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ARM全自动机械控制的模块设计

摘要:本文设计的全自动机械控制模块采用了实时采集传感器信号分析及智能分析外部环境、路径信息、自动方向控制及速度调节等技术。控制模块具有实时画面传输能力,人机交互能力,道路识别能力,能与GPS导航实时交换数据,能自动识别道路,并可以根据路面情况实时调整行走速度和角度。

关键词:模块设计;ARM;自动控制

农用机常用于我们的家庭、农业产区。农用机为我们的生活带来了很多便利。然而很多家庭使用的机械都是简单的机械结构全依靠人来操,在现有的农用机械当中,不管多么小型或者大型甚至价格昂贵的机器,都没有一套自动控制的装置,这样虽然节省了大量人力但是也需要人来操作,机械化的应用越来越普遍,同时需要的人力也就越多。本实用新型设计的一种全自动机械控制模块,并能根据使用者的命令及现场实时信号采集,自主控制机械和给使用者提示。给人们的生活带来便利,保证了使用者的最大利益。

1系统简介

本文设计的全自动机械控制系统包括:主机处理单元、电源电路单元、传感器单元、照明单元、寻迹导航单元、驱动单元、执行单元、实时图像传输单元和人机交互单元、报警单元以及液晶显示单元。其特征在于:所述的主机处理单元经由电源电路单元给主机处理单元供电,所述的主机处理单元的信号输出端与显示、报警单元和驱动,执行以及实时图像回传单元连接,所述的主机处理单元将检测到所有信号进行识别处理,所述的传感器单元和寻迹导航单元连接到主机处理单元。其中人机交互模块完成如下功能:通过主控模块接收从GPS上发来的路径、里程等信息,经微处理器处理后利用串口发送到显示屏上进行显示。当我们需要进行操作时可以在手机上面规划一下目的地,通过手机启动控制系统,进而控制机器的所有操作。

2系统设计方案

针对系统中驱动、传输等关键模块进行方案对比论证。

2.1电机的选择与论证

方案1:采用直流减速电机作为该系统的驱动电机。直流减速电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单,使用方便,很容易实现PWM调速且调速范围宽、低速性能好。方案2:采用步进电机作为该系统的驱动电机。步进电机对距离和转向定位精确,但输出力矩较低且转速较高时会急剧下降。综合考虑农机对负载、速度、运动精度等方面的要求,选定直流减速电机。

2.2电机驱动方案的选择与论证

方案1:采用继电器对电机的开和关进行控制,通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单,实现容易;缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。方案2:采用H型脉冲宽度调制(PWM)全桥式驱动电路。通过PWM脉宽调制的方法实现对执行机构速度的控制。调速特性优良、调速范围广、过载能力大,可以实现频繁的快速启动、制动和反转。H型全桥式电路降低了实现转速和方向控制的复杂性。方案3:采用DSP芯片,配以电机控制所需要的外围功能电路,通过数控电压源调节电机运行速度,实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。通过综合比较分析,方案2可以较好的满足设计的需求。

2.3电源的选择

方案1:锂离子电池循环使用寿命长达2000次,比能量高150W•h/kg,充电时间短2~4h,充放电电能转换效率可大于97%,体积小、重量轻,但价格较高。方案2:铅酸蓄电池循环使用寿命长达900次,比能量低40W•h/kg,充电时间一般在8h以上,充放电电能量转换效率约为80%左右,体积大、重量重,续航时间短,但价格较低。综合考虑,选择方案1配合太阳充电器作为控制电路及其他电路的能源。

2.4实时画面传输模块的选择

采用3G无线车载视频系统运行中的车辆安装3G无线车载网络摄像机,外接4个摄像头,车载摄像机通过CDMA网络对车的图像进行回传至监控中心完成实时监控。

3硬件设计

控制器模块采用ST公司的一片ARM芯STR710FZT6,电机驱动采用专用芯片L298N。电机驱动芯片L298N由6个I/O口经4个与门输出的4路信号来控制两电机,电路如图1所示,其中I/O口P1.2与P1.7是定时器1和3的输出端,用来产生PWM波;P2.2、P2.3、P2.4、P2.5是普通I/O口,用来控制电机运动的方向。测速模块主要由ST168芯片完成,每个轮上一个,每块芯片仅需一个I/O口来记录脉冲数。四个轮对应的I/O口分别是P2.14、P2.15、P2.0、P2.1,其电路如图2所示。超声波模块分为发射端与接收端,其中接收端的I/O口具有外部中断功能。当接收到信号,MCU就会触发中断,通过记录时间间隔可以计算出距离障碍物的距离。

4结论

本文结合执行机构及工作环境对控制模块进行了方案设计和硬件设计,在原有机械模块的基础上对控制方式进行了设计,使得系统的自动化程度提高,能更好地适应现代化农业种植的需要。

参考文献

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[4]郁有文.传感器原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

作者:叶振环 袁得永 袁刚 单位:遵义师范学院工学院

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