基于STC8A8K64S4A12 的农用无人机电流表系统研究

安红恩，杨少沛( 通信作者)，许 强

（黄河交通学院机电工程学院 河南 焦作 454950）

0 引言

近年来，随着农用无人机技术的快速发展，其在农作物植保作业领域的应用越来越广泛，突显了其机动性好、灵活和易操作等特点[1]。另外，无人机低空遥感技术和传统监测方式的有机融合，构建了空天地立体化监测管理体系，推动了我国农业生产快速高质量发展[2]。然而，由于无人机在使用过程中易受周围环境和自身负载重量等因素影响，导致农用无人机在电源存储能力、续航能力等方面仍存在稳定性差和可靠性不足等问题。因此，如何正确使用电源，合理控制飞行速度和放电电流，是农用无人机能够最大程度应用于农业领域的技术难点，故对无人机的电源检测研究显得尤为重要。尽管国内外学者在无人机发展方面作出了很大努力，如农用无人机的效率、安全性、成本等方面[1,3-7]，但如何有效管理电源，让农用4 旋翼无人机在有限的时间内发挥最大的功能，而实现无人机的电源检测是关键技术之一。

无人机综合测试系统需要对发射机、接收机、舵机、陀螺等部件的数据进行测量，其中对发射机的工作电流的测量是测试指标的重要组成部分，该指标是检验发射机正常工作的数据分析依据之一，因此其测量的准确性直接影响着发射机的研制与批量生产的质量[2]。

为此，本文在前期研究的基础上[8]，以STC8A8K64S4A12处理器为平台，集成数据采集模块(CS5460A)和通信模块(RS485)，利用单片机C 语言和汇编语言指令，设计了一种基于嵌入式微处理器为核心的农用无人机电流表系统。该系统支持通信接口-RS485、网络通信协议-MODBUS-RTU 且利于同各类计算机的监控系统进行信息交换[9-13]。结合嵌入式技术和通信技术，设计一种切换快捷、扩展性好、传输可靠、成本低廉、安装简易的电流表系统，融入多种抗干扰措施，确保工作环境恶劣情况下能稳定运行，显示使用LED 数码管，具有界面友好与操作便捷的特点，简单操作按键便可逐页观察和设定参数，使得农用4 旋翼无人机和工业仪表结合显得更为完美，从而提升无人机技术和智能仪表技术的协调发展，以期为无人机在农业应用领域的进一步研究有所帮助。

1 电流表总体结构设计

农用4 旋翼无人机电流表系统的重要核心技术是如何确定微处理器，因为微处理器控制信息的采集和传输，故微处理器选择的是否合适显得极其重要。STC8A8K64S4A12系列单片机是中国宏晶科技（STC）生产的单片机，不需外部晶振电路和外部复位电路，片上有EEPROM 功能以及外围FPGA/DSP/GPU/CPU/MCU 获得时钟和低电平复位信号。该芯片具有高速内核、四级流水线、相同时钟频率下比传统8051 快12 倍以上等优点。SPI 支持主机模式和从机模式以及主机/从机自动切换，I2C 支持主机模式和从机模式。还具有高速12 位ADC，速度高达80 万次/s 以上，8 通道15 位PWM 和4 通道CCP 共12 路PWM，PWM 可当DAC使用[9]。嵌入式微处理器（STC8A8K64S4A12）作为基于STC8A8K64S4A12 的农用无人机电流表系统的控制核心，外部电量信息由传感器和数据采集模块CS5460 进行采集，用户或上位机获得的采集信息由ADM2483 通信模块来发送。系统结构功能图见图l，整体实物外形结构图见图2。

2 电源电路设计

该农用无人机电流表硬件部分电路，即由电源电路、显示电路和主控电路3 部分构成，三者相互配合而构成一个完整的电压表。

2.1 电源电路设计

电源电路可以通过USB 接口供电。农用无人机中电调的BEC 输出即为+5 V 电压，可用做电源电路。BEC（Battey Elimination Circuit），即免电池电路，在无人机电调里装置一个电路模块，而电子设备如接收机和舵机等采用电压为5 ～6 V，该电压通过12 V 电池转换而成（电机还是12 V 供电），这样就省去了5 V 电池，这就是BEC 电路名称的由来[10-12]。线性稳压方式是BEC 使用最为普遍的，具有简单的线路且小的体积和一只稳压管就能达到其需求，但不足的是低的效率转换，当进行稳压时出现大能量损耗，因此稳压管在使用过程中出现发热现象。由于其效率低，自然输出电流较低，一般也就1 A 左右，视具体情况而定。

图3 和图4 分别是农用无人机电源监控仪表的原理图和实物图。

2.2 主控电路设计

主控部分电路主要由1个CS5460A（数据采集与转换）、1 个单片机 STC8A8K64S4A12、1 个RS458 通信模块、1 只晶振及部分插针和电阻等器件组成，其工作原理具体如下。

