（機械設計及理論專業(yè)論文）噴霧機器人控制系統(tǒng)研制.pdf

摘要 報據(jù)噴霧機器人在l i t 間完成全自動噴霧的作業(yè)要求，以單片機控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及電機 調(diào)速技術(shù)為核心，成功研制出了噴霧機器人的單片機測控系統(tǒng)。f 該系統(tǒng)包含人機接口、a d 轉(zhuǎn)換、 電機驅(qū)動、傳感器信號采集等功能模塊。 、 選用單片機控制方案，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高的特點。4 針對噴霧機器人田間移動位置檢測的準確性和可靠性要求較高的特點，選擇磁傳感方式，自 行研制了一種可以遠距離檢測磁標志的位置傳感器。 ( 為使噴霧機器人結(jié)構(gòu)緊湊，選擇電動缸和減速電機作為驅(qū)動裝置，提出了一種新的適合于低 精度直流調(diào)速的h 型p w m 變換器功率晶體管基極驅(qū)動方式，采用p w m 方式成功實現(xiàn)了對機器 人行走電機的速度控制。 憚片機系統(tǒng)設計過程中，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用i ) c d ( ：隔離電源，所有輸出均進行了 光電隔離；在硬件設計、電路板制作過程中均考慮了抗干擾的要求。 運行試驗表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足了噴霧機器人的功能要求，具有實用價值文 關(guān)鍵詞：機器人，單片機? 脈寬調(diào)制，磁傳感器；電動缸 a b s t r a c t b a s e do nt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n t f o r s p r a y i n g r o b o tt o c o m p l e t e f i e l d s p r a y i n g t a s k a u t o m a t i c a l l yt o t a l l y , w es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e das e to fs i n g l e - c h i pm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m f o rt h es p r a y i n gr o b o t t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi n c l u d e sf u n c t i o nm o d u l e ss u c ha sm a r l m a c h i n ei n t e r f a c e ， a dc o n v e r s i o n ，e l e c t r o m o t o rd r i v i n g ，s e n s o rs i g n a lc o l l e c t i o na n ds oo n s i n g l e - c h i pc o n t r o l l i n gp r e c e p t m a k e st h ew h o l es y s t e mh a s t i g h ts t r u c t u r ea n dh i g hs t a b i l i t y t 0i n s u r et h e s p r a y i n gr o b o ta p p e r e e i v i n gp o s i t i o ns i g n si nf i e l dr e l i a b l ya n de x a c t l y w h i l em o v ei n f i e l d ，w es e l e c tm a g n e t i cs e n s i n gm o d e ，a n dd e v e l o pak i n do fp o s i t i o ns e n s o rt h a tc a t a p p e r c e i v e m a g n e t i s ms i g n sf r o ml o n gd i s t a n c e i no r d e rt om a k et h es p r a y i n gr o b o t ss t r u c t u r et i g h t ，w es e l e c tl i n e a ra c t u a t o ra n dd e c e l e r a t e d e l e c t r o m o t o ra st h ed r i v i n gd e v i c e w eb r i n gf o r w a r dan e wb a s e - p o l ld r i v i n gm e t h o df o rg i g a n t i c t r a n s i g o r si nh - t y p ep w mc o n v e r t e ra n d b ya d o p t i n gp w mm e t h o d ，s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e r o t a t es p e e d c o n t r o l l i n gf o r t h e w a l k i n g e l e c t r o m o t o r d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fs i n g l e - c h i ps y s t e m f o rt h es a k e o fr e l i a b i l i t y , w e 詛k ead c d c c o n v e r t e ra si t sp o w e r s u p p l y a n da l lo u t p u ta r el i g h t - e l e c t r i c i t yi n s u l a t e d f i n a l l yt h eo p e r a t i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mw