鄭曉龍，王士軍，張軍偉，文永雙，趙　達(dá)

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博　255004)

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農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)調(diào)高裝置微電容檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭曉龍，王士軍，張軍偉，文永雙，趙達(dá)

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255004)

摘要：農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度越來越高，自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的作用越來越大，從而等距控制的自動(dòng)調(diào)高裝置需求量與日俱增。本文根據(jù)自動(dòng)調(diào)高裝置的要求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STC89C52R和電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7746的微電容檢測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件組成及其接口電路，分析了系統(tǒng)的軟件組成及編程原理。通過AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)電容傳感器的信號(hào)采集與數(shù)字轉(zhuǎn)換，利用單片機(jī)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7746控制及上位機(jī)的通信。最后，通過實(shí)驗(yàn)獲取了檢測(cè)系統(tǒng)的本底電容和測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)高裝置；微電容檢測(cè)；AD7746；STC89C52R；農(nóng)業(yè)機(jī)械

0引言

從農(nóng)作物種植、田間管理到收獲的各個(gè)階段，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度越來越高，自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的作用也越來越大。例如，馬鈴薯種植機(jī)排種的深度控制、翻耕作業(yè)中犁的深度控制、自動(dòng)拋肥機(jī)及農(nóng)藥噴灑中的噴嘴與作物間的高度控制等，均需要一種可實(shí)現(xiàn)等距控制的自動(dòng)調(diào)高裝置[1]。

為此，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)調(diào)高裝置的微電容檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于AD7746和STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，已在農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到應(yīng)用并取得良好的效果，為進(jìn)一步提高自動(dòng)調(diào)高裝置的精度提供了理論和實(shí)踐參考依據(jù)。

1系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)工作需經(jīng)過以下4個(gè)步驟：

1)通過方波激勵(lì)在感應(yīng)板上產(chǎn)生激勵(lì)電容；

2)對(duì)感應(yīng)上的電容進(jìn)行采樣，獲取電容值；

3)對(duì)模擬信號(hào)(電容值)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

4)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正后進(jìn)行輸出和處理。

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的電容產(chǎn)生、電荷采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)校正等功能都由AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片完成。該系統(tǒng)電容產(chǎn)生模塊通過AD7746內(nèi)部的激勵(lì)源提供的方波激勵(lì)信號(hào)在自制的感應(yīng)環(huán)上產(chǎn)生電容。AD7746內(nèi)部集成的24位調(diào)制器對(duì)感應(yīng)板上的電荷進(jìn)行采樣，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字信號(hào)[2]；然后，經(jīng)過芯片上的數(shù)字濾波器進(jìn)行校正處理；最后，經(jīng)過單片機(jī)的串行口輸入到PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1　系統(tǒng)的工作原理框圖

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件包括自制的感應(yīng)板、AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器、51系列單片機(jī)、GL9開發(fā)板、存儲(chǔ)單元、液晶顯示單元及PC機(jī)等部分。這些硬件構(gòu)成了系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。

2.1電源及抗干擾部分

該微電容檢測(cè)系統(tǒng)是模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)相混合的系統(tǒng)。AD7746芯片具有極高的采樣頻率和較高的時(shí)鐘頻率，所以系統(tǒng)對(duì)干擾非常敏感，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行處理來降低噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。具體措施為[3]：

1)對(duì)數(shù)字器件和模擬器件分開布置并單獨(dú)供電；

2)模擬信號(hào)要遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)，并且模擬信號(hào)之間也要隔開。

2.2STC89C52單片機(jī)

STC89C52單片機(jī)是一款低功耗、高性能的COMS8位控制器，具有8K字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM、32位I/O口線、MAX810復(fù)位電路、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)外部中斷，以及全雙工串行口，非常適合用于單路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片

