專利名稱：自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種收割谷物時自動測量割幅寬度的方法及其裝置，屬于農業(yè)機械化收獲技術領域。
背景技術：
現代農業(yè)技術中，“精細農業(yè)”是農業(yè)發(fā)展的方向。為此，準確制定作物的產量分布圖是了解生產情況和實施宏觀控制的必要內容。在完成測量大田谷物收獲量分布的一種主要而簡便方法是根據谷物聯(lián)合收割機在收獲作業(yè)過程中的作物割幅寬度和收割的長度計算谷物的實時實際收割面積，從而了解產量分布情況。其中，作物割幅寬度雖然只是數字化產量分布圖制作過程中的一個參數，但它的誤差能引起系統(tǒng)誤差的增大，使得產量分布圖的可信度大打折扣。在現有技術中，國內外在割幅測量方面只限于接觸式手工測量、人工目測或靜態(tài)儀器測量，存在測量投入人力多、測量過程繁瑣、測量精度低、數據記錄不全等不足，無法滿足自動在線非接觸測量、自動記錄的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有技術中存在的缺點，提供一種能滿足谷物聯(lián)合收割機在收獲作業(yè)過程中實現谷物割幅自動測量、割幅自動記錄、存儲的在線作物割幅寬測量方法；本發(fā)明所要解決另一個技術問題是提供實現上述方法的裝置。
解決上述技術問題的技術方案是一種自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法，將兩個超聲波傳感器分別安裝在聯(lián)合收割機分禾器的左右兩端口上，超聲波傳感器的信號輸出端和接收端與單片微處理裝置相連接，由單片微處理裝置控制超聲波傳感器測量分禾器與作物叢邊緣的距離，并計算谷物割幅寬度，步驟如下a.通過軟件方式使單片微控制器口線輸出一定間隔的超聲波調制脈沖波；b.左、右超聲波傳感器分時輪番發(fā)射超聲脈沖，在左側發(fā)射超聲波脈沖并控制左側超聲波傳感器接收來自作物叢左邊緣的反射回波信號時，右側的接收、發(fā)射裝置停止工作，同樣，在右側發(fā)射超聲波脈沖并控制右側超聲波傳感器接收來自作物叢左邊緣的反射回波信號時，左側的接收、發(fā)射裝置停止工作；C.左、右超聲波傳感器將接收到的反射波變換成電信號輸送到單片微處理裝置；d.在超聲波發(fā)送的同時單片機開始計數，根據接收到超聲回波和計數值計算出超聲波傳感器到作物植株叢邊緣的距離為S＝(V×Δt)/2；e.通過超聲波傳感器輪番分時測得左右左間LW、RW，計算某時刻割幅大小為W(t)＝DW-(LW+RW)，常數DW可由鍵盤根據收割機的實際割臺寬度設定；f.測得數據采用去極值平均濾波算法取得有效采樣值，步驟如下連續(xù)采樣n次，將其累加求和，同時找出其中的最大值與最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按n-2個采樣值求平均，即得有效采樣值。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法，計算某時刻割幅大小W(t)＝DW-(LW+RW)時，由于測量速度快耗時少，可假定這一時刻的相鄰的左間距5LW、右間距6RW在平行于收割機割臺一條直線上。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法，將處理好的數據可以送顯，同時可通過RS232串口發(fā)送給上位機。
自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它由兩個超聲波傳感器和單片微處理裝置組成，兩個超聲波傳感器分別安裝在聯(lián)合收割機分禾器的左右兩端口上，超聲波傳感器的信號輸出端和接收端與單片微處理裝置相連接；所述超聲波傳感器由超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器兩部分組成；所述單片微處理裝置由驅動電路、多路選擇器、緩沖器、前置放大器、電子開關可編程放大器、比較器及觸發(fā)控制單元、溫度補償及頻率發(fā)生器、微處理單元組成，超聲波發(fā)射換能器與驅動電路的信號輸出端相連接，超聲波接收換能器和驅動電路的信號輸入端接多路選擇器，多路選擇器的還分別接緩沖器、前置放大器和微處理單元，前置放大器、電子開關可編程放大器、比較器及觸發(fā)控制單元、溫度補償及頻率發(fā)生器依次連接，電子開關可編程放大器的地址端和比較器及觸發(fā)控制單元還與微處理單元相連接。