功能如下：

IN0~IN7：8路模拟信号输入端；

D0~D7：8位数字量输出端，三态输出锁存，可与CPU数据总线直接相连； A、B、C：三位地址线，地址译码000选通IN0，相应地址译码111选通IN7； ALE：允许地址锁存信号；

START、CLK：控制信号端。START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端； VRef(＋)和VRef(－)：参考电压输入端。由外部参考电压源提供（典型值为5V）； OC、OE，EOC：A/D转换结束的标志信号，可作为微机处理机中断或查询信号，EOC端出现高电平时表示A/D转换结束；OE为数据输出允许控制端，当给OE端输入高电平时，控制三态数据输出锁存器向外部输出转换结果数据。 2.5. 3 ADC0809与单片机AT89C51的接口电路设计 ADC0809与AT89C51单片机接口电路图如图2.10所示。

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R1010KU3IN-0IN-1IN-2IN-3IN-4IN-5IN-6IN-7ALE16VCC12ref(-)ref(+)ADC0809VCC1+5V接喂入量传感器26272812345U1msb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-8EOCOEADD-AADD-BADD-C212019188151417739383736353433322122232425262728P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X210113029RXDTXDALE/PPSENAT89C51U5ACDU212345678131215143119X118X291716343332313029282753698RESET356D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC78255A43214039383718192021222324251415161713121110252423229610ENABLESTARTCLOCKRESETRDWR6QCLKQSD3274LS74C230pFC330pFX15DY112MX2U1A31274ALS02U2B64574ALS024+5VC4R310KS110uFSW-PB 图2.10 ADC0809 与AT89C51 接口电路

该电路连接主要涉及两个问题，一是8路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。图中ADC0809的数据线D0~D7接于AT89C51的数据总线P0.0~P0.7端，A/D转换后的数据信号由P0口送入单片机。地址编码端A、B、C直接与AT89C51的地址总线P2.1、P2.2、P2.3相接，这三位的状态决定选择的通道。8路模拟通道共用一个A/D转换器，8路模拟信号分时转换，每个瞬间只能转换1路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现。由于本论文所设计的只是一路信号输入，故只需要一个通道就可以，置P2.1、P2.2、P2.3全为“0”，选择通道IN0为输入端。对于后续的研究，如果增加输入量可以从其他通道输入。

AT89C51的WR、RD与P2.0通过两个逻辑门控制ADC0809的启动、锁存和输出。当P2.0=0、WR=0时，启动ADC0809。当P2.0＝0、RD=0时，单片机读转换结果，这些信号状态由指令时序形成。将ADC0809的ALE信号引脚与START信号引脚连接在一起，这样连接使得在信号的前沿写入地址信号，紧接着在其后沿就启动转换。由于ADC0809没有内部时钟电路，其时钟信号CLK由单片机的地址锁存允许信号ALE提供，单片机晶振频率为6MHz，利用74LS74将其分频为500KHz。满足CLK信号低于640KHz的要求。转换后得到的是数字量，这些数据只有确认转换完成后，才能进行传送。有三种传送方式可供选择：定时传送方式、查询方式、中断方式。这里选用了定时

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传送方式，即对于一种A/D转换器来说，转换时间是已知的和固定的，ADC0809的转换时间为128μs，可据此设计一个延时子程序。A/D转换启动后，就调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换已经完成，就可进行数据传送。传送时首先送出口地址并以RD

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作选通信号，当RD信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接收。

2.5.4 行走速度测量电路设计

在应用系统中，霍尔传感器安装在联合收割机的驱动主轴上，测量驱动主轴的转速。霍尔传感器采集到转速信号后输出相应的脉冲信号，该信号经整形电路和信号放大电路处理后，得到幅值为＋5V的标准脉冲，输入单片机的T0引脚进行计数，算出收割机的行走速度。电路设计如图2.11所示。

图2.11 行走速度测量电路

2.6 显示系统电路设计

显示系统用来实时显示联合收割机的行走速度。在收割机作业过程中，单片机从霍尔传感器采集收割机驱动主轴的转速信号，经过运算处理，得出收割机的前进速度，然后驱动显示设备显示，供驾驶员观察参考。