AD7746內(nèi)部集成了數(shù)字濾波和激勵(lì)源、24位Sigma-Delta調(diào)制器、IIC總線接口、多路復(fù)用器，以及控制邏輯修正等。其采用單電源供電，有兩個(gè)外接電容通道，每個(gè)通道可以按差分模式或單相模式工作。AD7746轉(zhuǎn)換芯片實(shí)際上是把被認(rèn)為是純?nèi)菘?無泄漏容抗)的示例電容的與一個(gè)參考電容相比較從而提供一個(gè)準(zhǔn)確的估計(jì)值(理論上是24位，實(shí)際上小于100aF)[4]。

2.4數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元主要是由STC89C52單片機(jī)和AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片及自制的感應(yīng)板構(gòu)成。STC89C52單片機(jī)通過IIC總線對(duì)AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制。IIC總線是一種高性能串行總線，采用串行總線技術(shù)可以使系統(tǒng)的體積減小、可靠性提高，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的更改和擴(kuò)充更為簡(jiǎn)單。IIC總線為雙線制，即時(shí)鐘總線SCL和數(shù)據(jù)總線SDA。STC89C52單片機(jī)和AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的接口電路如圖2所示。轉(zhuǎn)換芯片的SDA、SCL分別接到單片機(jī)的P1.2和P1.4端口。

圖2　AD7746和單片機(jī)的接口圖

2.5數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元是指在MatLab環(huán)境下單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通信獲取采集到的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

單片機(jī)輸出的是TTL電平(輸出數(shù)據(jù)為0大約等于0V，輸出數(shù)據(jù)為1大約等于1V)；而電腦上串口的電平為RS232電平(有+15V左右的電壓和-15V左右的電壓)，單片機(jī)要連接到電腦上必須接一個(gè)232轉(zhuǎn)換芯片，最常用的是MAX232轉(zhuǎn)換芯片。相對(duì)于傳統(tǒng)的PC機(jī)，現(xiàn)在的電腦一般沒有設(shè)置串口，因而現(xiàn)在使用的單片機(jī)開發(fā)板上都沒有設(shè)置串口而是配有USB轉(zhuǎn)串口單元；但可以在電腦上虛擬出一個(gè)串口，這樣就可以非常簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)與任何計(jì)算機(jī)的通訊。USB轉(zhuǎn)串口單元是硬件上的轉(zhuǎn)換，對(duì)編程沒有影響。在MatLab環(huán)境下串行通信的數(shù)據(jù)采集處理單元的示意圖如圖3所示。

2.6其他外圍電路

對(duì)于STC89C52單片機(jī)，外圍電路需要接與PC機(jī)進(jìn)行通信的電平轉(zhuǎn)換電路、晶振電路(如MAX5054芯片)和看門狗電路等。

圖3　Matlab環(huán)境下串行通信的數(shù)據(jù)采集處理單元示意圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、單片機(jī)與AD7746通信程序、單片機(jī)與PC機(jī)串口通信程序、數(shù)據(jù)處理程序及液晶顯示驅(qū)動(dòng)等。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)的初始化是指對(duì)單片機(jī)和AD7746的內(nèi)部寄存器及端口進(jìn)行初始化[5]。

系統(tǒng)的核心部分是對(duì)STC89C52單片機(jī)編程，控制AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、串口RS232、顯示驅(qū)動(dòng)及上位機(jī)的通信等。 軟件程序設(shè)計(jì)是在Keil4環(huán)境下，利用C51進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)的。

3.2AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的編程設(shè)計(jì)

對(duì)AD7746芯片進(jìn)行控制，設(shè)置其內(nèi)部可寫入寄存器即可。寄存器的讀寫是通過IIC總線進(jìn)行設(shè)置。寄存器的讀寫嚴(yán)格按照相應(yīng)的時(shí)序圖進(jìn)行[6]。IIC總線的函數(shù)主要有啟動(dòng)、停止函數(shù)及接受、發(fā)送字節(jié)函數(shù)。對(duì)AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的編程流程如圖5所示。

圖5　AD7746配置流程圖

下面展示了IIC總線的啟動(dòng)、停止函數(shù)以及讀AD7746的源代碼。

1)IIC總線的start函數(shù)代碼如下：

void IICstart(void)