o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l y i t s a t i s f i e st h es p r a y i n gr o b o t sf u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n dh a sp r a c t i c a lw o r t h i n e s s k e y w o r d s ：r o b o t , s i n g l e c h i p ，p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，m a g n e t i s ms e n s o b i i n e a ra c t u a t o r 2 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國農(nóng)業(yè)大學大學或其它教育 機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢 獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名 碥 時間：力緲年華月日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解中國農(nóng)業(yè)大學大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校 有權(quán)保留送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱；學?？梢杂貌煌?式在不同媒體上發(fā)表、傳播學位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或 掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 一躲甲掃萵 時間：現(xiàn)妒b 年么月日 新簽名：秒茲二姿 時間：年月日 1 1 引言 第一章緒論 在中國，自古以來農(nóng)業(yè)一直是勞動強度大、勞動條件差的行業(yè)。農(nóng)業(yè)機械化水平低，農(nóng)業(yè)領(lǐng) 域的生產(chǎn)力處于較低水平。隨著全社會生活水平的提高，農(nóng)民對自己的勞動條件有了更高的要求， 機械化自動化生產(chǎn)代替手工勞動就是必然的趨勢。 隨著我國加入世貿(mào)組織( w t o ) ，農(nóng)業(yè)也要參與國際競爭，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化勢在 必行，只有提高我國農(nóng)業(yè)機械化和自動化技術(shù)水平，才能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，在競爭中求生存 求發(fā)展。 1 2 設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展 設施農(nóng)業(yè)又稱為可控農(nóng)業(yè)，它是用一定的設施和工程技術(shù)手段改變自然環(huán)境，在環(huán)境可控的 條什下，按照作物生長發(fā)育要求的最佳環(huán)境，以最少的資源投入進行生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。溫室大棚 農(nóng)業(yè)是典型的設施農(nóng)業(yè)，其具有高投入高產(chǎn)出、抗災害能力強、科技含量高等特點，效率和效益 比傳統(tǒng)的露地自然農(nóng)業(yè)要提高幾倍甚至幾十倍。 我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐漸由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。設施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的具體體現(xiàn)，是高 產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)的必然要求。進入2 0 世紀9 0 年代后，我國的設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，特別是設施栽 培的發(fā)展給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了無限生機。全國現(xiàn)有的溫室大棚的面積已達到1 5 6 7 0 0 h m 2 ，位居世界 第一。但我國的設施栽培農(nóng)業(yè)也存在一些問題，其中一個非常突出的問題就是：設備不配套，作 業(yè)主要依靠人力，缺乏設施栽培小型作業(yè)機具，除了在大棚內(nèi)采用小型拖拉機進行耕整地作業(yè)外， 基本上是依靠人工作業(yè)，且作業(yè)環(huán)境十分惡劣，這不僅限制了勞動效率的提高和勞動條件的改善， 還阻礙了設施農(nóng)業(yè)朝精準農(nóng)業(yè)和工廠化農(nóng)業(yè)的進一步發(fā)展。設施農(nóng)業(yè)作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方 式，其進一步發(fā)展必然要求提高大棚作業(yè)的機械化自動化水平。 噴霧是設施栽培農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，有著重要的作用：噴灑殺菌劑或殺蟲劑防止作物病蟲害： 噴灑除草劑消滅雜草；噴灑化學肥料：噴灑藥劑對土壤消毒、滅菌；噴灑生長激素促進作物生長 等。但若采用手工方式，大棚噴霧作業(yè)將是種極其繁重和危險的勞動，所以一種高效、經(jīng)濟、 安全的噴霧機械急待研究。 1 3 農(nóng)用噴霧機械的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)生產(chǎn)農(nóng)用噴霧機械的企業(yè)有很多，一些新型的噴霧方式也被采用，從而大大提高 了噴霧質(zhì)量和工作效率。但對噴霧機械的研制和改進大都集中和限制在對液壓泵和噴頭的研制和 改進上，而噴霧機械本身在田間的移動方式卻一直很落后。