馬天宇 ， 劉雅菲 ， 韓 蕊 ， 李秋潔

（南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037）

0 引言

目前，世界上林果采收的方式，可分為半機械收獲平臺、機械式收獲機和全自動采摘機器三種類別[1-4]。本文針對使用最廣泛的機械式收獲機進行分析。機械振動采收的工作原理是利用偏心塊的振動或曲柄連桿機構(gòu)的往復運動來振動果樹。當果樹受到激振力作用時，它會以一定的頻率和振幅振動，與果枝相連的果實會在果枝的受迫振動下以某一種運動方式或某幾種運動復合的方式加速運動。當慣性力大于某一方向的果柄結(jié)合力時，果柄撕裂，果實脫落，完成分離過程。

由于頻率對采收效果有最顯著的影響，因此本文將介紹基于上下位機的林果采收激振電機系統(tǒng)的實現(xiàn)，側(cè)重于系統(tǒng)的構(gòu)建和掃頻控制。模擬實現(xiàn)了上下位機通過串口通信來設置掃頻參數(shù)，并且下位機可以獨立通過外部按鍵來設置掃頻參數(shù)和控制系統(tǒng)啟停，通過OLED顯示屏顯示參數(shù)信息。

1 基于上下位機的林果采收激振電機頻率控制系統(tǒng)的總體設計

掃頻控制系統(tǒng)主要包括單片機和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊兩部分，由單片機定時計數(shù)器控制穩(wěn)定輸出數(shù)字變化量，并由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為控制變頻器頻率變化的模擬輸出信號，進而變頻器控制激振電機完成掃頻操作。通過修改單片機控制程序、修改輸入?yún)?shù)或修改變頻器工作頻率范圍，可靈活調(diào)整掃頻步長、掃頻時間、掃頻循環(huán)次數(shù)等多項參數(shù)，以滿足不同情況下的實際生產(chǎn)需要。掃頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程如圖1所示。

圖1 掃頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程框圖

啟動頻率、終止頻率、單頻保持時間、單頻/掃頻模式、啟動/停止，可以通過上位機控制面板進行數(shù)據(jù)設置，并通過串口傳輸?shù)较挛粰C。上下位機的具體設計會在下文中闡述。

1.1 掃頻設計

本裝置采用單片機驅(qū)動8位D/A轉(zhuǎn)換，將需要輸出的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成模擬量（電壓）輸出。其中，數(shù)字輸出量由矩陣鍵盤或者面板輸入，通過單片機的加權(quán)后通過一組I/O輸出（八位二進制數(shù)）到DAC0832模塊。選用DAC0832模塊是因為該模塊的分辨率為1/255，分辨率誤差為0.515LSB，能滿足本設計的要求。

D/A模塊數(shù)字量轉(zhuǎn)換成0~5 V直流電壓輸出給變頻器。單片機內(nèi)部的定時器定時為1 ms，然后通過對計數(shù)變量的疊加，實現(xiàn)較為精準的單頻保持時間的定時，每增加一份時間則I/O輸出改變一次，即改變一次輸出數(shù)字量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的電壓輸出。

為了掃頻裝置控制電機正常工作，至少需要以下幾個工作參數(shù)：單頻保持時間、頻率變化步長、初始頻率和終止頻率。該部分上位機面板和單片機均可以設置。

1.2 激振頻率的設定方法

激振頻率的設定方法共有兩種。第一種是設定好變頻器的初始工作頻率和終止工作頻率，然后將初始份數(shù)設置為0，終止份數(shù)設定為255*n（n代表掃頻循環(huán)次數(shù)）；第二種是根據(jù)初始份數(shù)和終止份數(shù)與激振頻率的換算關(guān)系設定，換算關(guān)系如下：

2 掃頻控制下位機軟件設計

下位機基于51單片機開發(fā)，本芯片串口通信是全雙工的，即可以在互不影響的情況下同時發(fā)送和接收信息，串口可同時使用SBUF接收和發(fā)送，雖然是同時但因為是兩個獨立寄存器，所以實際上互不影響，只是名稱一致。