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的驅動電路由相同的左、右兩路超聲波驅動電路組成，其中左路由5個非門U1A、U1B、U1C、U1D、U1E及超聲波發(fā)射換能器T1組成，U1A與U1B并聯(lián)后一端與U1E串聯(lián)，另一端接超聲波發(fā)射換能器T1的一端，U1C與U1D并聯(lián)后一端接多路選擇器，另一端接超聲波發(fā)射換能器T1的另一端，U1E的另一端接多路選擇器。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的多路選擇器由集成電路U4組成，U4的A、B地址端口接微處理單元的單片機U6的P1.1、P1.2口，U4的X端口接緩沖器，U4的Y端口接前置放大器的輸入端，U4的Y0、Y1端口接超聲波接收換能器Rx1、Rx2的信號輸出端。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的緩沖器由3個非門U2B、U2F、U2A組成，U2B與U2F并聯(lián)后一端接上述多路選擇器U4，另一端與U2A串聯(lián)后接微處理單元的單片機U6的P1.0口。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的前置放大器由運放器U11A、電阻R3、R4、R5、R6、R7、電容C7、C9、以及電子開關U16A組成，電子開關U16A的輸入、輸出端分別接多路選擇器U4的Y端口和運放器U11A的同相端，開關端接單片機U6的P1.3口，運放器的輸出端接電子開關可編程放大器，電阻R3、R4、R5、R6、電容C7、C9是運放器U11A的外圍電阻和電容。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的電子開關及可編程放大器由運放器U11B、電子開關U9、電阻R9～R17、電容C11組成，運放器U11B的反相端接前置放大器的輸出端，同相端通過電阻R10、電容C11接地，電子開關U9的X端接運放器U11B的同相端，電子開關U9的X0～X5端口分別接電阻R11～R16后與運放器U11B的輸出端連接，電子開關U9的地址端A、B、C接至單片機U6的P1.4、P1.5、P1.6口。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的比較器及觸發(fā)控制單元由二極管D1、D2、D3、運放器U11C、與非門U12A、U12B、U12C、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A、U13B、與門U10A、電阻R9、R18～R22、電容C13、C16、C17組成，運放器U11C和電阻R19～R21組成比較器，其反相端接由二極管D2、D3組成的整流電路，輸出端接的與非門U12A、U12B、U12C組成的R-S觸發(fā)器的輸入端，R-S觸發(fā)器的輸出端分別接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的CLR端口和U13B的B端口，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的Q輸出端接與門U10A，再由U10A的輸出端接至單片機U6的外部計數脈沖輸入端T1口，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13B的Q非端接至單片機U6的外部中斷INT1口，單片機U6的P1.7端口分別接運放器U11C的同相端、與非門U12A的兩個輸入端、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的A輸入端口。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的溫度補償及頻率發(fā)生器由單片高頻信號發(fā)生器U9、負溫度系數的熱敏電阻Rt、電阻R1、R2、電容C3、C4、C5、C6組成，熱敏電阻Rt、電阻R1、R2、電容C3、C4、C5、C6構成單片高頻信號發(fā)生器U9的外圍電路，其中熱敏電阻Rt接單片高頻信號發(fā)生器U9的IN端口，單片高頻信號發(fā)生器U9的OUT端口接上述比較器及觸發(fā)控制單元的與門U10A的兩個輸入端。