若按移動方式分類，現(xiàn)有的產(chǎn)品主要 有以f f ) l 種： ( 1 )背負式全人工移動，效率低而勞動強度很大，且很不安全。 ( 2 )定點作業(yè)式依然靠人工移動，只是比背負式噴霧機有更大的作業(yè)功率和射程， 固定地點作業(yè)時效率較高。但在需要頻繁移動的條件下，效率顯著下降。 ( 3 )手推車式實現(xiàn)了牽引機械化，但須有人跟隨手扶駕駛。 ( 4 )動力牽引式實現(xiàn)了行駛機械化，一次攜帶的藥液量大。但需要配備額外的牽引 裝置，總體作業(yè)成本較高。且需要專人駕駛，依然沒有解除藥液對人體的侵害。 這些類型的噴霧機械大部分都實現(xiàn)了泵液的機械化，很大程度上提高了噴霧作業(yè)的效率和減 輕了作業(yè)者的勞動強度。但由于作業(yè)的全過程仍然得有人工的參與，這樣使得操作者擺脫不了受 有毒藥劑侵害的危險，而且也限制了勞動效率的進一步提高。例如，使用背負式噴霧機，一人一 犬只能作業(yè)2 3 畝左右。而比較大型的動力牽引式和車載式噴霧機又需要配備專門的牽引機械， 總體成本比較高，也不適合我國分散小塊經(jīng)營的現(xiàn)狀。 至于國外的情況，歐美和日本在噴霧機械的發(fā)展上形成了不同的風格。歐美等國發(fā)展了大型 的噴霧機械，最典型也最先進的是用于大棚作業(yè)的固定軌道式噴霧機。這種噴霧機采用計算機控 制，自動化程度和作業(yè)效率都很高。但其成本也很高，就我國引進的機型來看，價格在1 0 萬元， 套以上，主要用在高檔高產(chǎn)值的溫室大棚內(nèi)，而我國的溫室大棚大多是土法上馬的，其本身的造 價和產(chǎn)值還比較低，所以這種噴霧機不適合我國的國情。 而日本研制的全自動化的小型噴霧機械，不需在田間安裝固定軌道，成本低；全自動運行， i 一作效率高，完全不需要人工的干預，其使人遠離有毒藥劑，是一種清潔健康的產(chǎn)品。我們認為， 這樣的噴霧機械是比較適合我國國情的。 i 4 課題研究的內(nèi)容和意義 從噴霧機械的發(fā)展現(xiàn)狀看，我國現(xiàn)有的噴霧機械的自動化水平普遍很低，有的甚至根本沒有 半點自動化的成分，這是造成各種不足和限制噴霧機械進一步發(fā)展的主要原因。 隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，各種自動化的產(chǎn)品紛紛出現(xiàn)。而將計算機控制技術(shù)引入到噴霧 機械的設計和生產(chǎn)，是進一步提高作業(yè)效率和改善勞動條件的關(guān)鍵，也是設施農(nóng)業(yè)和精準農(nóng)業(yè)發(fā) 展的要求。本課題也就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。 1 9 9 7 年，我國農(nóng)業(yè)部啟動了國際引進項目( “9 4 8 ”項目) 。本課題作為農(nóng)業(yè)部“9 4 8 ”項目“植 保機械農(nóng)藥防護技術(shù)及關(guān)鍵器械引進”的子課題，主要負責引進農(nóng)藥噴霧機器人控制系統(tǒng)的國產(chǎn) 化研制工作。本課題所要研制的噴霧機器人即是在借鑒日本經(jīng)驗的情況下產(chǎn)生的。 2 頌上學位論文第一章緒論 與現(xiàn)有的噴霧機械相比，自動作業(yè)的噴霧機器人具備如下優(yōu)點： ( 1 ) 全自動化作業(yè)，不需人工干預，改善勞動條件。 ( 2 ) 體積小，重量輕，成本較低。 ( 3 ) 田間各處的噴霧量更均勻，噴霧質(zhì)量好。 ( 4 ) 作業(yè)效率高，適合大面積的大棚作業(yè)。 ( 5 ) 易實現(xiàn)智能化。 可以預見，隨著對農(nóng)業(yè)投入力度的加大，我國現(xiàn)代化的農(nóng)機具將會有一個較大的發(fā)展。田間 自動噴霧機器人將大大提高生產(chǎn)率和保護操作者的健康。 此項研究第一次將自動化的概念引進到噴霧機械的研制中來，填補了國內(nèi)空白，對此類研究 具有一定的指導意義。 3 第二章系統(tǒng)總體方案設計 2 1 噴霧機器人的作業(yè)環(huán)境 在進行噴霧機器人自身的設計之前，必須對機器人的作業(yè)環(huán)境有一個清楚的認識。我們本著 ：廠化精細農(nóng)業(yè)的宗旨對田間環(huán)境進行規(guī)范化處理，在作物問開辟出一些供機器人行駛的行道。 行道的分布大致有如下圖所示的四種情形： f 圖2 1 田間行道 ：主行道從中央直穿整個地塊，在主行道的左右兩旁均分布有橫向行道。這種劃分方式 適合于較大的地塊。 ( 多：只在主行道的右邊分布有橫向行道。 ( d ：只在主行道的左邊分布有橫向行道。 ( d ：沒有任何的橫向行道，機器人在作業(yè)時不用拐彎，這種劃分方式只適合于比較小的地 塊。 由丁其它地塊劃分方式都可以認為是第一種方式的特例，所以接下來主要以第一種方式討論 噴霧機器人的工作過程。 2 2 噴霧機器人的作業(yè)過程和整體功能 噴霧機器人的具體工作過程和在田間的行走路線如圖2 - 2 所示。 噴霧機器人配套動力噴霧機( 泵) 一起完成噴霧作業(yè)。動力噴霧機加壓，噴霧機器人攜帶噴 頭及管子一起順著田間行道行走，并隨時釋放( 往) 和卷緊( 返) 噴管。在動力噴霧機附近和每 行作物的行始端安裝有導管器。如圖中箭頭所指示，噴霧機器人從田間入口處進入，沿著主行道 前進。遇到首行標志后，拐彎( 9 0 度) 走向主行道兩邊的橫向行道，遇到行尾標志機器人反向行 駛。在橫向行道行駛過程中，機器人按設定的方式噴霧( 往噴或返噴) 。完成一橫向行作業(yè)后， 4 沿主行道返回，檢測行頭標志，依次進行以下各行的噴霧作業(yè)。最后噴霧機器人從入口處退出 遇到作業(yè)終止標志后停止工作，作業(yè)完成。 圖2 - 2 田間作業(yè)過程 為了完成上述自動噴霧作業(yè)的任務，考慮到田間作業(yè)的其他因素，該噴霧機器人應具備如 f 功能： 內(nèi)藏有幾種傳感器，能檢測放置于田間的首行、行頭、行尾、作業(yè)終止標志，完 成自動轉(zhuǎn)向和啟停。 裝備有升降和拐彎裝置。以上升- - 拐彎( 9 0 度) - - 下降的方式拐彎，這樣 不僅可以保證拐彎角度的準確，而且減小了機器人的拐彎半徑，從而減小田間行 道的寬度，充分利用耕地面積。 保持一定的行走速度，盡量提高機器人的作業(yè)效率。具有幾種速度可調(diào)。具體速 度在0 5 米，秒0 1 7 米，秒之間。 