CN101840211A

CN101840211A - 用于施肥和播种的变量控制装置

Info

Publication number: CN101840211A
Application number: CN201010184450A
Authority: CN
Inventors: 李志伟; 郑德聪; 吴锴; 郝称意; 王七斤; 吴海平; 王玉顺; 孟德胜
Original assignee: Shanxi Agricultural University
Current assignee: Shanxi Agricultural University
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: CN101840211B

Abstract

本发明涉及农业机械，具体为用于施肥和播种的变量控制装置，属于精细农业智能化农业机械变量投入技术。解决现有用于施肥和播种的变量控制装置的执行机构所存在的缺陷和问题，以及IC卡作为变量作业处方信息存储介质所造成的使用不便和成本增加的问题。包括单片机，与单片机相连的GPS或DGPS通信控制模块，单片机上连接有USB存储设备读写控制模块，单片机上连接有步进电机驱动电路，步进电机对执行机构实施调节控制；执行机构包括脉动式无级变速器，步进电机经蜗轮蜗杆减速机构驱动脉动式无级变速器的调节轴。本发明所述的变量控制装置专用于精细农业变量施肥和变量播种作业控制。

Description

用于施肥和播种的变量控制装置

技术领域

本发明涉及农业机械，特别涉及施肥和播种农业机械，具体为用于施肥和播种的变量控制装置，属于精细农业智能化农业机械变量投入技术。

背景技术

“精细农业”是近年来国际上农业科学研究的热点领域，它是现有农业生产措施与现代高新技术的有机结合。通过地理信息系统、全球卫星定位系统、遥感等自动化控制技术的应用，按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整土壤和作物的各项管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，改善环境，高效地利用各类农业资源，取得良好的经济效益和环境效益。

目前，国外用于施肥和播种的变量控制装置的执行机构主要有电控、液控、气控和机械变速等控制方式，这些机构控制难度大、价格高，直接引进很难在国内应用。国内一些高校科研院所研制的变量施肥、播种机其变量执行机构主要采用电控机械无级变速器型和电机直接驱动型两种类型。电控机械无级变速器变量执行机构方面，其变速比调节机构采用直流伺服电动机、丝杠副、传动比信号反馈装置、直流伺服电动机控制器等，来实现对机械无级变速器的闭环控制，控制方式较为复杂，且控制成本高。电机直接驱动型变量执行机构由单片计算机、步进电机驱动器、步进电机、地轮转速传感器、排肥（种）器等组成，由于使用电机直接驱动排肥器和排种器轴转动，且车辆电源电力提供有限，驱动数目不能过多，否则驱动力矩过大，同时为了能输出较大的转矩，选用较高额定电压的步进电机，这样无法直接利用拖拉机发电机输出的电力，必须经过逆变升压，这种控制方法经常会由于阻转造成发电机组过载，且性能不稳定，其实现比较复杂，成本高，较难与目前常规地轮驱动的施肥机和播种机结合。

精细农业变量控制的出发点是把大田块细化为小田块，按小田块收集田间状态信息，根据其差异性做出作业决策，即依据当前土壤养分状况和作物生长状况等田间状态信息编制出田间施肥或播种变量作业处方信息，作业处方信息内包括田间不同区域应有的施肥量或播种量、定位信息、步进电机步进值等农事变量作业信息，并有针对性地加以实施。但不同的农田，农田信息分布空间差异较大，导致单位网格作业面积的大小定义差距较大，这样就必须根据网格大小采用不同精度的GPS或DGPS。目前国内外变量控制作业系统GPS信号解译均采用固定格式和波特率的GPS定位信息，适应性较弱，成本高。

在变量作业处方信息存储介质方面，国内外大部分设备采用IC卡，但目前标准配置的微型计算机不支持IC卡，必须增加设备来进行IC卡的读写操作，造成使用不便和成本增加。

精细农业是当今世界农业发展的新潮流，作为支持“精细农业”技术的智能农业机械设备，国内基本是引进国外先进技术设备，进行消化、吸收的跟踪研究。研究和开发适合我国国情的具有自主知识产权的先进的自动变量作业控制技术，具有重要的社会意义。

发明内容

本发明为了解决现有用于施肥和播种的变量控制装置存在的问题，特别是其执行机构所存在的缺陷和问题，以及IC卡作为变量作业处方信息存储介质所造成的使用不便和成本增加的问题，提供一种用于施肥和播种的变量控制装置，该装置特别是其执行机构结构简单、成本低并以USB存储设备作为变量作业处方信息存储介质，能容易地应用于目前常规地轮驱动的施肥机和播种机上，实现变量播种和变量施肥。