上述自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，它的微處理單元由單片機U6、串行數據通信U8、顯示與鍵盤組成，單片機U6分別與上述多路選擇器，緩沖器，前置放大器，電子開關可編程放大器，比較器及觸發(fā)控制單元連接，串行數據通信U8的R20UT端口、T2IN端口分別與單片機U6的RXD、TXD端口相連接，顯示與鍵盤分別與單片機U6的P0口、P2口相連接。
采用這種自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法及裝置可以使聯(lián)合收割機在作業(yè)過程中由割臺兩端的超聲波傳感器發(fā)出測距波，發(fā)射信號波經單片機處理后進行計算，得出準確的谷物割幅寬度、實現谷物割幅自動測量、記錄和存儲，大大提高了測量準確度、節(jié)約了人力，對于準確制定作物的產量分布圖以了解生產情況和實施宏觀控制具有很強的實用價值。


圖1是自動在線測量谷物實時實際割幅寬度裝置的安裝位置示意圖；圖2是自動在線測量谷物實時實際割幅寬度裝置的電路方框圖；圖3是自動在線測量谷物實時實際割幅寬度裝置的電路原理圖；圖4是自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法的主程序流程圖；圖5是自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法的數據處理程序圖。
圖中標記如下大田中作物植株叢1、谷物聯(lián)合收割機割臺2、割臺寬度DW3、超聲波傳感器4、左間距LW5、右間距RW6、驅動電路7、多路選擇器8、緩沖器9、前置放大器10、電子開關及可編程放大器11、比較器及觸發(fā)控制單元12、溫度補償及頻率發(fā)生器13、微處理單元1具體實施方式
本發(fā)明是一種自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法及實現這種方法的裝置。這種方法是將兩個超聲波傳感器分別安裝在聯(lián)合收割機分禾器的左右兩端口上，超聲波傳感器的信號輸出端和接收端與單片微處理裝置相連接，由單片微處理裝置控制超聲波傳感器測量分禾器與作物叢邊緣的距離，并計算谷物割幅寬度，具體實施步驟如下從圖1中可以看到，大田中作物植株叢1、谷物聯(lián)合收割機割臺2、割臺寬度DW3、超聲波傳感器4、左間距LW5、右間距RW6。每個超聲波傳感器4包括超聲波發(fā)射換能器和超聲波發(fā)射換能器兩部分、左、右兩側的超聲波傳感器4分別由超聲波發(fā)射換能器T1、超聲波接收換能器RX1和超聲波發(fā)射換能器T2、超聲波接收換能器RX2組成，它們分別與單片微處理裝置的接口相連接，按照單片微處理裝置發(fā)出的指令輸出和接收一定間隔的超聲波調制脈沖波。
本發(fā)明設計成左側、右側兩路測距系統(tǒng)，即有兩路測量通道，并采用分時工作方式，按左、右兩路輪番逐個測量。在工作中，左、右超聲波傳感器4分時輪番發(fā)射超聲脈沖，在左側發(fā)射超聲波脈沖并控制左側超聲波接收換能器接收來自作物叢左邊緣的反射回波信號時，右側的接收、發(fā)射裝置停止工作；相反，當右側超聲發(fā)射、接收裝置工作并測量右間距時，左側的接收、發(fā)射裝置停止工作。
單片微處理裝置中的單片機U6的P1.0口通過軟件方式使單片微控制器口線輸出超聲波調制脈沖波，該發(fā)射脈沖工作在超聲傳感器的共振頻率上。發(fā)射的超聲波既不是單獨一個脈沖，也不是一串連續(xù)不斷的脈沖序列，而是被調制成具有一定間隔的調制脈沖信號，當超聲發(fā)射調制脈沖開始發(fā)射時，其第一個脈沖的上升沿觸發(fā)單片微處理裝置中的單穩(wěn)態(tài)電路，同時設置軟件使單片機U6的T1端開始計數，當接收到超聲回波時，單穩(wěn)態(tài)電路被強制復位，單片機U6的INT1端出現低電平觸發(fā)的中斷請求信號，T1端停止計數并進入相應的中斷處理程序，T1端計數值乘以該時刻單片微處理裝置中頻率發(fā)生器產生的脈沖周期值就是超聲波往返于目標和超聲發(fā)射換能器之間的渡越時間Δt。超聲波發(fā)射換能器到作物植株叢邊緣的距離為S＝(V×Δt)/2。通過超聲測距系統(tǒng)輪番分時測得圖1中所示的左間距LW5、右間距RW6后，某時刻割幅大小為W(t)＝DW-(LW+RW)，常數DW可由鍵盤根據收割機的實際割臺寬度設定。由于測量速度快耗時少，可假定左間距LW5、右間距RW6在平行于收割機割臺一條直線上。測得數據采用去極值平均濾波算法原理如下連續(xù)采樣n次，將其累加求和，同時找出其中的最大值與最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按n-2個采樣值求平均，即得有效采樣值。對于割幅寬度，本實施例取n＝5，其參數變化緩慢，可一邊采樣，一邊處理，在RAM中開辟2個數據暫存區(qū)即可。程序流程圖如圖4、5所示。