单片机应用系统中常用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），这两种显示器成本低、配置灵活、与单片机接口方便。本系统中使用LED显

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示块构成4位LED显示器即可满足系统的显示要求。4位LED显示器有4根位选线和8×4根段选线，段选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同，LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。静态显示方式下，每位段选线（a~dp）与一个8位并行口相连，每位可独立显示。只要在该位的段选码上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符，同一时间里每一位显示的字符可以各不相同。但4位静态显示器要求有4×8根I/O口线，占用I/O口资源多。所以本系统选用动态显示方法，即将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O控制，而共阴极点分别由相应的I/O口线控制，这样可以使电路简化。

4位LED动态显示需要一个8位I/O口和另外4位I/O口。8位I/O口用来控制段选码，另4位I/O口控制位选码。由于所有位的段选码皆由一个I/O口控制，因此每个瞬间，只能显示相同的字符。为此可采用扫描显示方式使在每一瞬间只使某一位选通显示相应字符，其他位在此时不选通。此系统设计为共阴极，选通电平为低电平。这样轮流显示，并且使每位保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，看起来不会有闪动的感觉。显示接口电路8位段选线接扩展芯片8255A的PA输出端口，4位位选线分别接AT98C51的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3端口。电路的设计如图2.12所示。

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图2.12 显示电路

2.7输出控制电路设计

单片机控制系统根据传感器检测到的信号，依据控制单元的指令向执行装置发出控制信号，使其产生相应动作。对于本系统，由于要控制的是电驱动联合收割机的行走速度，收割机驱动可采用三相异步交流电动机。收割机行走速度的改变通过控制交流电动机的转速来实现，这里采用交流变频调速器作为执行装置。输出通道示意图如图2.13所示。

单片机D/A转换器变频调速器交流电动

图2.13 输出通道示意图

2.7.1 调速方案的选择

联合收割机采用交流电动机驱动，要实现无级平滑调速，可采用变频调速。变频调

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速有很多优点：平滑变速，调速范围广，效率高，功率因数高，能降低起动冲击电流，获得较高的起动转矩，负载减速时可实现能量回馈的再生制动，使电动机快速逆转，并具有软起动、软停止，简单可编程，易构成自控系统等。

目前应用于工业生产的变频调速器以手动调速为主，少数具有自动调速功能。对于本系统，变频器只需要设计成具有自动控制功能的即可，这样可大大降低变频器的成本，故需要设计适用于本控制系统的专用变频调速器。本文仅以具有自控功能的通用变频器为例简要介绍调速方法。在该控制电路中，变频器的输入端接电网，输出端接交流异步电机的输入端，控制端接控制器。控制器根据收割机实际速度和理想速度的差值经运算后给出控制信号。变频器按照控制信号的大小将电网交流电转换成频率连续可调的交流电，此交流电加在异步电机上，当控制信号输入变频器时，可以使变频器改变输出交流电的频率，从而使异步电机的转速按要求平滑变化，这样使得收割机行走速度根据喂入量的大小进行相应调整。 2.7.2 输出控制电路设计

单片机输出的8位控制信号为数字信号，需要转换为模拟电压信号才能输入变频器的控制端。本系统选用DAC0832数模转换器，其价格低廉、接口简单、转换控制容易。

DAC0832由八位输入锁存器、八位DAC寄存器、八位D/A转换电路组成。DAC0832与单片机有两种基本的接口方法：即单缓冲器方式和双缓冲器同步方式。在本系统中，采用单缓冲方式。DAC0832的主要特性为：

（1）8位分辨率；

（2）电流稳定时间为lμs；

（3）可双缓冲、单缓冲或直接数据输入；（4）只需在满量程下调整线性度；（5）单一电源供电（+5V－15V）；（6）低功耗，20mW。

DAC0832共有20个引脚，采用双列直插式封装。其引脚图如图2.14。

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图2.14 DAC0832 引脚图

引脚功能如下：

（1）D7－D0口（8条）：数字量输入线，用于输入CPU送来的待转换数字量，D7为最高位。

（2）控制线（5条）：CS为片选线，当CS为低电平时，DAC0832被选中工作，开始D/A转换；CS为高电平时，转换器不工作。ILE为允许数字量输入线，当ILE为高电平时，允许数字量输入。