前進散布( 噴霧) 、后退散布和前進后退散布方式可選，不散布時自動以高速返回， 以提高工作效率。 適應圖2 - 1 中的4 種地塊劃分方式的作業(yè)，工作方式可以分別通過控制面板設定為 左右拐彎、右拐彎、左拐彎、不拐彎。 由于田間的地形不可避免地會有起伏，機器人走偏時有可能翻到。所以應有傾倒 檢測裝置，機器人翻倒一定角度時，給出警告，并由系統(tǒng)做出相應的處理。 具備手動操作的功能，能完全由手工操作完成整個的田問作業(yè)。 ) ) ) ) ) ) ) “ 汜 o ( 8 )能對控制系統(tǒng)自身的狀態(tài)進行監(jiān)測，以l e d 和蜂鳴器予以指示。 ( 9 ) 有自動卷管機構(gòu)，保證停止制動時卷管部分不滑動。 2 3 總體設計方案 2 3 1 組成與結(jié)構(gòu) 從上述機器人應具備的功能可以看出，其主要的組成部分應有行走機構(gòu)、升降機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機 構(gòu)、卷管機構(gòu)、噴霧機構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)。圖2 - 3 為機器人總體結(jié)構(gòu)的側(cè)面示意圖。 卜一扶手 6 一鏈條 1 l 一前輪 2 一操作面板 一卷管輪 1 2 一電瓶 3 一控制箱4 一噴管 8 一托板 卜噴頭 1 3 - - 行走電機 圖2 - 3 噴霧機器人結(jié)構(gòu)示意圖 5 后輪 1 卜傳動箱 升降、轉(zhuǎn)向用的電動機和機械傳動機構(gòu)安裝在傳動箱內(nèi)，在圖中沒有畫出。 行走電機和卷管輪之間采用一級棘輪傳動。機器人后退時，行走電機通過鏈條帶動卷管輪順 時針方向旋轉(zhuǎn)，收卷噴霧管：而機器人前進時卷管輪依靠噴霧管的自然拉力逆時針旋轉(zhuǎn)，釋放噴 霧管。托板8 在升降電機的驅(qū)動下可相對機器人車身做上下運動，從而實現(xiàn)車身相對地面的升降 運動。機器人升起后，整個車身都依靠托板8 支撐，這時轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動車身相對于托板8 左右轉(zhuǎn)， 也就完成了機器入相對地面的左右轉(zhuǎn)動。 2 3 2 執(zhí)行部件的選取 常用執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動形式有液壓驅(qū)動、氣動和電動三種。液壓和氣動驅(qū)動都需要配備液壓泵 或氣泵，整個機構(gòu)的體積比較大，成本高。而且一般氣動驅(qū)動的輸出力矩小，液壓驅(qū)動雖然輸出 的力矩可以很大，但在輸出較大力矩時對汽缸的密封性能要求提高，使成本進一步增加。而電動 6 驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)( 也就是電動機) 則體積小，采用電瓶供電比較方便，相對來說成本低得多。 電動機可分為交流電動機和直流電動機兩大類，分別采用交流和直流電源供電。噴霧機器人 用丁二戶外田間作業(yè)，只能選用直流供電的形式。而直流電動機又可分為勵磁式和他勵式兩種，在 一般的麻用場合，大多采用他勵式直流電機，這種電動機只需改變電樞電壓，便可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào) 速，而且其機械特性較硬，調(diào)速范圍較廣，完全可以滿足機器人行走的要求。所以我們選用它勵 式直流電動機作為機器人的行走動力，電機功率4 5 w ，額定電壓2 4 伏。電機內(nèi)部包含減速器， 其速比為2 5 ：1 ，這樣電機的輸出輪可直接和機器人驅(qū)動輪以鏈條相連，簡化了機械傳動部分的 設計，使機器人的體積和重量大大減小。 至于轉(zhuǎn)向和升降用的電動機，考慮到簡化機器人的機械結(jié)構(gòu)，我們采用輸出為直線運動的直 流線性馬達( 電動缸) 。電動缸主要由電動機、減速裝置、保護裝置、絲杠鏍桿機構(gòu)及杠殼組成， l 卜習瀹 圖2 - 4 電動缸外形圖 其外形如圖2 - 4 所示。隨著電動機的正反轉(zhuǎn)，推桿順著缸套做往復運動。保護裝置限定推桿行程 防止發(fā)生過沖事故，其工作原理如圖2 - 5 所示： ab 圖2 - 5 電動缸保護電路 圖中k 1 、k 2 為常閉的行程開關(guān)。當凸臺位于k i 、k 2 之間時，k i 、k 2 都閉合，隨著a 、b 兩點間電壓方向的不同，電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而帶動推桿相對缸套做往復運動。在圖2 - 5 中，我 們假設a 接電源正極，b 接電源負極時推桿向右運動，反之則推桿向左運動。當推桿向右運動到 極限位置時，固定于推桿上的凸臺碰到行程開關(guān)k 2 ，使k 2 斷開，電流被切斷，電機停止。此時 可以將a 、b 間的電壓反向，電流通過二極管i ) 2 ，電動機反轉(zhuǎn)，推桿向左運動。運動到左極限 位置后，凸臺碰到開關(guān)k l ，電動機線圈電流又被切斷。使推桿上的凸臺不可能超出k l 、k 2 這 兩個位置，從而起到限定行程和保護電動機的作用。 2 3 3 傳動方案 行走電動機內(nèi)部配備有減速器，所以在電機和驅(qū)動輪之間采用簡單的鏈條傳動，在此不予祥 述。以下只對升降機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行闡述。 7 ( 1 ) 升降機構(gòu) 采用一個四連桿機構(gòu)以實現(xiàn)機器人的升降運動，如f 圖所示： 圖2 - 6 升降機構(gòu)示意圖 導槽固定于機器人車身上，銷子l 和銷子2 可以在導槽中滑動。電動缸推桿和銷子2 緊固在 一起，缸套則固定在車身上。電動缸推桿向外伸出時，托板相對車身向下運動，依靠地面的反推 力迫使機器人升起，反之則機器人下降。 ( 2 ) 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 圖2 7 轉(zhuǎn)向機構(gòu)示意圖 圖中軸和電動缸缸套固定在機器人車身上，推桿通過銷子和套筒連接在一起，而套筒則緊固 在圖2 - 6 所示的托板上。當電動缸推桿向外伸出時，車身相對于托板旋轉(zhuǎn)。若此時機器人已經(jīng)升 起，則托板相對地面不動，機器人車身相對于托板的旋轉(zhuǎn)運動也就是機器人的左右轉(zhuǎn)運動。