從圖2、3可以看到，實現這種方法的裝置由驅動電路7、多路選擇器8、緩沖器9、前置放大器10、電子開關可編程放大器11、比較器及觸發(fā)控制單元12、溫度補償及頻率發(fā)生器13、微處理單元14組成。
驅動電路7由相同的左、右兩路超聲波驅動電路組成，其中左路由5個非門U1A、U1B、U1C、U1D、U1E及超聲波發(fā)射換能器T1組成。該電路的作用是，超聲波發(fā)射脈沖通過多路選擇器8后經由5個與非門組成的驅動電路進行放大，以增強信號的驅動能力。本實施例的集成電路U1A～U1E型號為CMOS電路CD4069，電源電壓取12V，其單端對地輸出的高電平約為9V，而加在超聲探頭兩端口間的脈沖峰--峰值為Vp-p＝18V，最終驅動超聲波發(fā)射換能器T1，使T1能夠正常工作發(fā)射超聲波。
多路選擇器8由集成電路U4組成，本實施例采用型號CD4052芯片。單片機U6的2腳P1.1、3腳P1.2口連接U4的地址端口A、B即芯片的10腳、9腳，根據CD4052芯片的真值表，即BA＝00時，U4的13引腳X與12引腳X0接通(X0＝X)，超聲脈沖信號驅動超聲波發(fā)射換能器T1工作，同時U4的1腳Y0與3腳Y接通(Y＝Y0)，超聲波接收換能器Rx1工作等待接收回波信號，測量系統(tǒng)左通道選同并工作；當BA＝01時，右通道選通并工作超聲波發(fā)射換能器T2發(fā)射超聲波，超聲波接收換能器Rx2工作等待接收回波信號，實現右側測距，至此測量系統(tǒng)右通道選同并工作(此時左通道停止工作)。這樣就可實現左、右超聲波傳感器分時輪番工作。
緩沖器9由3個與非門U2B、U2F、U2A組成，由于單片機U6的1腳P1.0口產生的信號不足以驅動超聲波發(fā)射換能器，該信號需經過緩沖器9驅動并整形，來提高單片機U6的P1.0的負載能力同時也將單片機U6與后續(xù)電路隔離。
前置放大器10由運放器U11A及外圍電阻R3、R4、R5、R6、電容C7、C9以及電子開關U16A組成一個同相放大器。同相放大器實現對第一級(第二級與第一級電路形式和放大倍數相同，圖3中只給出第一級前置放大電路)交流信號放大，其輸入阻抗高、輸出阻抗低，作為前置放大易于與超聲傳感器實現阻抗匹配，且驅動能力強，增益為60dB(兩級共120dB)，采用雙電源供電，電路結構簡單波形失真小。電子開關U16A主要用于屏蔽了直接耦合信號，防止由于在割臺同一側超聲發(fā)射換能器T1和接收換能器Rx1安裝距離較近，當T1發(fā)射超聲信號時聲波在未遇到割幅叢邊緣時就直接被Rx1接收到，造成測量誤差。本實施例運放器U11A采用LM324芯片，電子開關U16A采用CD4066電子開關。
電子開關及可編程放大器11由運放器U11B、電子開關U9、電阻R9～R17、電容C11組成，本實施例的電子開關U9采用CD4051芯片?？删幊谭糯笃鞯淖饔檬窃诎l(fā)射功率恒定的前提條件下，通過改變放大倍數，來補償由于源距離(超聲探頭與被測物體間的距離)的增加回波幅值減小的問題。補償的原則是，隨著距離的增加，可編程放大器的6級增益呈對數關系增加，即CD4051芯片的地址端11腳A、10腳B、9腳C接至單片機U6的5腳P1.4、6腳P1.5、7腳P1.6端口，隨著地址端A、B、C的電平不同，反饋電阻阻值大小在發(fā)生變化，放大器的增益隨之變化，其變化范圍為20dB～50dB。
比較器及觸發(fā)控制單元12由二極管D1、D2、D3、運放器U11C、與非門U12A、U12B、U12C、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A、U13B、與門U10A、電阻R9、R18～R22、電容C13、C16、C17組成。其中二極管D2、D3，R18、C13組成整流部分，運放器U11C和電阻R19～R21組成比較器，3個與非門U12A、U12B、U12C組成R-S觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A、U13B、與門U10A組成單穩(wěn)態(tài)電路。