（3）输出线（3条）：Rfb为反馈信号输入线，反馈电阻在芯片内部。IOUT1和IOUT2均为电流输出线，两者之和为常数。若输入数字量全为“1”，则IOUT1为最大，IOUT2为最小；若输入数字量全为“0”，则IOUT1为最大，IOUT2最小。为了保证额定负载下输出电流的线性度，两者引脚线上的电位必须尽量接近“0”电平。为此，两者之间需接放大电路。

（4）电源线（4条）：VCC为电源输入线；VREF为基准电源输入线；DGND为数字量地线；AGND为模拟量地线。

根据DAC0832的引脚功能，设计控制输出电路如图2.15。

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R1010KU139383736353433322122232425262728P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X210113029RXDTXDALE/PPSENAT89C518255ARESETRDWR12345678131215143119X118X291716343332313029282753698RESET356U2D0D1D2D3D4D5D6D7RDWRA0A1RESETCSPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC743214039383718192021222324251415161713121110765416151413117lsbDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6msbDI7CSXferU4DAC0832+5VVCC20U3AIout1Iout2RfbVref11129LM3588Vcc312ILEWR2WR119182 图2.15控制输出电路

DAC0832的数据输入端D0－D7接单片机AT89C51的数据口P0，由于该端口同时又作为显示电路的输出口，故对其进行扩展，DAC0832接扩展芯片8255A的PB口。根据本控制系统的特点，WR1、WR2接地，数据允许锁存信号端ILE接+5V电压，CS

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和XFER接单片机P2.6引脚。当P2.6输出低电平时选通DAC0832工作，数据进行D/A转换后输出控制变频器进行电机调速。

2.8 本章小结

本章对联合收割机行走速度自动控制系统的硬件进行了设计。主要包括单片机系统硬件配置及端口扩展，喂入量测试方法的分析，行走速度测量传感器的选择，以及数据采集、控制输出电路设计和速度显示电路设计。

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3 数据处理及控制系统的软件设计

在自动测控系统中，经过数据采集器件测量的数据为原始数据，它们应该真实地反映原始信号的主要特征，这些原始测量数据在送入微机后通常要先进行一定的处理，然后才能输出用做显示器的显示数据或控制器的控制数据。

3.1 数学标度变换与标定

单片机采集到的数据是经过采集电路处理过的数字信号。数字信号为无量纲数，要使此数据的大小能反映被测量的值，需要对数据进行标度变换，即将数字信号的大小与被测量的带有量纲的参数建立对应关系。

例如对于A/D转换器采集的数据就需要进行标定。因为被测的喂入量大小以模拟量的形式输入A/D转换器，数据的量纲和数值与A/D转换的输入值和转换后的数字量是不同的。喂入量的大小单位以kg/s表示，经传感器转换后得到的为电压值，单位为v。

喂入量信号首先必须由传感器及数据处理电路转换成ADC0809所能接收的信号0～5V，再由A/D转换成00H～0FFH的数字量。这些数字量并不一定等于原来带有量纲的参数值，它们仅仅对应于参数值的大小，还须把它们转换成带有量纲的数值后才能用于运算、显示和控制输出。数据的定标就是将数据赋予合适的物理单位，因此要给出一个单位转换系数。对于8位的ADC0809的转换范围为0～5V，所以0bit对应0V，255bit对应5V，所以它的转换系数为

即数字量1bit的变化对应电压变化19.53mV。因此，如果求xV电压所对应的数字量时，只需按式y＝x/k(bit) 可算出y的值，再将y变为16进制数即可得到相应的数字量。在软件设计时，按此式变换，即可建立喂入量传感器检测的电压大小与单片机接收的数字量的对应关系。同样的，喂入量的大小（kg/s）与传感器检测的电压大小之间也可以建立对应的关系。单片机通过对所收到的数字信号的标度变化即可获得喂入量的原始大小，并可以将此数据显示或者进行其他操

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作。

3.2 数字滤波算法

在数据采集的过程不可避免地要引入一些干扰信号，系统的各个构成环节自身也会产生噪声叠加在信号上，这些因素都削弱了原始数据的真实性，因此在数据正式使用之前要进行处理。