適當 調(diào)節(jié)電動缸行程的長度，就可以使機器人每次轉(zhuǎn)動的角度為9 0 度。 2 3 4 行走電機速度調(diào)節(jié)方式 2 3 4 1 直流電機的調(diào)速原理 直流電動機的轉(zhuǎn)速和各參量的關(guān)系可用下式表示 1 1 2 ( u i r ) ( k c 中) 式中，n 為轉(zhuǎn)速，單位是r p m ( 轉(zhuǎn)9 - 鐘) ； u 為電樞電壓，單位是v ( 伏) 8 中為勵磁磁通，單位是w b ： r 為電樞電路電阻，單位為o ； i 為電樞電流，單位是a ( 安) ： k e 為由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。 由上式可以看出，要想改變直流電機的轉(zhuǎn)速，可有三種不同的方式：調(diào)節(jié)電樞供電電壓u ， 改變電樞回路電阻r ，調(diào)節(jié)勵磁磁通中。 因為改變電阻調(diào)速會在電阻上消耗較多的電能，使電機的工作效率不商：而調(diào)節(jié)磁通范圍很 小，不然將造成飛車事故，所以直流電機以變壓調(diào)速為主。 變壓的方式也有多種。目前廣泛采用的是利用晶閘管的可控整流器和采用全控型電力電子器 件組成的直流斬波器或脈沖寬度調(diào)制( p y & i ) 變換器。p 腓變換器一般具有能耗小，效率高的特點。 2 3 4 2p w m 贏流調(diào)速 p w m ( 脈寬調(diào)制) 調(diào)速的原理如圖2 8 所示： 當開關(guān)s w 接通時電源e 加在電動機上；當開關(guān)關(guān)斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經(jīng) 二極管續(xù)流，電機兩端電壓近似為零。如此反復循環(huán)，電機兩端的電壓波形如圖2 - 8b 所示。而 當開關(guān)頻率足夠高時，電動機兩端將得到幾乎連續(xù)穩(wěn)定的平均電壓，該平均電壓為： v a = t 0 。e t = 6e 式中，t 為開關(guān)元件的開關(guān)周期；t o n 為開通時問；6 = t o n t 為開通占空比。 改變開通占空比，平均電壓也隨之改變，如果將該電壓加在直流電動機的電樞兩端，就可以 控制電動機的轉(zhuǎn)速。這就是通過改變開關(guān)的導通時間來控制平均輸出電壓大小的脈沖寬度調(diào)制方 法( p i l l ) 。 e a vj = 喜丹。 e 1 一 ot o t r ， t b 圖2 - 8p 刪調(diào)速原理 p w m 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比由下列優(yōu)點：由于p w m 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較 高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好；開關(guān)器件只工作在開關(guān) 狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高。而且，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新一代的電力電子器件。 這樣的電力電子器件成本低，控制方便，大大促進了p w m 調(diào)速系統(tǒng)在工程上的應用。 本系統(tǒng)中的行走電機對調(diào)速精度要求不高( 2 0 ) ，只要求有幾種速度可選。考慮到p w m 調(diào)速的上述優(yōu)點，我們采用開環(huán)形式的p w m 調(diào)速。 另外，由于在本系統(tǒng)中采用的控制器為單片機，完全可以以軟硬件相結(jié)合的方式來實現(xiàn)p w m 凋速，減小硬件電路的復雜程度，降低成本。 9 2 3 5 田間標志檢測方式的確定 機器人要完成自動拐彎、啟停等操作，首先必須識辨田間的位置標志，所以選擇合適的田間 標志檢測方式很重要，這也就是一個傳感器的選擇問題。 傳感器的種類很多可分為接觸式的和非接觸式的。而非接觸式式傳感器又有光傳感器、電 感式傳感器和磁傳感器等多種。 首先，由于機器人的移動工作，要求檢測方式是非接觸的。為了可靠地檢測到田間標志，要 求檢測距離要求大于1 5 倍的車輪半徑( 1 0 0 m 以上) 。 可以考慮選取紅外傳感器，但由于田間的作業(yè)環(huán)境比較復雜，容易對紅外傳感器造成干擾。 磁傳感器的工作只受鐵磁質(zhì)物質(zhì)的影響，而不會被田間的雜物所干擾。 所以選用磁傳感器是一個好的方案。如圖2 - 9 所示，傳感器安裝于機器人上。而磁標志( 磁 塊) 放置于田間。首行標志、作業(yè)終止標志、行頭標志都由同一種傳感器檢測，其區(qū)別是對應的 傳感器安裝的位置不同首行傳感器置于機器人的前方，朝前；行頭和行尾的傳感器置于機器 人的下方，朝下；作業(yè)終止傳感器置于機器人的后方，朝后。 2 5 控制系統(tǒng)總體方案 2 5 1 控制系統(tǒng)的功能 圖2 - 9 傳感器安裝與檢測示意圖 因為控制系統(tǒng)是噴霧機器人的關(guān)鍵部分，以上機器人整體功能的實現(xiàn)很大程度上都依賴于控 制系統(tǒng)的功能，所以明確機器人控制系統(tǒng)的功能非常重要。以下便是機器人控制系統(tǒng)應具備的具 體功能： ( 1 ) 控制機器人整機的升，降，啟，停，轉(zhuǎn)向，行走，噴霧閥的啟閉，讓機器人的各個運動 部件協(xié)調(diào)地工作。且有一定的保護措施。防止各運動部件之間的干涉。 ( 2 ) 能對機器人的行走速度進行調(diào)節(jié)，有幾種速度可選。采取一定的措施保證行走速度穩(wěn) 定在額定速度的2 0 。 ( 3 ) 安裝合適的磁標志傳感器，能檢知田間的位置標志，控制機器人按預定的工作方式和 1 0 行走路線作業(yè)。 ( 4 ) 對噴霧機器人所用的電源電壓進行檢測，在面板上予以顯示。電壓低于一定值時應給 出警告，提示充電。 ( 5 ) 選用合適的傾倒傳感器，采集傾倒傳感器的信號，噴霧機器人傾倒時給出警告及做停 機等處理，以防事故的發(fā)生。 ( 6 )提供用戶操作接口( 按鍵和顯示) ，能讓用戶方便地了解系統(tǒng)狀態(tài)和設定噴霧機器人 的工作方式。 ( 7 ) 應具備較強的抗干擾能力，適應各種氣候的田間作業(yè)。 2 5 2 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 從噴霧機器人控制系統(tǒng)擬實現(xiàn)的功能可以看出，該系統(tǒng)應具有前向通道( 傳感器) 、后向通 道( 電機及噴霧閥等的控制) 和邏輯運算部分( 決定控制時機和方式) 及人機界面，是一個典型 的測控系統(tǒng)。由于單片機系統(tǒng)的測控功能強，可靠性高，體積小，有專門的開發(fā)平臺，調(diào)試方便， 且成本低，所以優(yōu)先考慮用單片機來實現(xiàn)該系統(tǒng)。 以單片機為中心，則該控制系統(tǒng)的控制過程如下： 設定工作模式采集傳感器信號接受鍵盤輸入 邏輯運算 控制和狀態(tài) 信號輸出。這樣，整個控制系統(tǒng)也就可以劃分為單片機系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路、傳感器、電源、 和控制面板幾部分。以下便是控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖： 圖2 1 0 控制系統(tǒng)原理框圖 2 5 3 人機界面的設計 人機界面分為兩部分：鍵盤和顯示。鍵盤用于完成電源的開關(guān)、系統(tǒng)工作方式設定、手動操 作和自動操作的啟停；顯示部分采用l e d 指示，用于指示用戶設定的系統(tǒng)工作方式、當前的 系統(tǒng)狀態(tài)等信息。 由于田問作業(yè)環(huán)境的雨水較多，控制面板被沒計成密封的防水安裝形式。 以下是控制面板的外觀圖( 不按比例) ： 圖2 1 1 控制面板外觀圖 面板中各按鍵的含義與功能如下； “開”：按下后打開電源，并指示各種初始狀態(tài)： “關(guān)”：按下則關(guān)閉電源。 “左右”：循環(huán)設定與地塊劃分方式有關(guān)的機器人左右旋轉(zhuǎn)方式( 右轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)一 左右 轉(zhuǎn) 不轉(zhuǎn)一 右轉(zhuǎn)) ，停車時有效。 “往返”：循環(huán)設定機器人往返噴霧方式( 往返噴霧一 往噴一 返噴一 不噴霧一 往返噴) ，停車時有效。 “當前位置”：設定和指示機器人的當前方位和行走方向，停車時可設定。 “行走速度”：循環(huán)設定機器人的行走速度( 高一 低一 高) 。 “運轉(zhuǎn)”：停車時，按下此鍵即開始自動運轉(zhuǎn)；機器人正在執(zhí)行手動操作且手動操作中停( 機 器人已經(jīng)升起) 時，按下此鍵則繼續(xù)未完的手動操作，否則不予反應。 “停止”：機器人正自動運轉(zhuǎn)時，按下此鍵則停止自動運轉(zhuǎn)，此時可以進行手動操作；當機 器人正在進行手動操作時，按下此鍵則暫停正在進行的手動操作；機器人已經(jīng)停止時按下此鍵則 顯示電瓶電壓的滿度，釋放后又恢復為速度指示。 “左轉(zhuǎn)”：機器人處于升起狀態(tài)時。按一次機器人左轉(zhuǎn)9 0 度，然后停止轉(zhuǎn)動；若機器人沒有 升到頂端，則先升起再左轉(zhuǎn)9 0 度，下降，最后停止：機器人不能左轉(zhuǎn)時( 正自動運轉(zhuǎn)或已經(jīng)在 1 2 左邊了) 該按鍵無效，按下時蜂鳴器響。 “右轉(zhuǎn)”：機器人處于升起狀態(tài)時，按一次機器人右轉(zhuǎn)9 0 度，然后停止轉(zhuǎn)動；若機器人沒有 升到頂端，則先升起再右轉(zhuǎn)9 0 度，下降，最后停止；機器人不能右轉(zhuǎn)時( 正自動運轉(zhuǎn)或已經(jīng)在 右邊了) 該按鍵無效，按下時蜂鳴器響。 “上升”：按機器人開始上升，上升到頂端后停止。機器人不能上升時( 正自動運轉(zhuǎn)或已經(jīng) 在頂端了) 該按鍵無效，按下時蜂鳴器響。 “下降”：按機器人開始下降，下降到底端后停止。機器人不能下降時( 正自動運轉(zhuǎn)或已經(jīng) 在底端了) 該按鍵無效，按下時蜂鳴器響。 “前進”：點動按鍵，按下時機器人前進，松開后制動( 停車且非手動操作時有效) 。 “后退”：點動按鍵，按下時機器人后退，松開后制動( 停車且非手動操作時有效) 。 “噴霧”：手動鍵按下打開噴霧閥再次按下關(guān)閉噴霧閥。 面板中的各指示燈的含義如下： “電源”指示燈：位于“開”按鍵上方。系統(tǒng)接通電源時亮，切斷電源時熄滅；當電瓶需要 充電時在蜂嗚器發(fā)出“嘀”、“嘀”聲的同時電源指示燈閃爍。 系統(tǒng)“狀態(tài)”指示燈：位于“關(guān)”按鍵上方。當系統(tǒng)正常時，系統(tǒng)指示點亮，否則熄滅。 速度電壓指示燈：六個，位于“關(guān)”按鍵和“左右”按鍵中間。平時指示機器人的行走速 度；在機器人停止( 包括手動操作中停) 的狀態(tài)下按下“停止”按鍵時指示電瓶電壓的滿度， 釋放按鍵后又恢復為行走速度指示。行走速度或電瓶電壓滿度由小到大時，對應依次從下到上點 亮不同的指示燈。 左右拐彎設定指示燈：兩個，位于“左右”按鍵上方。機器人設定為左( 右) 拐彎時，左 ( 右) 邊指示燈亮，右( 左) 邊指示燈滅；機器人設定為左右拐彎時，兩個指示燈都亮；機器人 設定為不拐彎時，兩個指示燈都熄滅。 往返噴霧指示燈：兩個，位于“往返”按鍵上方。機器人設定為往( 返) 噴時，左( 右) 邊指示燈亮，右( 左) 邊指示燈滅；機器人設定為往返噴霧時，兩個指示燈都亮；機器人設定為 不噴霧時，兩個指示燈都熄滅。 “當前位置”指示燈：四個，位于“當前位置”按鍵上方。上方指示燈點亮時表示機器人的 當前位置在主工作道上前進；下方指示燈點亮時表示機器人的起始位置在主工作道上返回；右 邊指示燈點亮表示機器人的當前位簧在橫向行道上前進；左邊指示燈點亮表示機器人的當前位置 在橫向行道上返回。 運轉(zhuǎn)指示燈：機器人自動運轉(zhuǎn)或手動運轉(zhuǎn)時點亮，停車時熄滅。機器人運轉(zhuǎn)過程中傾倒時閃 爍( 同時蜂鳴器發(fā)出“嘀”、“嘀”聲) 。 人機界面中還包括蜂鳴器，當出現(xiàn)以下種情況時，蜂鳴器發(fā)聲，給出警告或提示 ( 1 ) 按鍵無效。 ( 2 ) 機器人傾倒。 ( 3 ) 電瓶電壓嚴重不足，需要充電。 另外，用戶每次按下按鍵時，蜂鳴器發(fā)出短促的嘀嗒聲，給出提示。 