本发明是另一个目的是解决目前国内外变量控制作业系统GPS信号解译均采用固定格式和波特率的GPS定位信息，适应性较弱，成本高的问题。

本发明是采用如下技术方案实现的：用于施肥和播种的变量控制装置，包括相应控制软件支持的单片机，经串口控制芯片与单片机串行通信接口相连的GPS或DGPS通信控制模块，与单片机相连的液晶显示模块，单片机上连接有USB存储设备读写控制模块，与USB存储设备读写控制模块连接有其内存储有田间施肥或播种变量作业处方信息的USB存储设备，单片机的通用输入输出口连接有步进电机驱动电路，步进电机对执行机构实施调节控制；执行机构包括脉动式无级变速器，脉动式无级变速器的动力输入轴与（施肥机或播种机的）驱动地轮轴之间链条-链轮传动，脉动式无级变速器的动力输出轴与（施肥机或播种机）排肥或排种轴之间链条-链轮传动，步进电机经蜗轮蜗杆减速机构驱动脉动式无级变速器的调节轴（弧形调速板转轴）。工作时，利用USB存储设备读写控制模块读取、提供田间施肥或播种变量作业处方信息；利用GPS或DGPS控制模块（使用时GPS或DGPS控制模块与GPS或DGPS接收机相连）获取作业农机田间动态的位置信息；单片机将农机田间动态位置信息与田间作业农作处方信息相结合，形成智能农机作业控制信息来调控变量作业控制执行机构，即控制步进电机的动作和状态，驱动蜗轮蜗杆减速器以调节脉动式无级变速器的变速比，从而调节排肥或排种轴的转速，实现田间变量施肥和变量播种智能控制；装置使用步进电机驱动变速器的调节轴（而非直接驱动排肥器或排种器轴）实现调节轴角位移量的开环精确控制，步进电机所需功率小，无需大电源，运行稳定可靠，可容易地与目前常规地轮驱动的施肥机和播种机结合，同时蜗轮蜗杆减速机本身具有增大扭矩和自锁功能，可以快速精确调节脉动式无级变速器的弧形调速板角度，以改变变速比，并固定其位置，进而实现作业农机变量作业控制。以USB存储设备作为变量作业处方信息存储介质，方便了使用，降低了成本。所述的脉动式无级变速器为现有公知产品。

具体实施时，本领域特别是自控领域的技术人员可容易地设计出多种步进电机驱动电路。本发明给出了步进电机驱动电路的一种具体电路结构，该步进电机驱动电路结构更合理，运行更稳定可靠。其包括与单片机通用输入输出口相连的步进电机的三相绕组驱动电路，每相绕组驱动电路包括一个非门、与非门输出端相连的光电耦合器件（通过光电耦合器件进行隔离，可以避免步进电机的大电流对单片机造成干扰）、与光电耦合器件的输出端相连的达林顿管（作为步进电机的驱动级）。单片机根据农机田间动态位置信息与田间作业农作处方信息输出不同的控制信号，以高电平有效；高电平经非门使光电耦合器件中的发光二极管失电，光电耦合部件中的光敏三极管截止，进而达林顿管导通，步进电机的对应相绕组得电，使步进电机产生相应动作。

无疑，所述变量控制装置的正常运行离不开单片机相应控制软件的支持，所述的控制软件是本领域技术人员容易实现的，至少可采用现有变量控制装置所使用的控制软件（其GPS信号解译均采用固定格式和波特率的GPS定位信息，适应性较弱，成本高）。本发明为了解决目前国内外变量控制作业系统GPS信号解译均采用固定格式和波特率的GPS定位信息，适应性较弱，成本高的问题，即为了适应不同型号GPS或DGPS，单片机控制软件设计中采用标准波特率穷举法，按照下表设置单片机串行通讯控制寄存器PCON的SMOD和定时器初值，改变单片机（微处理器）串行口波特率时间常数，并尝试以不同的波特率接收GPS或DGPS发出的“$”字符，直到能正确接收，并设置同步标志位为1，实现不同波特率的GPS或DGPS和单片机异步串行通讯波特率自动检测识别；对不同长度NMEA-0183语句的解译，程序设计中对接收字符串中分隔符“，”进行检测，以实现不同精度和型号GPS或DGPS空间数据的传输和解译。

