專利名稱：一種變量施肥控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及自動控制裝置領域，特別涉及一種將手動和自動 設計成一體化的變量施肥控制器，能自動接收或通過手動輸入施肥 量，利用單片機內(nèi)閉環(huán)控制算法精確地實現(xiàn)控制信號的輸出。
背景技術：
精準農(nóng)業(yè)是近年來國際上農(nóng)業(yè)科學研究的熱點領域之一。精確農(nóng) 業(yè)的含義就是按照田間每一操作單元的具體條件，精細準確地調(diào)整各 項土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化各項農(nóng)業(yè)投入，以獲取最高 產(chǎn)量和最大經(jīng)濟效益，同時保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護土地等農(nóng)業(yè)自然 資源。精準農(nóng)業(yè)是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施與新近發(fā)展的高新技術的有機結 合。目前精準農(nóng)業(yè)主要從兩個方面進行， 一是基于地理信息裝置(GIS)、全球衛(wèi)星定位裝置(GPS)、遙感技術(RS)和計算機自 動控制裝置的精準農(nóng)業(yè)，也就是所謂的基于"3S"的精準農(nóng)業(yè)；二是 基于傳感器技術的精準農(nóng)業(yè)。目前，基于管理對象的不同，釆用的技 術基礎各異。但無論其基于的技術如何，最終實現(xiàn)的是對農(nóng)業(yè)措施的 變量控制。精準農(nóng)業(yè)的本質(zhì)就是根據(jù)收集到的土壤作物空間變異信息，在生 產(chǎn)中針對地塊的具體情況確定出相應的農(nóng)業(yè)措施。由于地塊的空間變 異性，因此一些耕作措施也必須能在操作的過程中做出相應的變化。 需要變化的耕作措施內(nèi)容是很多，主要包括灌溉、農(nóng)藥的施用、除草 劑、播種、施肥等等，其中變量施肥是一項重要的措施。精準農(nóng)業(yè)的 實施可以說是一項復雜的工程，前期大量工作結果將集中要一張操作 指揮裝置圖上，圖上提出地塊中不同地點相應農(nóng)藝措施的要求，而實 施措施的變化就需要有能記載這張操作指揮裝置圖的計算機、需要有相應的設備能知道當前機具所在地塊上的位置、又能從操作指揮裝置 圖上讀取得當前對農(nóng)事措施的要求，然后按照要求命令機具去執(zhí)行。 變量施肥是精準農(nóng)業(yè)技術的重要內(nèi)容，其基本原理就是根據(jù)土壤 的養(yǎng)分含量特點，在土壤養(yǎng)分高的地方減少施肥量，而在土壤養(yǎng)分低 的地方增加肥料投入量，力求在保證一定產(chǎn)量目標的情況下，提高化肥利用效率。變量施肥機械在GPS的導航下，能夠準確實時地獲得 其所在作業(yè)位置的地理坐標，在控制裝置的控制下，根據(jù)事先生成的 施肥處方圖進行施肥，自動地在土壤養(yǎng)分低的地方多施肥，在土壤養(yǎng) 分高的地方減少施肥，在不需施肥的地方停止施肥。這樣的施肥裝置 大大提高了化肥的利用效率。目前國內(nèi)外已有適于精準播種和施肥的機具，實現(xiàn)變量施肥使 用的設備是根據(jù)現(xiàn)有設備組裝起來的。地塊圖的繪制、土樣的采取和 測定、根據(jù)土樣測試結果確定施肥量的變化、最后形成的操作指揮裝 置圖輸入到計算機。計算機可以導入已做好的地塊圖，可以接收GP S提供的信號， 也可以配合導航設備，引導拖拉機按地塊圖上設定的行駛路線運行， 還能夠根據(jù)GPS提供的當前位置讀取操作指揮裝置圖上當前應釆用 的農(nóng)事措施信息，如施用多少肥料的信息等。計算機可讀出當前位置應該施用多少肥料的信息。而閥門驅(qū)動電 子模塊提供控制液壓馬達變化以控制肥料施用量。該裝置的工作原理是控制臺根據(jù)GPS信號和施肥量信號控制 閥門驅(qū)動電子模塊，模塊將信號傳到液壓控制閥改變液壓的壓力大 小，液壓的大小變化改變液壓馬達的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的改變通過鏈軌改變 轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速變動施肥量也就得到控制。目前的變量施肥控制器往往是一些單獨的控制模塊，或者通過串 口與其他模塊進行通訊，其擴展性較差，不能形成一個完善的裝置。在我國變量施肥控制器尚處于起步階段，目前主要依靠引進國外的技術，進行消化吸收，而且引進的設備價格昂貴，結構復雜且操作 困難。