對于接收單獨而言，則是接收到一個信息之后才能接收下一個，并不能同時接收多個信息；同樣發(fā)送也是一樣的，需要發(fā)送完成一個之后才能發(fā)送下一個。對于這種情況可先定義多個變量，如接收用rec變量保存，發(fā)送數(shù)據(jù)在send變量中。

對于發(fā)送，例如SBUF=send;while(T1==0);T1=0;//，這是用查詢方式發(fā)送的。當發(fā)送一個字節(jié)完成時，T1會自動置1，所以查詢到T1等于1后就知道可以繼續(xù)發(fā)送下一個信息了。如果發(fā)送中斷則令T1清0，即T1=0。同樣接收時，收到一個信息之后令R1=1，需要注意的是，因為通常接收都是中斷方式，所以R1置1的同時即產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生中斷之后執(zhí)行程序即令R1清0，如果是接收一組數(shù)據(jù)可以定義一個數(shù)組，用來保存數(shù)據(jù)。因為SBUF中不能存放數(shù)據(jù)，所以收到后需要立即讀取，否則會被下一個數(shù)據(jù)覆蓋，所以多個數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可利用循環(huán)來實現(xiàn)。下位機使用的編譯器Keil，通過USART外設實現(xiàn)串口通信。TX引腳為數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RX引腳為數(shù)據(jù)接收引腳。

2.1 下位機與上位機的通信

在編程中首先對上下位機分別進行編程，即編程后通過串口調(diào)試助手分別對上位機和下位機進行USB串口模擬通信，來比較是否可以發(fā)出正確的數(shù)據(jù)。在兩邊通信正常后將上下位機通過串口工作方式1，定時器設置工作方式2進行通信。通信內(nèi)容包括起始頻率與結(jié)束頻率、掃頻速度、掃頻重復次數(shù)、轉(zhuǎn)動頻率以及啟動時間，以“P=xxx; I=xxx; D=xxx;p=xxx; i=xxx; d=xxx, state=xxx;f=xxx;”固定格式發(fā)送，設置波特率為9 600，數(shù)據(jù)位8，停止位1，無校驗位，晶振頻率11.059 2 MHz。

上下位機以ASCII碼的形式傳輸數(shù)據(jù)，通信協(xié)議中規(guī)定數(shù)據(jù)以回車（其ASCII碼有兩個字節(jié)表示，0X0D和0X0A）作為結(jié)束標志。借助這個協(xié)議，配合一個數(shù)組USART_RX_BF[]和一個全局變量USART_RX_STA實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收，有效提高了處理器的工作效率。當接收到數(shù)據(jù)后，串口的中斷函數(shù)把接收到的數(shù)據(jù)保存在USART_RX_BF[]中，同時在接收狀態(tài)寄存器（USART_RX_STA）中對接收到有效數(shù)據(jù)的個數(shù)進行計數(shù)，當收到回車的第一個字節(jié)0X0D時，計數(shù)器停止增加，并等待0X0A的到來；而如果0X0A沒有來到，則認為這次接收失敗，重新開始下一次接收。如果順利接收到0X0A，則標記USART_RX_STA的第15位，從而完成一次接收，并等待該位被其他程序清除，從而開始下一次的接收；而如果一直沒有收到0X0D，那么在接收數(shù)據(jù)超過程序設定好的長度時，則會丟棄前面的數(shù)據(jù)，重新接收。

2.2 掃頻控制系統(tǒng)接線

單片機所需要的接口主要包括鍵盤控制接口，用于輸入各種激振參數(shù)，例如啟動初始份數(shù)、終止份數(shù)、單頻保持時間和啟動開關(guān)；此外，還有數(shù)碼管顯示（段選和位選）接口以及D/A模塊輸出接口。

D/A模塊由220 V轉(zhuǎn)15 V雙極性開關(guān)電源驅(qū)動，并通過OUT1接口將模擬信號輸出到變頻器的COM接口中。單片機芯片接線圖如圖2所示，DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示，proteus仿真圖如圖4所示。

圖2 單片機芯片接線圖

圖3 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

圖4 proteus仿真圖

3 掃頻控制上位機設計

根據(jù)軟件設計要求，上位機軟件主要需要實現(xiàn)的功能有：能夠完成對下位機參數(shù)的配置，能夠發(fā)送開始命令和結(jié)束命令，能夠向下位機傳輸輸入的數(shù)據(jù)。由此確定上位機軟件開發(fā)的步驟流程如下：