這部分電路的作用是，整流二極管D2、D3直接對經過多級交流放大的回波信號進行全波整流，比較器U11C把交流信號整形并輸出一個方波信號，作為產生中斷的觸發(fā)信號，標志著超聲波回波信號的到達時刻，輸出的方波信號接至R-S觸發(fā)器的兩個輸入端，R-S觸發(fā)器的輸出信號分別用來觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A和U13B，觸發(fā)后單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A由Q正向端輸出正脈沖，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13B由Q非端輸出負脈沖，脈寬約為0.05ms，該時間長短可根據中斷服務程序的長短通過改變R22、C17的大小確定。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的正相輸出端Q的脈寬為超聲波的渡越時間。
溫度補償及頻率發(fā)生器13由單片高頻信號發(fā)生器U9、負溫度系數的熱敏電阻Rt及其他外圍阻容元件組成，高頻信號發(fā)生器U9采用MAX038芯片。負溫度系數的熱中隨溫度變化時，通過計算可選擇合適的Rl、Rt及C6的參數值，使得U9的輸出頻率f＝5/[(Rl+Rt)×C6]和該時刻的超聲速度成正比，簡化了計算過程，也較為精確的對由于聲速隨溫度變化而引起的測量誤差進行了補償。
微處理單元14由單片機U6、顯示與鍵盤、串行數據通信U8組成，在本實施例中單片機采用AT89C52芯片，串行數據通信采用MAX232E芯片。
本發(fā)明的工作過程如下通過軟件方式使單片機U6的P1.0端口輸出超聲波調制脈沖波，該信號經過緩沖器9整形、驅動電路7放大去推動超聲波發(fā)射換能器T1(或T2)發(fā)射超聲波信號，軟件用單片機U6的P1.1、P1.2端口輸出信號控制多路選擇器8的雙四路模擬開關CD4052地址端口，實現左、右超聲波換能器分時輪番發(fā)射超聲脈沖，在左側發(fā)射超聲波脈沖并控制左側超聲波接收換能器接收來自作物叢左邊緣的反射回波信號時，右側的接收、發(fā)射裝置停止工作；相反，當右側超聲發(fā)射、接收裝置工作并測量右間距時，左側停止工作。本發(fā)明設計成左側、右側兩路測距系統(tǒng)，即有兩路測量通道，并采用分時工作方式，按左、右兩路輪番逐個測量。同時，考慮到對同一側的超聲波發(fā)射及接收換能器而言，由于它們的安裝距離較近，為了防止換能器之間信號的直接耦合，采用電子開關CD4066進行屏蔽。如在T1發(fā)射超聲波信號時，單片機U6的4腳P1.3端口輸出低電平，電子開關CD4066斷開，屏蔽了發(fā)射聲波未遇到障礙物就直接被接收換能器接收到的直接耦合信號所帶來的測量誤差。當T1發(fā)送的超聲波信號被前方的障礙物(谷物叢左邊緣)遮擋后產生回波，該回波信號被超聲波接收換能器Rx1接收到后，將該信號送入前置放大器10(運放器LM324，該級增益40dB)、第二級交流放大器(其電路形式、增益可與第一級相同)，第三級可編程放大器(增益大于20dB)，被放大的信號經二極管D2、D3全波整流后送入由運放器U11C構成的比較器。
信號經整流可在比較器(運放器U11C)的反相端建立起一正電壓V-，該電壓持續(xù)時間長短由時間常數τ＝R18×C13決定。單片機U6在8腳P1.7端口上產生發(fā)射脈沖的包絡線，它和調制好的發(fā)射脈沖同步，當發(fā)射脈沖發(fā)射6個脈沖時，P1.7輸出一直保持高電平，此時二極管D1導通，比較器U11C的同相端電壓V+接近Vcc，比較器不翻轉，從而輸出高電平；當6個發(fā)射脈沖結束后P1.0口進入低電平時，P1.7口輸出低電平，二極管D1截止，即發(fā)射脈沖結束后比較器(運放器U11C)的同相端電壓為V+＝[R20/(R20+R19)]×Vcc，故當有超聲回波時，運放器U11C的反相輸入端電壓V-可大于同相端電壓V+，比較器翻轉并輸出低電平；沒有回波時，輸出保持高電平不變，比較器把交流信號整形并輸出一個方波信號，作為產生中斷的觸發(fā)信號，標志著超聲波回波信號的到達時刻。