本发明提供了一种基于USB存储设备的田间变量作业智能控制装置，能够适应不同精度的GPS或DGPS接收机，解译获取农机实时作业定位信息，结合单片微处理系统从USB存储设备中读取的田间作业农作处方信息，形成智能农机作业控制信息来调控变量作业控制执行机构；执行机构结构设计合理、新颖，较好解决了现有技术存在的执行机构复杂、成本高等问题，且经过简单调整，该变量控制装置就能应用于目前常规地轮驱动的施肥机和播种机上，实现变量播种和变量施肥。以USB存储设备作为变量作业处方信息存储介质，方便了使用，降低了成本。本发明所述的变量控制装置专用于精细农业变量施肥和变量播种作业控制。

附图说明

图1为本发明所述的用于施肥和播种的变量控制装置的结构框图；

图2为步进电机驱动电路原理图；

图3为执行机构的结构示意图；

图4为为串口控制芯片——MAX232芯片的硬件结构图；

图5为脉动式无级变速器传动比随调速轴角度的变化规律；

图6为脉动式无级变速器传动比变化率随步进电机转角的变化规律；

图7为霍尔传感器转速检测电路原理图；

图中：1—驱动地轮；2—主动链轮；3—脉动式机械无级变速器；4—输出链轮；5—变速器输出轴；6—输入链轮；7—变速器输入轴；8—排种（排肥）轴；9—从动链轮；10—变速器调节轴；11—蜗轮蜗杆（副）减速机构；12—联轴器；13—步进电机。

具体实施方式

用于施肥和播种的变量控制装置，包括相应控制软件支持的单片机，经串口控制芯片与单片机串行通信接口相连的GPS或DGPS通信控制模块，与单片机相连的液晶显示模块，单片机上连接有USB存储设备读写控制模块，与USB存储设备读写控制模块连接有其内存储有田间施肥或播种变量作业处方信息的USB存储设备，单片机的通用输入输出口连接有步进电机驱动电路，步进电机13对执行机构实施调节控制；执行机构包括脉动式无级变速器3，脉动式无级变速器的动力输入轴7与（施肥机或播种机的）驱动地轮1轴之间链条-链轮传动，脉动式无级变速器的动力输出轴5与（施肥机或播种机）排肥或排种轴8之间链条-链轮传动，步进电机13经蜗轮蜗杆减速机构11驱动脉动式无级变速器的调节轴10（弧形调速板转轴）。具体实施时，单片机选用AT89S55；精细农业变量投入单位网格作业面积的大小定义差距较大，这样就必须根据网格大小采用不同精度的GPS或DGPS。在该用于施肥和播种的变量控制装置中采用亚米级的AG132或广泛用于精细农业的GARMIN公司生产的GPS25-lvsOEM板作为GPS或DGPS通信控制模块以采集作业农机定位信息，并通过美信公司MAX232芯片为串口控制芯片与单片微型计算机的串行通信接口相连。硬件结构如图4，MAX232芯片可以转换两组串行通信信号，在本模块中使用TXD2和RXD2和GPS连接，MCU_RXD和MCU_TXD和单片机连接。MAX232芯片外接的四个1uf的电容是升压电容。USB存储设备读写控制模块采用南京沁恒有限公司生产的USB总线通用接口芯片CH375B。该芯片支持HOST主机方式和从设备方式，并可动态地切换主机和从设备方式。CH375的USB主机方式支持各种常用的USB全速设备,还内置了处理海量存储设备的专用通信协议固件,支持符合Bulk-Only传输协议。在USB-HOST模式下，实现单片微处理器对USB移动存储设备的控制，完成农机作业处方信息的读取和农机具工况信息的存储，以及在USB-DEVICE模式下，与PC机通信，进行数据交换。液晶显示模块采用ts12864A－3，该模块内部具有控制模块，自带汉字库，能够显示字符、字符、图片。模块具有两个指令集：基本指令集和扩展指令集，可以通过控制字来选择指令集。液晶显示器通过74LS00（与非门）和74HC138（译码器）与AT89S55P0口相连接，外围设备采用存储器统一寻址方式，由硬件连接知：写指令代码地址为0xe000，写数据代码地址为0xe100，读状态指令地址为0xe200，读数据指令地址为0xe300。显示时，显示的内容写入显示RAM中，控制模块就会自动控制显示。该模块可以显示四行，每行八个字，最多显示32个汉字。