第三章控制系統(tǒng)硬件設計 根據(jù)功能劃分，整個控制系統(tǒng)可以分為三個部分：單片機系統(tǒng)主板電路、外設驅(qū)動電路、傳 感器電路以下就分這三個方面分別予以介紹。 3 1 單片機系統(tǒng)主板電路 3 1 1 輸入輸出信號 任何一個系統(tǒng)的設計首先得搞清楚它與外界的關(guān)系，而單片機系統(tǒng)主板電路與外界的關(guān)系無 非是若干路輸入輸出信號。由控制系統(tǒng)總體設計可知，該主板電路的輸入輸出信號如下表所示 表3 - 1 單片機系統(tǒng)輸入輸出信號： 名稱方向形式i o 數(shù)量隔離備注 首行傳感器信號 入正脈沖l否脈沖上升沿有效 行頭傳感器信號入正脈沖 l 否脈沖上升沿有效 作業(yè)終止傳感器信號 入正脈沖l否 脈沖上升沿有效 轉(zhuǎn)向行程開關(guān)信號入開關(guān)量 2 否分別表示左右兩個位置 升降行程開關(guān)信號入開關(guān)量 2否 分別表示上下兩個位置 傾倒傳感器入開關(guān)量 1 否高電平表示機器人傾倒 行走電機p w m 信號出開關(guān)量 2 是脈沖信號 轉(zhuǎn)向電機啟停信號出開關(guān)量 l 是高電平啟動，低電平停止 轉(zhuǎn)向電機方向信號出開關(guān)量 1 是商電平左轉(zhuǎn)，低電平右轉(zhuǎn) 升降電機啟停信號出開關(guān)量 1 是高電平啟動，低電平停止 升降電機方向信號出開關(guān)量 1 是高電平上升，低電平下降 噴霧閥開關(guān)信號出開關(guān)量 l 是高電平打開，低電平關(guān)閉 轉(zhuǎn)向設定指示出開關(guān)量 2 否左( 1 0 ) 、右( 0 1 ) 、左右( 1 1 ) 、 不轉(zhuǎn)( o o ) 往返噴霧設定指示出開關(guān)量 2否 往( 0 1 ) 、返( 1 0 ) 、往返( 1 1 ) 、 不噴( o o ) 行走速度、電源電壓出開關(guān)量3否 譯碼后完成六種速度和六 指示 種電源電壓的指示 當前位置設置指示出開關(guān)量2否 蜂鳴器信號出開關(guān)量l是高電平有效( 嗚叫) 系統(tǒng)狀態(tài)指示信號出開關(guān)量l否低電平表示系統(tǒng)正常 運轉(zhuǎn)指示信號出開關(guān)量1否 - 1 4 - 合計占用i o 口線2 7 根。其中輸入口線8 根，輸出口線1 9 根；需要電氣隔離的輸入口線0 根，需要電氣隔離的輸出口線8 根。 3 1 2 單片機系統(tǒng)主板電路總體結(jié)構(gòu) 從表3 - 1 可以看出，該單片機系統(tǒng)主板電路的輸入輸出信號主要分為以下幾類： ( 1 )傳感器( 包括升降、轉(zhuǎn)向行程開關(guān)和磁傳感器及傾倒傳感器) 輸入信號； ( 2 )需要隔離的外設( 電機、噴霧閥、蜂鳴器等) 驅(qū)動信號； ( 3 )面板指示( l e d ) 信號： ( 4 )電瓶電壓信號。 對不同種類的信號采用相應得外圍電路予以處理，可得出該單片機系統(tǒng)得原理框圖如下 圖3 - l 主板電路原理框圖 3 1 3 主要元器件的選擇和電路的實現(xiàn) ( 1 ) 單片機：該單片機系統(tǒng)主要涉及開關(guān)量的輸入輸出及邏輯運算，對實時性的要求不高。 而8 0 3 1 單片機，具備兩個外部中斷、兩個定時器和2 5 6 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，經(jīng)擴展后資源 方面完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。而且該芯片成本低，技術(shù)成熟，是本系統(tǒng)的最好選擇。 ( 2 ) 程序存儲器：單片機的程序量比較小，考慮系統(tǒng)的可擴展性，采用8 k 字節(jié)的可擦寫程 序存儲器2 7 6 4 。 ( 3 ) i 0 口擴展；采用具有2 4 路輸入輸出口線的i 0 芯片8 2 5 5 ，再加上單片機本身具有的 一些i 0 口線，完全可以滿足表3 - i 的i 0 口數(shù)量要求。p a 口作為傳感器信號輸入口，p b 口為 外設驅(qū)動信號輸出口，p c 口為面板指示信號輸出口。用第1 5 根地址線作為其片選線，則8 2 5 5 - 1 5 - 控制狀態(tài)口地址為l * o b f f f i t ，各i 0 口地址為：p a 口，# o b f f c h ；p b 口，# o b f f i ) l t ；p c 口，g o b f f e g 。 ( 4 ) 鍵盤管理：擴展一片8 2 7 9 鍵盤顯示控制芯片，用于鍵盤管理。8 2 7 9 命令口地址# o d f f f t l ， 數(shù)據(jù)口地址為# o d f f e h 。 8 2 7 9 是一種通用的可編程的鍵盤、顯示接口器件，能完成按鍵的識別和消抖，比用戶自行開 發(fā)鍵盤管理電路來得方便。但在本控制系統(tǒng)中，點動鍵“前進”、“后退”要求能夠識別按鍵釋放 的動作( 按下時前進或后退，釋放時停止) ，這是8 2 7 9 所不能完成的，筆者設計了一附加電路以 實現(xiàn)該功能。以下便是該電路的工作原理： 圖3 2 按鍵釋放識別電路原理 如圖3 2 所示，s l o s l 3 為8 2 7 9 的掃描線，r l o - r l 3 為8 2 7 9 的回復線( 8 2 7 9 有8 根回復線， 這里只畫出了其中的4 根) 。 8 2 7 9 以編碼方式掃描鍵盤時，按照一定的頻率依次在掃描線s l o s l 3 上輸出低電平。當某鍵 被按下時，該鍵所處的行線( 回復線) 上的電平將與其所處的列線( 掃描線) 上的電平保持一致， 這樣就會在該行線上產(chǎn)生與8 2 7 9 掃描頻率同步的脈沖信號。而按鍵釋放后由于上拉電阻的存在， 行線將恢復為高電平。例如，按下s l o 和r l o 交匯處的鍵l 時，回復線r l o 上就會隨s l o 的電平 變化而產(chǎn)生如圖3 3 所示的脈沖，圖中t 即為8 2 7 9 的掃描周期： 圖3 - 3 按鍵釋放識別電路輸出脈沖 如果將所有的回復線接到一個與門的輸入端，則只要有鍵按下，與門就會輸出圖3 - 3 所示的 脈沖信號，所有按鍵釋放后，其輸出才又恢復為恒定的高電平。這樣，要實現(xiàn)對按鍵釋放動作的 識別，只需對與門輸出的脈沖信號予以識別。 筆者采用了軟硬件相結(jié)合的方式來識別該脈沖信號。