單片機U6的P1.7口輸出的方波信號與比較器的輸出接至由3個與非門U12A、U12B、U12C組成的R-S觸發(fā)器的兩個輸入端，R-S觸發(fā)器的輸出信號分別用來觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A、U13B，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A為上升沿觸發(fā)，U13B采用下降沿觸發(fā)。在該部分電路中，兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作狀態(tài)相同，U13A需要P1.7上升沿觸發(fā)，由正向端輸出正脈沖，脈沖寬度可設定大于20ms，即在還沒有到設定時間時被R-S觸發(fā)器的輸出(圖3中的U12B的輸出C點)強制復位，此時在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的正相輸出端Q的脈寬為超聲波的渡越時間。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13B在R-S觸發(fā)器的輸出的下降沿觸發(fā)，由Q非端輸出負脈沖，脈寬約為0.05ms，該時間長短可根據中斷服務程序的長短通過改變R21、C17值的大小確定，這樣既確保了比較器輸出能正確給出中斷請求信號，而且在中斷返回之前可準確撤銷低電平的中斷觸發(fā)信號，以便微處理器響應其它中斷請求。
在超聲波發(fā)送的同時單片機U6開始計數(外部計數脈沖)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A輸出信號D和與門U10(芯片MAX038)的輸出信號E相與產生脈沖T1，脈沖T1直接傳送給單片機U6的15腳T1端口，單片機的計數器T1工作于外部計數方式，門控位GATE＝1，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13B的Q非輸出作為外部中斷觸發(fā)信號INT1，當超聲發(fā)射調制脈沖開始發(fā)射時，其第一個脈沖的上升沿觸發(fā)單穩(wěn)電路，同時設置軟件使T1開始計數，當接收到超聲回波時，單穩(wěn)電路被強制復位，INT1端出現低電平觸發(fā)的中斷請求信號，T1停止計數并進入相應的中斷處理程序，T1計數值乘以該時刻芯片MAX038產生的E處脈沖的周期就是超聲波往返于目標和超聲發(fā)射換能器之間的渡越時間Δt。超聲波發(fā)射傳感器到作物植株叢邊緣的距離為S＝(V×Δt)/2。
在電路中采用單片高頻信號發(fā)生器U9(芯片MAX038)和負溫度系數的熱敏電阻Rt即可實現溫度補償與外部計數脈沖的產生。負溫度系數的熱敏電阻Rt隨溫度變化時，通過計算可選擇合適的R1、Rt及C6的參數值，使得單片高頻信號發(fā)生器U9的輸出頻率F＝5/[(R1+Rt)×C6]和該時刻的超聲速度成正比，則所測距離為S＝Δtv/2＝0.05n(厘米)，n為單片機U6的芯片AT89C52的計數器T1所計的數值(聲波空間傳播過程中MAX038所輸出的脈沖個數)。由此可見，在計算的過程中，聲速值和U9的出方波的頻率值相互約掉，距離值只和計數器所計數值n有關?？紤]到溫度的變化較為緩慢，在很短時間內(小于25ms)內，超聲波的速度可認為不變，而負溫度系數的熱敏電阻Rt的值也認為恒定不變，此時U9的輸出頻率仍和聲速保持一致，可以相互約掉，從而簡化了計算。鑒于聯(lián)合收割機的工作環(huán)境，溫度的補償范圍20℃～50℃，在此溫度范圍內需要負溫系數的熱電阻呈線性變化。
通過超聲測距系統(tǒng)輪番分時測得圖1中所示左間距LW5、右間距RW6后，某時刻割幅大小為W(t)＝DW-(LW+RW)，常數DW可由鍵盤根據收割機的實際割臺寬度設定，鍵盤可通過單片機的P2口和單片機U6相連。由于測量速度快耗時少，可假定左間距LW5、右間距RW6在平行于收割機割臺一條直線上。測得數據采用去極值平均濾波算法進行處理，將所測數據經單片機U6(芯片AT89C52)的P0口送去顯示，并將有效數據通過串行數據通信RS232串口U8(MAX232E芯片)送給上位計算機。
本發(fā)明解決了測產型聯(lián)合收割機在測量作物割幅寬度時所需傳感器及數據采集、處理、存儲、上傳問題，實現了自動非接觸測量、自動記錄要求，它測量范圍較大、穩(wěn)定性好，不受惡劣環(huán)境的影響，而且安裝簡易、投資小、可廣泛推廣，具有良好的發(fā)展前景。
權利要求
