CN105961152A - 基于无刷直流电机与安卓app的卷盘喷灌机速度控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制系统及控制方法,控制系统，包括手机APP、微处理器、速度检测模块，GPRS无线数据传输模块、卷盘层数检测模块，卷盘喷灌机中采用无刷直流电机替代水涡轮装置，以微控制器为核心，经GPRS模块与安卓手机进行通讯，实现对卷盘喷灌机速度的实时精确的控制，它可以极大的增强喷车头回收速度的可调性，以适应不同的耕作物与耕作环境，同时卷盘喷灌机的控制系统安在了手机上，实现了工作人员可以在非现场的情况监控喷灌机的工作状态，极大的解放人力。

Description

基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于远程监控与电机控制领域，具体涉及一种基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制系统及方法。

背景技术

我国作为传统的农业大国，世界上人口最多的国家，每年消耗的粮食也最多，水资源总量虽然丰富，但人均占有量只有世界人均的1/4,其中农业用水约占全国水消耗总量的60％以上，在农业领域推进节水灌溉对保障国家供水及粮食安全、建设和恢复良好生态系统均具有重大意义。卷盘式喷灌机是上世纪70年代左右在移管式喷灌机改进而来的一种结构紧凑、操纵方便，可以自走在田间作业的一种新颖的喷灌机设备。但传统的卷盘式喷灌机存在着卷盘驱动方式落后、能耗大，速度控制不便，需要现场看护人员等不足之处。随着现代电子信息技术的发展，本发明采用无刷直流电机代替传统的水涡轮驱动，以32位微控制器为核心，经GPRS模块与安卓手机进行通讯，实现对卷盘喷灌机速度的实时精确的控制，同时卷盘喷灌机工作时的相关状态信息也可以通过无线数据传输模块传回手机上，它可以极大的增强喷车头回收速度的可调性和对现场工作状况的监控，以适应不同的耕作物与耕作环境，同时卷盘喷灌机的控制系统安在了手机上，工作人员可以在非现场的情况监控喷灌机的工作状态，极大的解放人力。

发明内容

针对现有技术中驱动方式落后，耗能大，卷盘喷灌机车头回收速度调节不便等不足之处，本发明提供一种基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。

基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制系统，其特征在于，包括手机APP、微处理器、速度检测模块，GPRS无线数据传输模块、卷盘层数检测模块，卷盘喷灌机中采用无刷直流电机替代水涡轮装置，所述无刷直流电机的电机输出轴连接到齿轮变速箱上；所述无刷直流电机通过齿轮变速箱带动卷盘旋转，提供喷车头回收的动力；

速度检测模块装在直流电机的输出轴上，并与微处理器电联接；所述速度检测模块用于检测的直流电机的实时速度，并将速度信号传输至微处理器。

手机APP包括登陆模块、喷灌机参数设置模块、喷灌机参数显示模块，所述登陆模块用于用户和服务器进行数据交互，所述喷灌机参数设置模块用于设置喷灌机卷盘回收速度，所述喷灌机参数显示模块用于显示GPRS模块发送回来的卷盘回收速度、总层数，每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比。

微处理器包括LCD显示模块、故障报警模块、串口收发模块、速度控制信号调理模块。

串口收发模块用于实现GPRS无线数据传输模块与微处理器间的通讯；

速度控制信号调理模块用于根据APP设置的速度值与速度检测模块检测的无刷直流电机的实时速度采样值进行PID运算，并将运算结果发送至直流电机，调整直流电机的转速；

故障报警模块根据速度检测模块检测的直流电机的实时速度与内部设定的速度值进行比较，如果达到报警要求则报警；

GPRS无线数据传输模块通过串口与微处理器进行连接；所述GPRS无线数据传输模块包含短信收发模块、GSM数据收发模块；所述短信收发模块用于和APP进行短信的收发交互，所述GSM数据收发模块用于和APP进行2/3G流量数据的交互；

LCD显示模块用于显示直流电机的实时转速、卷盘回收速度、总层数，每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比的信息；

卷盘层数检测模块用于测量获得卷盘总层数，每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比的数据。

优选地，所述报警模块采用蜂鸣器报警并在LCD屏幕上输出报警信息。

优选地，所述速度检测模块为霍尔传感器，固定安装于卷盘齿轮的一边。

优选地，所述微处理器采用32位Cortex-M3架构的处理器。

优选地，所述安卓APP使用的无线网络为数据流量、短信和WIFI技术。

基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开启手机APP，进行网络连接，进行用户登录；

(2)进入喷灌机参数设置界面，设置需要的参数值，并发送到微处理器；

(3)装在无刷直流电机输出轴上的速度检测模块用于检测无刷直流电机的实时速度，并将速度信号传输至微处理器；

(4)微处理器内部的速度控制信号调理模块用于根据APP设置的速度控制值与速度检测模块检测的直流电机的实时速度采样值进行PID运算，并将运算结果发送至直流电机，调整直流电机的转速；