喂入量传感器采集的喂入量模拟信号经过A/D转换成数字量后，要经过软件进行预处理。这是因为模拟环节不可能完全滤除全部干扰信号，没有被去掉的干扰信号也会随着转换成数字量加到数据中；同时在模拟滤波之后的环节会继续引入外界的干扰而产生噪声，给数据造成新的误差，霍尔传感器采集的转速信号也是如此。通过软件算法对数字量进行滤波处理有时比在模拟环节的数据处理更容易获得好的效果。数字滤波算法可以理解为运用CPU运算、控制功能，利用软件程序对数据进行加工，去掉其中的干扰和噪声成分，保留有用数据。由于数据滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。数字滤波的实现方法有算术平均滤波、低通滤波、递推平均滤波、一次延迟数字滤波等。每种滤波方式都有其各自不同的特点及适用的范围。

本系统选用较简单的一次延迟数字滤波方法。该滤波方法的算法为：

yn=(1－β)xn+βyn－1

其中：

xn—本次（第n次）采样值，即本次A/D转换值 yn—本次数字滤波输出值

yn－1—上次（第n－1次）滤波输出值 β—滤波系数，β＝TF／(TF+TS)，0＜β≤1 TF—滤波时间常数 TS—采样周期

3.3 控制系统软件设计

控制系统软件的功能是协调好单片机内部资源和外接电路的工作，软件设计

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的主要任务是使单片机及外围器件按程序设计的功能动作，以满足控制要求。目前存在有4种编程语言支持单片机，即汇编语言、PL/M语言、C语言和BASIC语言。其中C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言具有较高的可移植性，有丰富的库函数，运算速度快，编译效率高，且可以直接实现对系统硬件的控制。它具有完善的模块程序结构，在软件开发中可以采用模块化程序设计方法。用C语言进行程序设计大大缩短开发周期，程序可读性强，便于扩充。所以本系统程序设计采用专门用于51系列单片机编程的C语言－C51编写，编程方法采用模块化程序设计的方法，其中心思想是把一个复杂的应用程序按整体功能划分为若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后再进行综合调试。程序的调试运行选用清华同方生产的单片机开发试验箱。

程序设计步骤是首先根据系统的总任务和控制对象的数学模型画出程序的总体框图，以描述程序的总体结构。在总体框图的基础上，结合数学模型确立各子任务的具体算法和步骤，演化成计算机能处理的形式，然后画出子模块的所有流程图。子模块程序流程图绘成后，统筹安排全局性问题，包括程序地址空间分配，工作寄存器安排，端口地址等等。根据流程图编好程序后，对程序进行静态检查。静态检查采用自上而下的方法，排除程序中潜在的一些隐患和错误。然后再上机调试程序，程序的设计调试包括分块调试和系统联调两个阶段。

本控制系统中，按程序完成的功能主要分为4个程序模块。

（1）喂入量信号数据采集模块完成对喂入量信号的采集及模数转换；（2）转速信号采集模块计算出联合收割机的行走速度；（3）LED显示模块对行走速度进行实时显示；

（4）控制模块根据计算的结果发出控制指令，经过D/A转换后驱动变频调速器实现调速功能。

在程序设计时，将整个程序分为几个功能模块分别实现。主要包括主程序、速度测量子程序、速度显示子程序、A/D转换子程序、控制子程序等。各子程序可单独调试修改。单片机工作时，通过分别调用各子程序完成相应功能。下面简要介绍几个主要程序的设计

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3.3.1 主程序设计

软件主程序的功能是对单片机及其他芯片的工作状态进行初始化，同时组织调用各子程序，按预定要求完成控制功能。程序具体功能包括：

（1）对单片机及其他芯片进行初始化。

（2）调用速度测量子程序。霍尔传感器测量的驱动主轴的转速信号输入到单片机的计数器，经过运算、转换得出联合收割机的行走速度。主程序通过调用该子程序直接获得收割机的行走速度数据。