1.自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法，其特征在于將兩個超聲波傳感器分別安裝在聯(lián)合收割機分禾器的左右兩端口上，超聲波傳感器的信號輸出端和接收端與單片微處理裝置相連接，由單片微處理裝置控制超聲波傳感器測量分禾器與作物叢邊緣的距離，并計算谷物割幅寬度，步驟如下a.通過軟件方式使單片微控制器口線輸出一定間隔的超聲波調制脈沖波；b.左、右超聲波傳感器分時輪番發(fā)射超聲脈沖，在左側發(fā)射超聲波脈沖并控制左側超聲波傳感器接收來自作物叢左邊緣的反射回波信號時，右側的接收、發(fā)射裝置停止工作，同樣，在右側發(fā)射超聲波脈沖并控制右側超聲波傳感器接收來自作物叢左邊緣的反射回波信號時，左側的接收、發(fā)射裝置停止工作；c.左、右超聲波傳感器將接收到的反射波變換成電信號輸送到單片微處理裝置；d.在超聲波發(fā)送的同時單片機開始計數，根據接收到超聲回波和計數值計算出超聲波傳感器到作物植株叢邊緣的距離為S＝(V×Δt)/2；e.通過超聲波傳感器輪番分時測得左右左間LW、RW，計算某時刻割幅大小為W(t)＝DW-(LW+RW)，常數DW可由鍵盤根據收割機的實際割臺寬度設定；f.測得數據采用去極值平均濾波算法取得有效采樣值，步驟如下連續(xù)采樣n次，將其累加求和，同時找出其中的最大值與最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按n-2個采樣值求平均，即得有效采樣值。
2.根據權利要求1所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法，其特征在于計算某時刻割幅大小W(t)＝DW-(LW+RW)時，由于測量速度快耗時少，可假定這一時刻的相鄰的左間距5LW、右間距6RW在平行于收割機割臺一條直線上。
3.根據權利要求2所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法，其特征在于將處理好的數據可以送顯，同時可通過RS232串口發(fā)送給上位機。
4.一種自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它由兩個超聲波傳感器 和單片微處理裝置組成，兩個超聲波傳感器 分別安裝在谷物聯(lián)合收割機割臺 分禾器的左右兩端口上，超聲波傳感器 的信號輸出端和接收端與單片微處理裝置相連接；所述超聲波傳感器 由超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器兩部分組成；所述單片微處理裝置由驅動電路 多路選擇器 緩沖器 前置放大器 電子開關可編程放大器 比較器及觸發(fā)控制單元 溫度補償及頻率發(fā)生器 微處理單元 組成，超聲波發(fā)射換能器與驅動電路 的信號輸出端相連接，超聲波接收換能器和驅動電路 的信號輸入端分別接多路選擇器 多路選擇器 的還分別接緩沖器 前置放大器 和微處理單元 前置放大器 電子開關可編程放大器 比較器及觸發(fā)控制單元 溫度補償及頻率發(fā)生器 依次連接，電子開關可編程放大器 的地址端和比較器及觸發(fā)控制單元 還與微處理單元 相連接。
5.根據權利要求4所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的驅動電路 由相同的左、右兩路超聲波驅動電路組成，其中左路由5個非門U1A、U1B、U1C、U1D、U1E及超聲波發(fā)射換能器T1組成，U1A與U1B并聯(lián)后一端與U1E串聯(lián)，另一端接超聲波發(fā)射換能器T1的一端，U1C與U1D并聯(lián)后一端接多路選擇器 另一端接超聲波發(fā)射換能器T1的另一端，U1E的另一端接多路選擇器
6.根據權利要求5所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的多路選擇器 由集成電路U4組成，U4的A、B地址端口接微處理單元 的單片機U6的P1.1、P1.2口，U4的X端口接緩沖器 U4的Y端口接前置放大器 的輸入端，U4的Y0、Y1端口接超聲波接收換能器Rx1、Rx2的信號輸出端。
7.根據權利要求6所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的緩沖器 由3個非們U2B、U2F、U2A組成，U2B與U2F并聯(lián)后一端接上述多路選擇器 另一端與U2A串聯(lián)后接微處理單元 的單片機U6的P1.0口。
8.根據權利要求7所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的前置放大器 由運放器U11A、電阻R3、R4、R5、R6、R7、電容C7、C9、以及電子開關U16A組成，電子開關U16A的輸入、輸出端分別接多路選擇器U4的Y端口和運放器U11A的同相端，開關控制端接單片機U6的P1.3口，運放器的輸出端接電子開關可編程放大器 電阻R3、R4、R5、R6、電容C7、C9是運放器U11A的外圍電阻和電容。