{

SDA=1;

SCL=1;

_nop_();

_nop_();

SDA=0;

_nop_();

_nop_();

SCL=0;

}

2)IIC總線的stop函數(shù)代碼如下：

void IICstop(void)

{

SAD=0;

SCL=1;

_nop_();

_nop_();

SDA=1;

_nop_();

_nop_();

SCL=0;

}

3)讀取AD776數(shù)據(jù)的程序源代碼如下：

void GETvalue(unsigned char *p,unsigned char n)

//讀取AD7746采取先寫后讀的方式 即先寫入地址，再讀相應(yīng)的寄存器內(nèi)容

{ unsigned char i;

unsigned char flagw;

IICstart ();

IICsendbyte(0x90);//I2C寫命令字指令

flagw=IICWatask();//接受應(yīng)答信號(hào)

IICsendbyte(0x01); //I2C寫地址

flagw=IICWatask();

IICstart();

IICgetbyte(0x91); //I2C讀命令字指令

flagw=IICWatask();

for(i=0;i

{ *p=IICRECVbyte();//接受數(shù)據(jù)

if(i!=n-1)

IICSendask();//發(fā)送應(yīng)答信號(hào)

else

IICSendask();

p++;

}

IICstop();

}

3.31602液晶顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用1602液晶作為顯示模塊，用來顯示出檢測(cè)的電容的數(shù)值。1602液晶是指顯示內(nèi)容為2行，每行16個(gè)字符的液晶模塊。1602液晶的驅(qū)動(dòng)應(yīng)嚴(yán)格按照接口操作時(shí)序編寫，接口操作時(shí)序包括讀操作時(shí)序和寫操作時(shí)序。讀操作時(shí)序包括讀數(shù)據(jù)和讀狀態(tài)兩個(gè)內(nèi)容，寫操作時(shí)序包括寫指令和寫數(shù)據(jù)兩個(gè)內(nèi)容。1602液晶顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6　1602液晶顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程圖

其中，液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序的初始化程序如下：

void LCD1602_init(void)

{

Delay1602(1500);

LCD1602_Write_com(0x38);

Delay1602(500);

LCD1602_Write_com(0x38);

Delay1602(500);

LCD1602_Write_com(0x38);

LCD1602_Write_com_busy(0x38);

LCD1602_Write_com_busy(0x08);

LCD1602_Write_com_busy(0x01);

LCD1602_Write_com_busy(0x06);

LCD1602_Write_com_busy(0x0C);

}

3.4單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信在MatLab環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，在MatLab中有設(shè)備控制工具箱(instrument control toolbox)用來負(fù)責(zé)上、下位機(jī)的通信。Matlab對(duì)串口的控制分為4步；

1)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行屬性設(shè)置；

2)打開串行設(shè)備對(duì)象；

3)讀寫串口操作；

4)關(guān)閉并清除設(shè)備對(duì)象。

在MatLab環(huán)境下，讀取串口數(shù)據(jù)有查詢和中斷兩種方法。微電容檢測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)采集單元采集到的數(shù)據(jù)，而采用中斷方式能夠?qū)崟r(shí)處理下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)[7]?；贛atLab單片機(jī)與PC機(jī)串行通信的程序流程圖如圖7所示。

圖7　基于Matlab單片機(jī)與PC機(jī)串行通信的程序流程圖

下面展示基于MatLab中斷通信的部分源代碼：

G=serial(‘COM1’);%創(chuàng)建COM1為串口對(duì)象并用G來標(biāo)記

G.Timeout=0.5;%讀寫完成的時(shí)間為0.5s

Set(G,‘BaudRate’,4800);%定義COM1的傳輸速率為4800bit/s.