(5)转载在卷盘上的卷盘层数检测模块检测到总层数、每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比的信息后，传输给微处理器，微处理器接收后通过GPRS无线数据传输模块发往APP，相关数据显示在APP卷盘参数显示模块上，并通过串行口传输数据显示在LCD屏上

有益效果

本发明与现有技术相比有益效果如下：

1.在构造上舍去了水涡轮装置，采用无刷直流电机代替，与水涡轮相比它的速度控制更加精确与便捷，能耗更加低，引入的电驱动方式为施加更加优化的控制算法奠定基础。

2.GPRS无线数据传输模块与32位微控制器模块的应用增强了卷盘喷灌机的自动化与信息化程度，引入了现代广泛普及的移动手持设备，使得工作人员能在非现场的条件下远程的监控喷灌机的工作状态。

附图说明

图1为本发明所述控制系统的结构框图。

图2为手机APP结构图。

图3为手机APP中的流程图。

图4为本发明无刷直流电机速度控制调节流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制系统总体结构如图1所示，卷盘喷灌机中采用无刷直流电机替代水涡轮装置，所述无刷直流电机的电机输出轴连接到齿轮变速箱上；所述无刷直流电机通过齿轮变速箱带动卷盘旋转，提供喷车头回收的动力。包含手机APP、微处理器、速度检测模块，GPRS无线数据传输模块、卷盘层数检测模块。

手机APP的模块结构如图2。手机APP在连接上网络后，用户通过设置用户名和密码连接到服务器，服务器将通过APP一起发送过来的目的端IP和端口找到相应的GPRS无线数据传输模块，建立连接。GPRS无线数据传输模块通过标准USART串口与微处理器相连，微处理器这里使用STM32。微处理器通过速度信号调理模块输出经计算后的控制信号给无刷直流电机，无刷直流电机通过安装在电机输出轴上的速度监测模块测量电机的实时速度，再反馈回微处理器以供微处理器矫正电机速度。同时，安装在卷盘上的卷盘层数检测模块也将检测到的总层数、每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比送到微处理器处理。

安卓APP流程图如图3。安卓APP安装在具有网络连接功能的安卓移动设备上，包含登陆模块、卷盘喷灌机参数设置模块、卷盘喷灌机参数显示模块。

用户在操作APP时，首先进行网络连接，然后进行用户登录。APP将发送内置的目标卷盘喷灌机识别信息到服务器上，服务器识别APP和对应的卷盘喷灌机后，将直接转发APP的相关控制信息到微处理器的GPRS无线数据传输模块上，建立了APP到微处理器的虚拟连接。

卷盘喷灌机参数设置模块用来设置喷灌机喷头的回收速度。发送的数据经服务器转发到GPRS无线数据传输模块上，GPRS无线数据传输模块接收到数据后经串口发送给STM32微处理器。STM32微处理器将处理串口发送过来的数据并进行解析，舍去数据中数据头、时间、识别码等信息，提取所要的设置值。APP也可通过短信息进行喷灌机工作参数的设置，这样可以不必进行登陆，GPRS无线数据传输模块中安置的SIM卡即为APP找寻的目标地址，GPRS无线通讯模块接收到短信息后经串口发送到STM32，STM32进行短信息的解码提取出设置的速度值。

卷盘喷灌机参数显示模块可以显示总层数、每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比、回收速度。卷盘层数检测模块通过检测总层数、每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比并将它们通过串口传回STM32，速度检测模块检测到卷盘的即时速度后也通过串口传回STM32，STM32在程序内部组织这7组数据，放入一个数组中并加入CRC校验码。同时，STM32还将数据数组添加相应的AT指令，通过串口发送给GPRS无线数据传输模块，GPRS无线数据传输模块识别AT指令后通过移动网络发往对应的客户端。

微处理器包括LCD显示模块、故障报警模块、串口收发模块、速度控制信号调理模块。STM32通过PB0～PB15连接LCD显示屏的数据口，将对应的信息显示在LCD屏上。

故障报警模块是一个蜂鸣器，它有两个引脚，一端接电源，一端接STM32GPIO输出口。如果卷盘回收的速度小于预设的值并且持续时间小于3分钟，STM32控制蜂鸣器的脚将发出控制电平，蜂鸣器将报警。同时，STM32将把报警信息显示在LCD屏上；并在内部重新生成一组数组添加进AT指令，通过GPRS无线数据传输模块发送到客户端通知报警信息。

微处理器中的串口收发模块实际上是STM32的串行口1和串行口2，以及对应的代码块。STM32的串行口1与GPRS无线数据传输模块连接，串口处理代码中将内置AT的功能选择码，通过判断语句进行功能码的选择判断数据的类型。数据发送时也将进行对应的代码封装以适合AT指令的格式。STM32的串行口2与卷盘速度检测模块连接，数据有固定的组织格式，串口处理代码将根据预设的协议提取出需要的数据。