實用新型內(nèi)容(一) 要解決的技術問題本實用新型的目的設計一種具單片機控制器的變量施肥控制裝 置，使得該裝置具有處理速度快、可與多種外圍設備聯(lián)接、資源豐富、 性能穩(wěn)定和易于實現(xiàn)許多種控制算法，且結構簡單、操作方便。(二) 技術方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實用新型的技術方案是釆用 一種變量施 肥控制裝置，包括單片機，用于接收外部存儲信息、輸入信息、反饋 信息、通訊信息，經(jīng)單片機內(nèi)部運算處理后輸出控制信息、顯示信息、存儲信息、通訊信息，所述控制信息是對排肥機械排肥量的控制； 所述存儲信息是將存儲器與單片機連接，用于將預先存儲的信息輸入到單片機，或?qū)纹瑱C的輸出信息予以保存；所述輸入信息是將鍵盤與單片機連接，用于輸入作業(yè)參數(shù)；所述通訊信息是單片機通過串行接口或擴展總線接口與其他外 圍設備的連接，用于單片機接收排肥量信息；所述顯示信息是將液晶顯示器與單片機連接，用于裝置工作狀態(tài) 或輸入作業(yè)參數(shù)的顯示；所述單片機經(jīng)轉(zhuǎn)換器還與電液比例閥連接，所述電液比例閥的輸 入端與轉(zhuǎn)換器連接、輸出端與液壓馬達連接；所述液壓馬達的輸出端 與排肥機械的排肥軸連接，在排肥軸的一端裝有光電碼盤，將所述光 電碼盤的電信號反饋到單片機；在所述單片機上還連接有調(diào)節(jié)旋鈕電 路；所述電液比例閥和調(diào)節(jié)旋鈕電路由單片機控制，用于調(diào)節(jié)所述排 肥機械排肥軸的排肥量。本實用新型在所述調(diào)節(jié)旋鈕電路中設有檔位調(diào)節(jié)旋鈕和邏輯解 碼芯片，檔位調(diào)節(jié)旋鈕位于零檔位時單片機由接收信息和存儲信息控制排排肥機械排肥軸的排肥量，檔位調(diào)節(jié)旋鈕位于其他檔位時，單片 機按不同檔位控制排肥機械排肥軸的排肥量。本實用新型所述檔位調(diào)節(jié)旋鈕設有12個檔位。 本實用新型所述轉(zhuǎn)換電路由轉(zhuǎn)換器、與門電路和電壓放大電路構 成，用于將單片機的輸出控制信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和電壓放大。本實用新型所述轉(zhuǎn)換器是4通道8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 本實用新型在所述單片機與所述顯示器、擴展總線接口、串行接口之間連接有電平轉(zhuǎn)換器，所述電平轉(zhuǎn)換器用于電壓轉(zhuǎn)換。本實用新型在所述電平轉(zhuǎn)換器與擴展總線接口之間還連接有收發(fā)器和高速光耦合芯片，用于完成單片機與總線之間的信息通訊和防止干擾。本實用新型在所述單片機與所述鍵盤之間連接有鍵盤芯片，在檔 位調(diào)節(jié)旋鈕位于不同檔位時可通過鍵盤對排肥量進行微調(diào)。制，依據(jù)總線端口輸入的施肥量處方A"作業(yè)機械瞬時行走速度Vt、 存儲在存儲器中的作業(yè)機械有效排肥軸幅寬Wt,其計算公式為Fw=Ar x Vt x Wt。本實用新型所述裝置的各電路板均安裝在機殼內(nèi)，在所述機殼上 設有面板，在所述面板上設有電源接口、測速碼盤接口、電液比例閬 接口、 CAN總線接口、 DB9接頭CAN總線接口、串行接口、液晶背光 開關、電源開關。(三)有益效果本實用新型可以通過CAN總線與外部控制設備進行連接，自動接收施肥量信息實現(xiàn)自動變量施肥；也可以在沒有外部控制設備參與的情況下通過旋鈕手動調(diào)整施肥量實現(xiàn)手動變量施肥。這種手動與自動 一體化的變量施肥裝置具有較高的實用價值，且結構簡單、操作方便, 便于推廣應用。
圖1是本實用新型電路原理框圖；圖2是本實用新型控制信號產(chǎn)生電路原理圖；圖3是本實用新型旋鈕接口電路原理圖；圖4是本實用新型CAN總線接口電路原理圖。圖5是本實用新型面板連線原理圖。
具體實施方式