步进电机驱动电路如图2所示，包括与单片机通用输入输出口相连的步进电机的三相绕组驱动电路，每相绕组驱动电路包括一个非门、与非门输出端相连的光电耦合器件（通过光电耦合器件进行隔离，可以避免步进电机的大电流对单片机造成干扰）、与光电耦合器件的输出端相连的达林顿管（作为步进电机的驱动级）。单片微型计算机AT89S55通用输入输出P1口输出步进电机控制信号，P1.0控制A相绕组驱动电路，P1.1控制B相绕组驱动电路，P1.2控制C相绕组驱动电路，在控制信号输出级与步进电机驱动级间通过光电耦合器件P621进行隔离，这样可以避免步进电机的大电流对单片机造成干扰，驱动级采用达林顿管TIP127和步进电机相接。

执行机构主传动采用两级链传动，中间加装脉动式机械无级变速器，由行走地轮1驱动，可实现机组前进速度与排种（排肥）过程的同步。动力传递的路线：驱动地轮1→主动链轮2→输入链轮6→输入轴7→脉动式无级变速器3→输出轴5→输出链轮4→从动链轮9→排种（排肥）轴8。排肥或排种轴8的变量实施，通过脉动式无级变速器3改变系统的传动比实现。根据脉动式无级变速器的工作特性，变速器调节轴10的调节范围为0～45°，相应地变速器传动比为0～0.5921，其变化规律如图5所示。变速器调节轴10的角度调节，由GPS系统控制的步进电机13驱动，通过联轴器12和减速比为1∶40的蜗轮蜗杆副控制，可以利用蜗轮蜗杆传动的机械精度和自锁功能，实现变速器调节轴10的精确定位，保证系统传动比的准确性。变速器传动比变化率随步进电机转角与规律如图6所示。可见，在调速范围内，步进电机每转1°，变速器传动比的变化率为0.0163%～0.104%，具有很高的调速精度。

与单片机连接有排肥或排种轴和地轮转轴转速监测模块，该模块由A3240LLHLT-T霍尔芯片、永磁和目标齿轮构成。该转速监测模块霍尔传感器触发类型采用隔断式，主要监测排肥或排种轴转速、地轮打滑以及地轮轴与排肥或排种轴变速比。霍尔传感器转速检测电路如图7所示。单片机对监测到的排肥或排种轴和地轮转轴的转速进行显示，当排肥或排种轴、地轮打滑或阻转时，单片机发出报警信号，以提示操作者。

GPS输出协议有TSIP和NMEA-0183两种，大多采用NMEA-0183标准格式。NMEA-0183是美国国家海洋电子协会定制的，其数据格式设置为1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验，波特率为300、600、1200、2400、4800、9600、19200可选。NMEA-0183输出数据为ASCII码，语句包括GPGGA、GPGLL、GPGSA、GPRMC等，其内容主要有经度、纬度、高度、速度、时间、日期等。根据需要系统采用GPGGA定位信息来获得所需的时间、位置等信息。GPGGA语句的结构为:＄GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh<CR><LF>。其中，“＄”为语句起始标志，<CR><LF>为语句结束标志。

在系统中，GPS数据通信口通过RS232串行通信接口与单片机相连接，数据接收采用中断方式，为了适应不同型号GPS，控制软件设计中采用标准波特率穷举法，按照下表设置单片机串行通讯控制寄存器PCON的SMOD和定时器初值，改变单片机（微处理器）串行口波特率时间常数，并尝试以不同的波特率接收GPS或DGPS发出的“$”字符，直到能正确接收，并设置同步标志位为1，实现不同波特率的GPS或DGPS和单片机异步串行通讯波特率自动检测识别；

NMEA-0183语句格式是以“＄”为语句起始标志，<CR><LF>为语句结束标志，当接收到GPS发出的“$”字符时，设置NMEA语句起始标志位为1，之后串口中断服务程序接受的都为有效数据，直到接收到<CR>为止。

在GPS数据解译方面，由于精细农业变量投入的出发点是把大田块细化为小田块，按小田块收集田间状态信息，根据其差异性做出作业决策，并有针对性地加以实施。但不同的农田，农田信息分布空间差异较大，导致单位网格作业面积的大小定义差距较大，这样就必须根据网格大小采用不同精度的GPS或DGPS。由于接收的NMEA-0183语句长度不同，在语句解译上造成了很多不便，如：