速度控制信号调理模块是电压比例放大模块，它将STM32端口输出的电压比例放大到0～5V，速度控制信号调理模块将调理后的电压作为无刷直流电机的控制信号输出。

速度监测模块由安装在电机输出轴上的霍尔速度传感器组成。当传感器的旋转机构电机输出轴下旋转时，会带动永久磁铁旋转，穿过霍尔元件的磁场产生周期性变化，引起霍尔元件输出电压变化，通过后续电路处理形成稳定的脉冲电压信号，STM32将通过配置专门的端口为输入捕获模式以对输入的频率进行统计，从而获得电机的实时转速。

本系统的具体实施步骤叙述如下：

步骤1)：APP进行网络连接，登陆输入用户名和密码，连接到服务器，服务器通过APP一起发送过来的目的端IP和端口找到相应的GPRS无线数据传输模块，建立连接。如果使用短信模式，无需联网和登陆，可直接进入参数设置模块进行参数设置；

步骤2)：APP中的喷灌机参数设置模块进行参数设置；

步骤3)：微处理器接收到指令后输出电机控制信息，电机进入工作状态，同时速度监测模块开始实时测量电机转速并反馈给微处理器；

步骤4)：微处理器获得实时速度数据后，如图4所示将根据APP设置的速度控制值与速度检测模块检测的直流电机的实时速度采样值进行PID运算，并将运算结果通过速度信号调理模块发送至直流电机，调整直流电机的转速；

步骤5)：装载在卷盘上的卷盘层数检测模块检测到总层数、每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比的信息后，通过串口2传输给微处理器，微处理器接收后通过GPRS无线数据传输模块发往APP，相关数据显示在APP卷盘参数显示模块上，并通过PB0～PB15口传输数据显示在LCD屏上。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制系统，其特征在于，包括手机APP、服务器、微处理器、速度检测模块、GPRS无线数据传输模块、卷盘层数检测模块，卷盘喷灌机中采用无刷直流电机替代水涡轮装置，所述无刷直流电机的电机输出轴连接到齿轮变速箱上；所述无刷直流电机通过齿轮变速箱带动卷盘旋转，提供喷车头回收的动力；

所述速度检测模块装在直流电机的输出轴上，并与微处理器电联接；所述速度检测模块用于检测直流电机的实时速度，并将速度信号传输至微处理器；

所述卷盘层数检测模块装于卷盘齿轮上，与微处理器连接，用于测量获得卷盘总层数，每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比的数据，并将数据传输至微处理器；

所述手机APP包括登陆模块、喷灌机参数设置模块、喷灌机参数显示模块，所述登陆模块用于用户和服务器进行数据交互，所述喷灌机参数设置模块用于设置喷灌机卷盘回收速度，所述喷灌机参数显示模块用于显示GPRS模块发送回来的卷盘回收速度、总层数，每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比；

所述微处理器包括LCD显示模块、故障报警模块、串口收发模块、速度控制信号调理模块；

所述串口收发模块用于实现GPRS无线数据传输模块与微处理器间的通讯；

所述速度控制信号调理模块用于根据APP设置的速度值与速度检测模块检测的无刷直流电机的实时速度采样值进行PID运算，并将运算结果发送至直流电机，调整直流电机的转速；

所述LCD显示模块用于显示直流电机的实时转速、卷盘回收速度、总层数，每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比的信息；所述故障报警模块根据速度检测模块检测的直流电机的实时速度与内部设定的速度值进行比较，如果达到报警要求则报警；

所述的GPRS无线通信模块通过串口与微处理器进行连接，并实现微处理器与服务器的数据传输；所述GPRS无线通信模块包含短信收发模块、GSM数据收发模块；所述短信收发模块用于和APP进行短信的收发交互，所述GSM数据收发模块用于和APP进行2/3G流量数据的交互。

2.根据权利要求1所述的卷盘喷灌机速度控制系统，其特征在于，所述报警模块采用蜂鸣器报警，并在LCD屏幕上输出报警信息。

3.根据权利要求1所述的卷盘喷灌机速度控制系统，其特征在于，所述速度检测模块为霍尔传感器，固定安装于卷盘齿轮的一边。

4.根据权利要求1所述的卷盘喷灌机速度控制系统，其特征在于，所述微处理器采用32位Cortex-M3架构的处理器。

5.基于无刷直流电机与安卓APP的卷盘喷灌机速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开启手机APP，进行网络连接，进行用户登录；

(2)进入喷灌机参数设置界面，设置需要的参数值，并发送到微处理器；

(3)装在无刷直流电机输出轴上的速度检测模块用于检测无刷直流电机的实时速度，并将速度信号传输至微处理器；

(4)微处理器内部的速度控制信号调理模块用于根据APP设置的速度控制值与速度检测模块检测的直流电机的实时速度采样值进行PID运算，并将运算结果发送至直流电机，调整直流电机的转速；

(5)转载在卷盘上的卷盘层数检测模块检测到总层数、每层圈数、每层齿数、大直径、小直径、传动比的信息后，传输给微处理器，微处理器接收后通过GPRS无线通信模块发往APP，相关数据显示在APP卷盘参数显示模块上。