1）根據(jù)任務確定程序模塊；

2）程序界面設計；

3）編寫各功能模塊代碼；

4）根據(jù)流程編寫代碼；

5）程序調(diào)試。

3.1 程序模塊

根據(jù)上位機設計要求，軟件功能模塊主要包括：工作狀態(tài)顯示模塊、串口參數(shù)輸入模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊等。

1）工作狀態(tài)顯示模塊：顯示模塊的主要作用是能夠在主頁面顯示數(shù)據(jù)，給用戶提供更加友好方便的界面，讓結(jié)果更加直觀地顯示出來。

2）串口參數(shù)輸入模塊：串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)，可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。其中最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗，對于兩個進行通信的端口，這些數(shù)據(jù)必須匹配。所以通信前必須設置串口端口號、波特率、校驗方式等基礎參數(shù)。串口參數(shù)輸入模塊主要提供的就是對串口參數(shù)的設置，用戶完成相關(guān)設置后點擊打開串口，模塊會把和串口相關(guān)的參數(shù)傳遞給串口控件，并打開指定的串口。

3）數(shù)據(jù)輸入模塊：該模塊主要提供數(shù)據(jù)的輸入與發(fā)送功能，能夠?qū)⑤斎氲臄?shù)據(jù)處理，經(jīng)由串口發(fā)送給下位機。保證上下位機數(shù)據(jù)的可靠傳輸也是良好系統(tǒng)性能的重要決定因素之一。

3.2 開發(fā)工具

Microsoft Visual Studio（簡稱VS）是目前最流行的Windows平臺應用程序的集成開發(fā)環(huán)境。它是一個完整的開發(fā)工具集，包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等等，所寫的目標代碼適用于微軟支持的所有平臺。

上位機界面包含控件類型有ComboBox、Button、RadioButton、TextBox，主要用作串口參數(shù)設置選框及按鈕，系統(tǒng)啟動及停止控制按鈕，頻率參數(shù)設置按鈕。上位機設計中所涉及的主要控件如表1所示，包括控件用途、控件類型和控件ID。

表1 控件表

接著添加一個SerialPort對象，然后就可以在程序中控制串口通信的全過程。在進行串口通信的時候需要設置一些相關(guān)的參數(shù)，可以通過設置SerialPort的屬性來進行，具體如下。

PortName：串口名稱，COM1，COM2等。

BaudRate：波特率，也就是串口通信的速度，進行串口通信的雙方的波特率需要相同；如果用PC連接其他非PC系統(tǒng)，一般地，波特率由非PC系統(tǒng)決定。

Parity：奇偶校驗，可以選取枚舉Parity中的值。

DataBits：數(shù)據(jù)位。

StopBits：停止位，可以選取枚舉StopBits中的值。

而在創(chuàng)建一個SerialPort并設置串口屬性后，可以通過Open()方式打開串口，數(shù)據(jù)讀取完成之后，可以通過Close()方式關(guān)閉串口。

3.3 面板示意圖

上下位機通信所需控件如下：串口參數(shù)設置選框及按鈕，系統(tǒng)啟動及停止控制按鈕，頻率參數(shù)設置按鈕等。將所需控件一一填入面板并進行相應設置，成果如圖5所示。

圖5 面板示意圖

4 總結(jié)

國外對于林果采收機械的研究較早，機具設計種類繁多，比國內(nèi)的研究更為成熟。收獲機械根據(jù)采收原理主要分為氣力振動式和機械振動式[5-7]。對于國內(nèi)外應用最多的采收方式樹干抱搖式采收，根據(jù)相關(guān)激振參數(shù)的研究，激振頻率對采收效果的影響最大[8-10]。因此，本文主要針對激振頻率的設定和數(shù)值傳輸進行了具體研究。

事實上，目前通過應用振動式林果采收機械，提高了果實采收效率，減輕了勞動強度，促進了農(nóng)業(yè)發(fā)展。但由于機械多采用對樹干進行搖振的方式以實現(xiàn)果實的脫落，這種方式一定程度上會損傷果樹與果品，所以需要考慮更多細節(jié)的東西才能滿足采收需求。