外部被测电流信号IA、IB（中间有瞬间高压放电保护措施）经过1 个电流互感器后进入CS5460A 的差模电流输入端（第15 脚IIN1-、第16 脚IIN1+）。CS5460A 是一个包含两个ΔΣ 模-数转换器（ADC），能够精确测量和计算有功功率、瞬时功率、瞬时电压、电流等数据[13]。

CS5460A 在正数字电源（第3 脚VD+）、数字地（第4脚DGND）和正模拟电源（第14 脚VA+）、模拟地（第13脚VA-）以及晶振（4.096 MHz 连接于第1 脚和第24 脚之间）采样输入后，经过转换处理成数字信号，按照SPI（Serial Peripheral Interface 即串行外围设备接口）总线协议和单片机STC8A8K64S4A12 相通信[14-18]。其中CS5460A 的第5 脚SCLK（串行时钟输入，该引脚上的时钟信号确定第23 脚SDI 引脚的输入速率和第6 脚SDO 引脚的输出速率）和单片机STC8A8K64S4A12 的第7 脚P1.5 相连，为单片机的外设器件。CS5460A 的第19 脚RESET（复位信号）和单片机的第6 引脚P4.4 相连，由单片机提供复位信号。CS5460A 的第6 脚SDO（串行数据输入，标号为MISO 即主控制器输入，从器件输出线）、第23脚SDI（串行数据输入，标号为MOSI 即主控制器输出，从器件输入线）分别和单片机的第5 脚P1.4、第4 脚P1.3 相连，完成信号的转化和传送工作。为了保证 CS5460A 更加稳定可靠的工作，第17 脚PFMON 掉电监视器接入2/3VCC 固定值电压，且第7脚CS 片选信号接地GND[15]。

单片机STC8A8K64S4A12 和外设的通信连接有两种总线协议，一种是SPI 协议，和CS5460A 相互连接，完成信号的采集、输入、存储、转化；另一种是I2C 协议，和AT24C256 相互连接，完成信号的输入、存储、输出，起到掉电保护作用。

AT24C256 是可编程只读存储器，具有256 kbit 串行电可擦特点，源自ATMEL 公司，封装使用8 引脚双排直插式，也可以使用其他封装方式，其特点为大的存储容量和紧凑的结构，使用4 片该器件并接在I2C 总线上，尤其适用于有数据储存要求为高容量的采集系统[19-20]。

单片机STC8A8K64S4A12 的第32 脚（P2.4，标号为SDA 串行数据线）、第33 脚（P2.5，标号为SCL 串行时钟线）分别和AT24C256的第5脚、第6脚相连。AT24C256的第1、2、

3、7 脚都接地，所以该芯片的片选编码为000，SDA 是一个漏极开路端，因此需要加上拉电阻R7（阻值为470）和电源VCC。

2.3 显示电路设计

显示部分电路主要由3 个按键（K1、K2、K3），2 个移位寄存器74HC595 和3 个5 位一体共阳极数码管以及辅助电源、电阻构成，主要工作原理如下。

2 个74HC595 相互级联实现显示信号的串行输入并行输出，具体接法为：第1 个74HC595（IC3）的第9 脚Q7’（串行数据输出）、11 脚SHCP（数据输入时钟线）、12 脚STCP（输出存储器锁存时钟线）和第2 个74HC595（IC2）第14脚DS（串行数据输入）、11脚SHCP（数据输入时钟线）、12 脚STCP（输出存储器锁存时钟线）连在一起，实现级联[20-28]。为了让显示部分工作稳定，可让2 个74HC595 的第10 脚MR（主复位信号，移位寄存器的数据在低电平时将被清零）接到VCC 防止数据清零，第13 脚OE（低电平时输出有效，而高电平时输出为禁止状态，成高阻态）接地。其中第1 个74HC595（IC3）控制五位一体数码管的段选，可显示不同的字形码，第2 个74HC595（IC2）控制五位一体数码管的位选，可控制不同的位显示，实现数据的多位显示。为了保护数码管不被大电流烧毁，在每个段选上加上330 Ω 的限流电阻，以起到保护作用。

第1 个74HC595（IC3）的第11 脚SHCP（数据输入时钟线）、12 脚STCP（输出存储器锁存时钟线）、14 脚DS（串行数据输入）分别和单片机的第28 脚P4.2、29 脚P2.1、27 脚P2.0 相连，由单片机提供数据输入时钟、输出存储器锁存时钟和处理后的串行数据然后显示出来。

3 个按键K1（设置键）、K2（移位键）、K3（加法键）[29]分别和单片机的21 脚P3.3、22 脚P3.4、23 脚P3.5 相连，单片机以中断的方式实现3 个键的工作[19-22]。

3 程序设计

为了便于显示和调试，程序采用顺序结构设计，首先输入一级控制密码，起动调试程序，然后确定量程和通信地址和波特率；在正确输入二级控制密码后进行正常标定，通过对待测值的采集和信号转化，进行数据处理和显示[25-29]，详细流程图见图5。