AG132：$GPGGA,112010.00,3748.115012,N,11233.280035,E,0,01,0.0,50.11,M,20.27,M,,*5F<CR><LF>

GPS－OEM：$GPGGA,101810,3725.2569,N,11234.3614,E,1,06,2.2,807.7,M,-19.8,M,,*66<CR><LF>

其时间、经度、维度和高程等信息有效位数不同，无法按固定长度解译。通过分析知其信息之间的分隔符为“,”，且信息项顺序固定。故在信息解译时，在接收字符串中查找第二个“,”，之后为维度信息，直到第三个“,”为止，即对不同长度NMEA-0183语句的解译，程序设计中对接收字符串中分隔符“，”进行检测，以实现不同精度和型号GPS或DGPS空间数据的传输和解译。。同样的方法可解译精度、高程和定位卫星数等信息。同时接收的数据都为ASCII码，无法进行查表操作，在应用中把字符转变为数值，并小数点进行移位操作，把小数转换为整数，然后把转换后的数据存储到外部扩展存储器。

在步进电机相对步进量计算方面，从USB移动存储器中读出的变量作业处方包含的是步进电机步进量的绝对值，根据上一次动作的绝对值，结合本次步进电机步进量计算当次步进电机相对步进量。

Claims

1.一种用于施肥和播种的变量控制装置，包括相应控制软件支持的单片机，经串口控制芯片与单片机串行通信接口相连的GPS或DGPS通信控制模块，与单片机相连的液晶显示模块，其特征为：单片机上连接有USB存储设备读写控制模块，与USB存储设备读写控制模块连接有其内存储有田间施肥或播种变量作业处方信息的USB存储设备，单片机的通用输入输出口连接有步进电机驱动电路，步进电机（13）对执行机构实施调节控制；执行机构包括脉动式无级变速器（3），脉动式无级变速器的动力输入轴（7）与驱动地轮（1）轴之间链条-链轮传动，脉动式无级变速器的动力输出轴（5）与排肥或排种轴（8）之间链条-链轮传动，步进电机（13）经蜗轮蜗杆减速机构（11）驱动脉动式无级变速器的调节轴（10）。

2.根据权利要求1所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：步进电机驱动电路包括与单片机通用输入输出口相连的步进电机的三相绕组驱动电路，每相绕组驱动电路包括一个非门、与非门输出端相连的光电耦合器件、与光电耦合器件的输出端相连的达林顿管。

3.根据权利要求1或2所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：单片机选用AT89S55；采用亚米级的AG132或GARMIN公司生产的GPS25-lvsOEM板作为GPS或DGPS通信控制模块，并通过美信公司MAX232芯片为串口控制芯片与单片微型计算机的串行通信接口相连；USB存储设备读写控制模块采用南京沁恒有限公司生产的USB总线通用接口芯片CH375B。

4.根据权利要求1或2所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：变速器调节轴（10）的调节范围为0～45°，蜗轮蜗杆减速机构的减速比为1∶40。

5.根据权利要求1或2所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：与单片机连接有排肥或排种轴和地轮转轴转速监测模块。

6.根据权利要求4所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：与单片机连接有排肥或排种轴和地轮转轴转速监测模块。

7.根据权利要求5所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：转速监测模块由A3240LLHLT-T霍尔芯片、永磁和目标齿轮构成。

8.根据权利要求1或2所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：单片机控制软件设计中采用标准波特率穷举法，按照下表设置单片机串行通讯控制寄存器PCON的SMOD和定时器初值，改变单片机串行口波特率时间常数，并尝试以不同的波特率接收GPS或DGPS发出的“$”字符，直到能正确接收，并设置同步标志位为1，实现不同波特率的GPS或DGPS和单片机异步串行通讯波特率自动检测识别；对不同长度NMEA-0183语句的解译，程序设计中对接收字符串中分隔符“，”进行检测，以实现不同精度和型号GPS或DGPS空间数据的传输和解译，

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9.根据权利要求4所述的用于施肥和播种的变量控制装置，其特征为：单片机控制软件设计中采用标准波特率穷举法，按照下表设置单片机串行通讯控制寄存器PCON的SMOD和定时器初值，改变单片机串行口波特率时间常数，并尝试以不同的波特率接收GPS或DGPS发出的“$”字符，直到能正确接收，并设置同步标志位为1，实现不同波特率的GPS或DGPS和单片机异步串行通讯波特率自动检测识别；对不同长度NMEA-0183语句的解译，程序设计中对接收字符串中分隔符“，”进行检测，以实现不同精度和型号GPS或DGPS空间数据的传输和解译，

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