（3）将速度显示在LED显示器上供驾驶员参考。速度显示模块设计成显示子程序，主程序调用显示子程序即可显示速度大小。

（4）调用喂入量测量子程序，获得喂入量的大小信号。喂入量信号经A/D转换器转换后输入单片机，经换算后返回喂入量大小数据。此测量子程序被调用后，喂入量数据进入主程序。

（5）检查喂入量的大小是否在设定范围内，调用控制子程序，控制变频器进行相应调整。

主程序流程图如图3.1所示。

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开始单片机复位，系统初始化读取收割机速度显示车速减少行走速度读喂入量大小增加行走速度喂入量大于设定范围的最大值？NY小于范围的最小值？N返回

图3.1主程序流程图

3.3.2 喂入量数据采集子程序

喂入量数据采集通过A/D转换器实现。每次采集5个数据存放到数组feeddata(i)中，数据处理程序将这5个数按大小排序，舍掉最大和最小值，取3个中间值相加求平均值，经过标度转换得出喂入量的大小值。由于本系统没有选择具体的传感器，在程序调试时，以电位器输出的可调电压来模拟喂入量传感器的输出信号。喂入量数据采集的A/D转换程序如图3－2所示。喂入量数据采集通过A／D转换器实现。每次采集5个数据存放到数组eddata(i)中，数据处理程序将这5个数按大小排序，舍掉最大和最小值，取3个中间值相加求平均值，经过标度转换得出喂入量的大小值。由于本系统没有选择具体的传感器，在程序调试时，以电位器输出的可调电压来模拟喂入量传感器的输出信号。

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入口开内部中断1送端口地址置数据采集次数5启动A/D转换A/D转换结束？NYN采集次数减1为0？YNA/D转换结束？Y关中断返回

图3.2 A/D转换程序流程图

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由前面数据处理部分可知，数字滤波的算式为：

yn=(1－β)xn+βyn－1

据此设计数据滤波子程序，程序流程图如图3.3所示。

入口TF+TS(1－β)xnβ＝TF／(TF+TS)计算ynβ*yn－1yn送到yn－11－β返回主程序

图3.3数字滤波子程序

3.3.3 速度显示子程序

速度显示用4位数码管来实现。前两位为整数位，后两位为小数位。转速传感器采集的数据经过单片机处理后，计算出收割机行走速度大小，以十进制数表示。显示子程序流程图如图3.4所示。

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开始端口初始化显示数据区首地址R0字位码初值送R2字位码送P3口低4位显示数送寄存器A，查询字段码送8255 A口显示并延时(R0)+1指向下一单元显示4位显示完毕？Y(R2)左移一位，指向下一位

图 3.4显示子程序流程图

3.3.4 控制输出子程序

控制输出子程序的任务是将单片机对喂入量信号判断后发出的控制命令输

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出到执行机构，使执行机构按要求动作，从而满足控制要求。在程序设计时采用两个字符变量作为命令执行的判断标志。以变量inc表示需要提高速度，inc为“0”时不执行动作，inc为“1”时执行提速动作；以变量dec表示需要降低速度，dec为“0”时不执行动作，dec为“1”时执行降速动作。程序流程图如图3.5所示。

喂入量信号喂入量大于最大值Ydec置1变速装置dec置0N喂入量小于最小值启动D/A转换Yinc置1N变速装置inc置0Y降速命令inc为1N启动D/A转换dec为1Y提速命令返回

图3.5控制输出程序

3.4 本章小结

本章主要介绍了数据采集完成后单片机对数据的处理方法以及控制系统的

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软件设计。数据处理主要功能是完成数据的标度变换及标定，对数据进行数字滤波处理。数字滤波方法选用一次延迟数字滤波法，并给出了该方法的算法。软件设计采用C51语言的模块化程序设计方法。主要介绍了主程序的设计，喂入量数据采集子程序的设计，数字滤波算法子程序的设计和速度显示子程序的设计。

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4 控制器抗干扰设计

单片机工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。单片机系统主要应用于实际的生产过程中，承担的任务大且不允许执行程序出错，否则就会产生严重后果。因此，为了保证系统能在实际应用中连续、可靠地工作，必须要周密考虑和解决抗干扰问题。