4 仪表稳定性测试与分析

为了测试仪表的稳定性和可靠性，首先对仪表进行初始化设置，整体调试操作步骤如下。

（1）上电，最后两位数码管显示0.0（默认为小数点后保留1 位数字），其他3 位不显示。

（2）按设置键，显示L——0。

（3）按加法键，可对最后一位数字分别设置为0、2、3、4，下面分别介绍对应的情况。

情况1：

（1）上电，最后两位数码管显示0.0。

（2）按设置键，显示L——0。

（3）按加法键，直到显示L——2。

（4）按设置键，显示F—100。此值表示为工程量值、变送比，即测量的最大值，也是显示的最大值，根据具体情况可以通过加法键和减法键进行修改数值。

（5）按设置键，显示A——1。表示通信地址，在进行数据通信时使用，也可以通过加法键和减法键修改数值。

（6）按设置键，显示b——96。表示通信的波特率是9600bps，一般不用修改。

（7）按设置键，最后两位数码管显示0.0。

以上为设定测量满度和通信参数完毕。

情况2：

（1）上电，最后两位数码管显示0.0。

（2）按设置键，显示L——0。

（3）按加法键，直到显示L——3。

（4）按设置键，显示TAC—I。此时表示仪表工作为交流电流模式。按加法键（或减法键）可以依次切换为TdC—V 直流电压模式、TdC—I 直流电流模式、TAC—V 交流电压模式。

（5）按设置键，显示d——1。表示小数点后保留的数据位数，在进行数据显示时使用，也可以通过加法键和减法键修改数值。

（6）按设置键，最后两位数码管显示0.0。

以上为设定仪表工作模式和数据显示位数完毕。情况3：

（1）上电，最后两位数码管显示0.0。

（2）按设置键，显示L——0。

（3）按加法键，直到显示L——4。

（4）按设置键，显示L——0.0，在不同的测试环境下会有不同数据，属于系统误差。然后由多功能仪表输入最小值0。

（5）按加法键，显示L——3.0，如果数据闪烁或不稳定，可以反复按加法键，直至数据稳定不变，说明最小值标定成功。

（6）按设置键，显示H——972，在不同的测试环境下会有不同数据，属于系统误差。然后由多功能仪表输入最大值如1A。

（7）按加法键，显示H1021，如果数据闪烁或不稳定，可以反复按加法键，直至数据稳定不变，说明最大值标定成功。

（8）按设置键，显示最大值100，此时多功能仪表输出1A 仍然存在。

以上为设定仪表测试状态完毕，可以让多功能仪表退出1A 回零。

通过上述设定后，输入任何一个电流值（在标定值范围内的被测电流值），屏幕应显示输入数值。

此时调试完成，可以正常显示被测电流。测试结果见表1，测试表明，仪表测量功能具有较高的稳定性。第一段适用于监测变电所和配电站工作电流，此时可以设置为TAC—I 交流电流模式，工程量值为100。

表2 第二段系统稳定性测试数据Table 2 The test data of system stability for second stage

第二段适用于监测12 V/24 V 无人机电源电流，此时可以设置为TdC—I 直流电流模式，硬件电路可以把互感器去掉，改为串接20 Ω 电阻，直流电流经过电阻转化为电压后，接入测量端，最大输入电压为75 mV，工程量值为100。

误差分析见图6、图7。图中x 为输入标准电流，y 为测试显示电流，z测试显示电流y和输入标准电流x的差值，即误差。

图6 为系统稳定性测试数据误差分析图（第一段、适用于监测变电所和配电站工作电流），测试状态为交流电流模式，工程量值为100，在理论上输出电流值是输入电流值的100 倍，y=100x，在实际上有误差，但是很小，只有在输入0 值时，因为干扰或互感器自身影响，误差较大，输出0.02，在输入0.05 值时，输出5.2，其余情况小几乎没有误差。图7 为第二段系统稳定性测试数据误差分析图（适用于监测12 V/24 V 无人机电源电流），测试状态为直流电流模式，工程量值为100，在理论上输出电流值是输入电流值的100 倍，y=100x，在实际上有误差，但是很小，只有在输入0 值时，因为干扰或电子元件的离散性影响，误差较大，输出0.03，其余情况小几乎没有误差。

5 结语

本文所研究的农用无人机电流表系统核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器STC8A8K64S4A12 连接数据采集模块CS5460A 和通信模块RS485，完成电量信息的采集传输和显示。实验证明，该仪表能够稳定工作且可靠性较高，在输入电流0 ～100 A 范围内，测量结果达到工业标准2.0级，从而为开发农用无人机电源监控系统提供了参考，因CS5460A 和通信模块RS485 的质量不稳定，个别仪表在标定数据和通信时会出现标定不成功和通信失败的现象，可通过多次标定和通信或更换更好的芯片来解决。