將與門的輸出引入到單片機8 0 3 1 的外 - 1 6 部中斷0 ，則在按鍵被按下期間，將連續(xù)產(chǎn)生若干次中斷請求。在中斷服務程序中，只需反復地 將一標志位( 標志著脈沖信號的存在) 置1 。在等待按鍵釋放的程序中，首先清除該標志位，延 遲一段時間后再檢查該標志位，若標志位變?yōu)? 則認為仍有鍵按下( 在延遲期間有外部中斷0 產(chǎn) 生) ，清除標志位重復以前的步驟：如果標志位仍然為0 則認為按鍵已經(jīng)釋放( 在延遲期間沒有 外部中斷0 產(chǎn)生) 。具體的中斷服務程序和等待按鍵釋放程序如下： 中斷服務程序： i n t o ： s e t b k e y _ y e t 1 ) o w n f l a g r e t i 等待按鍵釋放程序： w n it _ f o r k e y u p ： c l r k e y y e t d o w n f l a g s e t be t 0 l c a l l d e l a y j b k e y _ y e t d o w n f l a g ，w a i t _ f o rk e y _ u p 在這里，最重要的是選擇好等待按鍵釋放程序中的延遲時間，太長了釋放動作得不到及時得 響應，而太短( 小于中斷0 的周期) 了又會在按鍵沒有釋放時誤認為已經(jīng)釋放。經(jīng)過計算和實驗 測定8 2 7 9 的掃描周期大概為2 m s 左右，所以在等待按鍵釋放程序中設定延遲時間為4 m s 完全可 以滿足要求。 ( 5 ) 電源電壓a d 轉(zhuǎn)換：對電源電壓的檢測采用8 位的a d 轉(zhuǎn)化芯片a d c 0 8 0 9 ，其讀寫地址 為# 7 f f f 。外加放大電路( 由通用運放白搭建的測量放大器) 將電源電壓轉(zhuǎn)換為a d c 0 8 0 9 量程( 0 5 v ) 內(nèi)的電壓值。a d c 0 8 0 9 的輸入時鐘頻率由8 0 3 1 的a l e 信號經(jīng)d 觸發(fā)器4 分頻后得到。單片 機晶振頻率為1 2 m l z ，那么a l e 脈沖頻率為2 m h z ，而0 8 0 9 的輸入時鐘頻率為5 0 0 k h z 。 ( 6 ) 單片機電源模塊：在單片機應用系統(tǒng)的設計中，為了防止各種電磁干擾對系統(tǒng)的損害， 提高系統(tǒng)工作可靠性，常采用隔離技術(shù)，將系統(tǒng)輸入單元、輸出單元以及與系統(tǒng)互聯(lián)的單元隔離 開來。從技術(shù)角度來分析，通過電源引入干擾是造成系統(tǒng)受損或工作不可靠的主要因素，因此， 在系統(tǒng)設計時，要使容易相互干擾的各個部分具有獨立的隔離電源進行供電，以切斷從電源串入 的各種干擾。機器人控制系統(tǒng)中兼有強電和弱電電路，在公用一個電源( 電瓶) 的情況下單片機 很容易受到電動機等感性或容性強電電路的干擾，所以應該將單片機所用電源與電動機等具有強 電磁干擾的電路隔離開來。另外，在本系統(tǒng)中電瓶電壓為2 4 v ，而單片機所需電壓為5 v ，我們 要求電源隔離電路還具有電壓轉(zhuǎn)換的功能。這通常采用具有直流隔離功能的d c i ) c 變換器來實現(xiàn)。 圖3 - 4 雙路輸出d c d c 變換器 - 1 7 - v + c o m v 雙路輸出( 正負電壓輸出) 的d c d c 變換器外引線如圖3 - 4 所示。 不同的d c d c 變換器，其輸入電壓和輸出電壓各不相同，或驅(qū)動負載的能力不同。選擇合 適的d c d c 變換器，也就是要選擇好以下三個指標：輸入電壓；輸出電壓：輸出電流( 負 載能力) 。本系統(tǒng)中其輸出電壓已經(jīng)確定為5 v ；根據(jù)單片機系統(tǒng)的功耗，我們選擇d c d c 變換 器的輸出電流為2 a ，雙路平分后，每路輸出可得l a 的電流：輸入電壓也就是電瓶電壓，額定值 為2 4 v ，但在使用過程中電瓶電壓會有所變換，這就要求d c d c 變換器在輸入電壓在一定范圍內(nèi) 變化時輸出電壓穩(wěn)定，最后我們選擇d c d c 變換器的輸入電壓變化范圍為1 8 3 6 v 。 ( 7 ) i o 口線的電氣隔離：通過使用帶直流隔離的d c d c 電源模塊，單片機系統(tǒng)解除了受電 源干擾的影響，但強電部分的干擾還會從單片機的輸入輸出口線引入。而且在本系統(tǒng)中，經(jīng)d c d c 做轉(zhuǎn)換后，弱電部分和強電部分的電位是不一致的，若不采取隔離措施將會造成嚴重的地電位差 干擾。所以，需要對驅(qū)動電機、電磁閥的口線實行電氣隔離。 目前常用的電氣隔離器件大都采用光電隔離的方式。也就是光電偶合器。光電偶合器不僅使 信息發(fā)出端( 一次側(cè)) 和信息輸出端( 二次側(cè)) 是電絕緣的，從而對地電位差干擾有很強的抑制 能力，而且有很強的抑制電磁干擾的能力。 光電偶合器的種類很多，轉(zhuǎn)換速度、電壓等級、電流大小都各不一樣。4 n 2 5 和t p l 5 2 1 是常 用的兩種光電偶合器，它們的性能參數(shù)如表3 2 所示： 表3 - 2 光電偶合器參數(shù) 極限參數(shù)工作特性 一次側(cè)二次側(cè)全體一次側(cè)二次側(cè)一次一 二次 型號i fv rv c ei o lb vv ft t h a x t p d m a x m a xm a xm a xm a xm a x m a x i fu s ( m a )( v )( v ) ( m a )( k v )( v m a ) t p l 5 2 l 7 0 5 0 53 05 02 5 1 3 1 0 62 5 4 n 2 58 033 04 01 1 5 5 0 40 8 表中i f 為一次側(cè)電流；v r 為一次側(cè)電壓；v c 為二次側(cè)電壓；i o l 為= 次側(cè)電流 b v 為一次側(cè)和二次側(cè)的絕緣等級；i t m a x 為二次側(cè)電流建立時間： t p d m a x 為一次側(cè)到二次側(cè)的延時。 從電壓和電流等級看，t p l 5 2 1 和4 n 2 5 都可以用t t l 電平驅(qū)動，而且二次側(cè)電流足夠驅(qū)動中 小功率的晶體管。t p l 5 2 1 的轉(zhuǎn)換速度不高，但其有4 路封裝的形式t p l 5 2 1 - 4 ，需多路隔離時使 用方便，相對4 n 2 5 來說價格也低