大多数情况下，系统失效的原因都是干扰造成的。干扰信号主要通过三个途径侵入微机系统内部：即电磁感应、传输通道和电源线。一般情况下经电磁感应进入控制器的干扰远远小于从传输通道和电源线进入的干扰，对电磁感应干扰可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。所以抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。针对该控制系统的特点，在硬、软件方面都应采取相应有效的具体措施来抑制干扰，保证控制系统可靠工作。影响单片机系统可*安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰，并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素，常会导致单片机系统运行失常，轻则影响产品质量和产量，重则会导致事故，造成重大经济损失。

4.1 形成干扰的基本要素

（1）干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

（2）传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

（3）敏感器件。指容易被干扰的对象。如：A/D、 D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。

4.2 干扰的分类

干扰的分类有好多种，通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性

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等等进行不同的分类。按产生的原因分：

可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。按传导方式分：可分为共模噪声和串模噪声。

按波形分：可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。

4.3 干扰的耦合方式

干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。因此，我们有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。干扰的耦合方式，无非是通过导线、空间、公共线等等，细分下来，主要有以下几种：

（1）直接耦合：这是最直接的方式，也是系统中存在最普遍的一种方式。比如干扰信号通过电源线侵入系统。对于这种形式，最有效的方法就是加入去耦电路。

（2）公共阻抗耦合：这也是常见的耦合方式，这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。为了防止这种耦合，通常在电路设计上就要考虑。使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

（3）电容耦合：又称电场耦合或静电耦合。是由于分布电容的存在而产生的耦合。

（4）电磁感应耦合：又称磁场耦合。是由于分布电磁感应而产生的耦合。（5）漏电耦合：这种耦合是纯电阻性的，在绝缘不好时就会发生。

4.4 常用硬件抗干扰技术

针对形成干扰的三要素，采取的抗干扰主要有以下手段。 4.4.1 抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt， di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

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抑制干扰源的常用措施如下：

（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。

（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1 μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。

（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。

（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。 4.4.2 切断干扰传播路径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩。切断干扰传播路径的常用措施如下：（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。

（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。

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（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机、继电器）与敏感元件（如单片机）远离。

（5）用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。

（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。

（7）在单片机I/O口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。 4.4.3 提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：

（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。

（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。

（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如： IMP809，IMP706，IMP813， X5043，X5045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。

4.5硬件抗干扰

数据采集输入、控制信号输出通道是前向接口、后向接口与主机之间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输是形成干扰主要因素。为了保证传输的可靠性，主要可采取的措施有光电藕合隔离、双绞线传输，阻抗匹配等。

光电藕合器可切断干扰信号在主机与前向、后向电路的传输，有效地抑制尖

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峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。双绞线常用于系统的长线传输中，与同轴电缆相比虽然频带较差，但波阻抗高、抗共模噪声能力强，能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消。分布电容为几十皮法（PF），距离信号源近，可起到积分作用，故双绞线对电磁场具有一定抑制效果，但对接地与节距有一定要求。长线传输时阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号失真，其危害程度与系统的工作速度及传输线的长度有关，因此，要对传输线进行阻抗匹配。

对于本系统，在电路设计及电路板布置时应充分考虑采用相应的抗干扰措施。在输入通道和输出控制通道中采用光电耦合器，尽量缩短通道线长度，采用双绞线并进行阻抗匹配，发送和接收信号端增加末端电阻等。

电源及输电线路都存在内阻，这些内阻引起了电源的噪声干扰，单片机应用系统的供电线路是干扰的主要侵入途径之一。设计有效的低通滤波器可以吸收电网中的大部分噪声，直流稳压源采用双层屏蔽的电源变压器可防止干扰通过初、次级间的电容效应窜入。高性能集成稳压块输入、输出端接大容量的滤波电解电容和小瓷片电容可减小小纹波和等效内阻。同时尽量对不同的器件采用独立供电，设计电路板时尽量使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，根据电流的大小尽量加粗导线的宽度。

在单片机应用系统中，印刷电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，所以印刷电路板设计得好坏对抗干扰能力影响很大，印刷电路的合理设计，可以抑制大部分的干扰。所以在设计印刷电路板时应注意。印刷电路板大小要适中，器件布置应把相互有关的器件尽量放得靠近些，导线间距离要尽量大，在电路板的各个关键部位配置去涡电容。接地线应尽量加粗，正确地将接地和屏蔽结合起来，数字信号采用负逻辑传输，其输出低电平时内阻小，干扰影响小。以上措施均可有效地增强抗噪声能力、抵抗干扰。