9.根據權利要求8所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的電子開關及可編程放大器 由運放器U11B、電子開關U9、電阻R9～R17、電容C11組成，運放器U11B的反相端接前置放大器 的輸出端，同相端通過電阻R10、電容C11接地，電子開關U9的X端接運放器U11B的同相端，電子開關U9的X0～X5端口分別接電阻R11～R16后與運放器U11B的輸出端連接，電子開關U9的地址端A、B、C接至單片機U6的P1.4、P1.5、P1.6口。
10.根據權利要求9所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的比較器及觸發(fā)控制單元 由二極管D1、D2、D3、運放器U11C、與非門U12A、U12B、U12C、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A、U13B、與門U10A、電阻R9、R18～R22、電容C13、C16、C17組成，運放器U11C和電阻R19～R21組成比較器，其反相端接由二極管D2、D3組成的整流電路，輸出端接的與非門U12A、U12B、U12C組成的R-S觸發(fā)器的輸入端，R-S觸發(fā)器的輸出端分別接單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的CLR端口和U13B的B端口，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的Q輸出端接與門U10A，再由U10A的輸出端接至單片機U6的外部計數脈沖輸入端T1口，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13B的Q非端接至單片機U6的外部中斷INT1口，單片機U6的P1.7端口分別接運放器U11C的同相端、與非門U12A的兩個輸入端、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U13A的A輸入端口。
11.根據權利要求10所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的溫度補償及頻率發(fā)生器 由單片高頻信號發(fā)生器U9、負溫度系數的熱敏電阻Rt、電阻R1、R2、電容C3、C4、C5、C6組成，熱敏電阻Rt、電阻R1、R2、電容C3、C4、C5、C6構成單片高頻信號發(fā)生器U9的外圍電路，其中熱敏電阻Rt接單片高頻信號發(fā)生器U9的IN端口，單片高頻信號發(fā)生器U9的OUT端口接上述比較器及觸發(fā)控制單元 的與門U10A的兩個輸入端。
12.根據權利要求11所述的自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的裝置，其特征在于它的微處理單元 由單片機U6、串行數據通信U8、顯示與鍵盤組成，單片機U6分別與上述多路選擇器 緩沖器 前置放大器 電子開關可編程放大器 比較器及觸發(fā)控制單元 連接，串行數據通信U8的R2OUT端口、T2IN端口分別與單片機U6的RXD、TXD端口相連接，顯示與鍵盤分別與單片機U6的P0口、P2口相連接。
全文摘要
一種自動在線測量谷物實時實際割幅寬度的方法及實現這種方法的裝置，屬于農業(yè)機械化收獲技術領域，所要解決的技術問題是提供一種能滿足谷物聯(lián)合收割機在收獲作業(yè)過程中實現谷物割幅自動測量、自動記錄、存儲的方法和實現上述方法的裝置，其技術解決方案是將兩個超聲波傳感器分別安裝在聯(lián)合收割機分禾器的左右兩端口上，超聲波傳感器的信號輸出端和接收端與單片微處理裝置相連接，由單片微處理裝置控制超聲波傳感器測量分禾器與作物叢邊緣的距離，并計算谷物割幅寬度，其單片微處理裝置由驅動電路、多路選擇器、緩沖器、前置放大器、電子開關可編程放大器、比較器及觸發(fā)控制單元、溫度補償及頻率發(fā)生器、微處理單元組成。
文檔編號G01B21/02GK1664497SQ20051001237
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月8日 優(yōu)先權日2005年3月8日
發(fā)明者錢東平, 屈平, 鄺樸生, 陳冠華, 黃科玫, 張嘏偉, 程浩 申請人:河北農業(yè)大學