G.StopBits=1;%停止位為1位

G.InputBufferSize=4096;%定義輸入緩存區(qū)大小

G.OutBufferSize=4096;%定義輸出緩沖區(qū)大小

G.FlowComtrol=’hardware’;%硬件流控制

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

AD7746測(cè)得的電容值包括兩部分，即待測(cè)極板電容C1和附加電容C2。附加電容值的檢測(cè)可以通過在電容傳感器的極板連接處斷開待測(cè)電容測(cè)量得到。

主要進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1測(cè)量了系統(tǒng)的附加電容值，測(cè)量值如表1所示；實(shí)驗(yàn)2測(cè)量了電容值為2pF的無極性定值陶瓷電容器的電容值。將電容接到AD7746的EXEA腳和CIN(+)腳之間，然后進(jìn)行反復(fù)測(cè)量10 000次。圖8給出了連續(xù)100次測(cè)量結(jié)果的折線散點(diǎn)圖。

表1　檢測(cè)系統(tǒng)附加電容的測(cè)量值

從測(cè)量數(shù)據(jù)得到，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的附加電容最小值為0.109 072 5pF，最大值為0.109 197 5pF，平均值為0.109 136 4pF。數(shù)據(jù)表明：無待測(cè)電容的檢測(cè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地檢測(cè)出附加電容數(shù)值，誤差為±0.06fF。出現(xiàn)這種誤差的原因是傳感器、包裝、電纜、鏈接終端及在實(shí)驗(yàn)中使用的探針和其他接觸設(shè)備引起的寄生電容[8]。該誤差的測(cè)量為待測(cè)電容的測(cè)量提供了必要的初始化條件。

圖8　2pF定值電容的測(cè)量值

實(shí)驗(yàn)2對(duì)2pF的定值電容經(jīng)過10 000次采樣，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最小值為2.044 947 4pF，最大值為2.046 495 2pF，平均值為2.045 682 9pF。數(shù)據(jù)表明：該電容檢測(cè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定輸出誤差達(dá)到±0.8fF的電容值,滿足系統(tǒng)的精度要求。

5結(jié)論

基于AD7746和STC89C52單片機(jī)的自動(dòng)調(diào)高裝置微電容檢測(cè)系統(tǒng)充分發(fā)揮了AD7746高精度、高分辨率、高線性度及高更新率的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用了高性能的STC89C52單片機(jī)，使得該測(cè)距系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、精度及較小的體積等優(yōu)點(diǎn)。該自動(dòng)調(diào)高裝置目前已經(jīng)在馬鈴薯種植機(jī)、玉米種植機(jī)、自動(dòng)拋肥機(jī)及農(nóng)藥噴灑機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到應(yīng)用，發(fā)揮了良好的使用性能，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度大幅度提高[9]。

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Abstract ID:1003-188X(2016)03-0101-EA

Design of Automatic Height-adjustment Device Micro-capacitance Detection System in Agricultural Machinery

Zheng Xiaolong, Wang Shijun, Zhang Junwei, Wen Yongshuang, Zhao Da

(School of Mechanical Engineering ,Shandong University of Technology, Zibo 255004,China)

Abstract：Degree of agricultural machinery automation is increasing, the role automatic detection and control technology is increasing, automatic height-adjustment device automatically increase the demand is growing. According to the requirement of automatic height-adjustment device, micro-capacitance detection system based on AD7746 and microcontroller STC89C52 was designed. The hardware, software, interface circuit and program data flow were explained in detail. AD7746 was used to finish signal’s collection and digital conversation. STC89C52 microcontroller was used to finfish controlling AD7746 and communicating with computer. Experiment was conducted to obtain the detecting system’s background capacitance and measurement accuracy.

Key words：automatic height-adjustment device; micro-capacitance detection; AD7746; STC89C52; agricultural machinery

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0101-05

中圖分類號(hào)：S11+6;TP212.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：鄭曉龍(1987-),男，山東昌樂人，碩士研究生，(E-mail) 772510496@qq.com。通訊作者：王士軍(1969-)，男，山東鄆城人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wsjwang2008@126.com。

基金項(xiàng)目：教育部、財(cái)政部職教師資培養(yǎng)資源開發(fā)項(xiàng)目(VTNE006)

收稿日期：2015-03-07