4.6软件抗干扰

设计了硬件抗干扰措施后，仍会有大量干扰信号进入系统。在前向通道中干扰信号会叠加在正常的数据信号上，在信号放大时，干扰也会被相应放大。所以在数据采集时，对数据处理应采用算术平均值法、比较取舍法和函数法等方法使

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测量结果中干扰信号的比重减小。

在程序设计时可以采用空操作指令NOP等冗余指令减少程序的“乱飞”几率。同时，对于重要的指令也采用冗余设计，在程序中重复编写这些指令以确保执行。另外，如果跑飞的程序落到一个临时构成的死循环中，冗余指令将无能为力，这时可设计一种模仿人工监测的“程序运行监视器”，俗称“看门狗（watch dog）”。将用于看门狗的片内定时器中断级别设定为高级中断，系统中其它中断均设为低级中断。单片机系统出现死机时，系统不能自动复位，软件看门狗进入计数循环，计数器满就发出信号使单片机复位，系统恢复正常运行。

4.7本章小结

本章主要分析了常见的单片机干扰的来源，并相应的介绍了应采用的抗干扰设计。硬件方面的抗干扰设计主要包括数据采集通道抗干扰设计，印刷电路板抗干扰设计，电源抗干扰设计等。软件方法主要数字滤波、指令冗余及采用软件“看门狗”等方法。

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结论

本设计根据联合收割机行走速度自动控制的研究现状和发展趋势，结合单片机自动控制技术，对行走速度自动控制系统进行了改进。设计了一套联合收割机行走速度自动控制系统。主要完成了以下几个方面工作：

（1）对联合收割机行走速度控制系统进行了整体规划和功能模块设计。改变传统的自动控制思路，以电动机作为执行机构，结构简单，控制方便。

（2）完成了系统硬件的总体设计。选择了合适的传感器及测试方法，对单片机系统进行了配置及扩展，对数据采集电路、速度显示电路和输出控制电路等分别进行了设计。

（3）根据硬件电路的特点，对系统的软件进行模块化设计。给出了几个主要程序的设计思路及方法。完成了主程序、喂入量数据采集程序、数字滤波程序和速度显示子程序的设计。

（4）完成了控制系统主要软件的编程工作，分别对各子程序进行调试运行，并对整个系统进行模拟调试。结果显示，该系统基本可以实现预定的功能。

由于时间、试验条件和知识水平所限，本系统许多地方有待改进、完善以及进一步开发，并通过试验验证。主要体现在以下方面：

（1）除了喂入量的大小以外，收割机的行走速度受很多因素的制约，单纯的采用喂入量参数作为收割机行走速度的调整参数在实际生产中无法应用。需要考虑各种影响因素，对收割机综合协调控制。

（2）对收割机喂入量进行实时定量测量的传感器很少，不能满足工作要求。需要对新型的喂入量测量传感器进行进一步研究。

（3）对于电动机的变频调速，目前的通用变频调速器体积大，价格昂贵，并且不易于实现自动控制。需要研究一种专用的变频调速器用于收割机驱动电机的调速。

该系统为电驱动收割机的速度控制提供了一种设计思路，系统的进一步完善有待后续研究工作来完成。

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致谢

这次的毕业设计是在我的指导老师祝洪宇老师亲切关怀和悉心指导下完成的。从毕业设计选题到设计完成，祝老师给予了我耐心指导与细心关怀，有了祝老师耐心指导与细心关怀我才不会在设计的过程中迷失方向，失去前进动力。祝老师有严肃的科学态度，严谨的治学精神和精益求精的工作作风，这些都是我所需要学习的，感谢祝老师给予了我这样一个学习机会，谢谢！

感谢与我并肩作战的舍友与同学们，感谢关心我支持我的朋友们，感谢学校领导、老师们，感谢你们给予我的帮助与关怀；感谢辽宁科技大学，特别感谢电信学院四年来为我提供的良好学习环境，谢谢！

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参考文献

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