以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。如圖1所示，為本實用新型所提供的電路原理框圖。釆用TI公 司生產(chǎn)的TMS320LF2407A作為單片機。單片機通過SPI接口與D/A 轉(zhuǎn)換器連接產(chǎn)生控制電液比例閥所需的控制電壓，排肥軸上的光電碼 盤釆集轉(zhuǎn)速信息通過QEP接口發(fā)送給單片機作為閉環(huán)控制的反饋信 息。裝置通過外接收發(fā)芯片82C250擴展CAN總線通訊接口 ，通過 電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232擴展串口通訊接口。裝置中還擴展了 128*64 像素的液晶顯示器，并通過鍵盤接口芯片ZLG7289擴展了鍵盤接口， 旋鈕的接口則與單片機的1/0 口相連。外擴的64K字節(jié)FLASH用于 存儲作業(yè)參數(shù)，64K的RAM在裝置仿真時使用。由于單片機的核心 電平是3.3伏，而CAN總線、串口和顯示器的電平為5伏，因此外 接電平轉(zhuǎn)換器74LVC16245作為電平轉(zhuǎn)換接口 。如圖2所示為控制信號產(chǎn)生電路原理圖。通過單片機內(nèi)置的SPI 控制器，外加TI公司TLC5620SPI接口4通道8位D/A轉(zhuǎn)換器，可以方 便地實現(xiàn)電信號的輸出，用于控制電液比例閥。由于TLC5620的控制 信號要求的電平較高，所以需要將單片機輸出的SPICLK、 SPISIMO 以及IO 口模擬的CE一DA信號的高電平抬高，圖中釆用了 74HC08與門 電路。此外為了提高輸出電壓的范圍，利用運放LM358對輸出電壓進 行2倍放大，使其達到控制電液比例閩的要求。如圖3所示為旋鈕接口電路原理圖。旋鈕的狀態(tài)通過邏輯解碼芯 片74LS147和單片機的I/0 口進行判斷。當旋鈕處于0檔即"自動模 式"時，控制器接收來自CAN總線或串口的施肥量信息。當處于其 它檔位時，可手動確定施肥量；不同的檔位對應不同的施肥量，并可 通過按鍵進行微調(diào)。等待用戶按"確定"鍵后，便啟動排肥軸進行施 肥。施肥過程中的相關信息通過液晶顯示器進行顯示。如圖4所示為CAN總線接口電路原理圖。TMS320LF2407A內(nèi) 部含有CAN控制器，加一片CAN收發(fā)器82C250便可以完成CAN 總線通信。由于CAN總線接口采用5V的邏輯電平與單片機控制器 3.3V的電平不兼容，因此電路中釆用了 16位的電平轉(zhuǎn)換器件 74ALVC16245作為電平轉(zhuǎn)換。為了提高CAN總線工作的可靠性，防 止干擾，電路中釆用了高速光耦芯片6N137來實現(xiàn)總線上各CAN節(jié) 點間的電氣隔離。具體實施時，可通過CAN總線或串口向變量施肥控制器發(fā)送施肥 量信息，也可以通過旋鈕和按鍵手動輸入施肥量；確定好施肥量后， 控制器會讀取FLASH中存儲的幅寬信息和來自CAN總線上的車速信 息，并通過公式確定當前要輸出的控制電壓大小。待用戶按"確定" 鍵后，裝置啟動施肥，排肥開始轉(zhuǎn)動。排肥軸的轉(zhuǎn)速信息通過光電碼 盤反饋給控制器，控制器利用PID算法實時調(diào)整控制電壓的輸出，達 到精確施肥的目的。如圖5所示為面板連線原理圖。本實用新型變量施肥控制裝置的工作原理是假設裝置在某一施肥單元的施肥處方量為A"此時作業(yè)機械的 瞬時行走速度的為Vp施肥機械的有效幅寬為Wt，肥料的瞬間流量 為Fw,則有Fw=ArxVtxWt。由公式可以看出，在能實時測定作業(yè)機械行走速度的前提下，欲 使裝置按照處方量施肥，核心任務是控制肥料的流量。排肥驅(qū)動機構的轉(zhuǎn)速是肥料流量的決定因素。本控制器選擇電液比例閥作為控制液 壓馬達排肥機構的驅(qū)動元件，因此只需要輸出控制電液比例閩開度的 電壓信號就可以實現(xiàn)改變液壓馬達轉(zhuǎn)速的目的，從而控制排肥軸轉(zhuǎn) 速。本實用新型與傳統(tǒng)的微控制器相比，單片機具有處理速度快、外 設資源豐富、性能穩(wěn)定和易于實現(xiàn)許多先進的控制算法等優(yōu)點，適用于控制領域。利用單片機內(nèi)置的CAN控制器，外加一片CAN收發(fā) 器82C250,實現(xiàn)與上位機的CAN總線通訊。利用單片機的SPI接口 控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)運放放大后加載到電液比例閩上， 然后通過液壓馬達控制排肥機構的轉(zhuǎn)速，達到控制肥料流量的目的； 通過安裝在排肥軸上的光電碼盤釆集排肥驅(qū)動機構的轉(zhuǎn)速作為反饋 信號，利用PID控制算法進行閉環(huán)控制。外接LCD和鍵盤，實現(xiàn)裝 置狀態(tài)的顯示和控制參數(shù)的輸入。外接一個12檔位的旋鈕用于手動、 自動施肥模式的切換和施肥量設定?？刂破髦袛U展有FLASH存儲器 用于作業(yè)參數(shù)的存儲。當進行自動變量施肥時，將旋鈕置于"自動模式"檔位，施肥量 信息通過CAN總線發(fā)送給變量施肥控制器；當進行手動施肥時，將旋 鈕置于合適的檔位，LCD上將顯示施肥量大小，可以通過按鍵對施肥 量大小進行微調(diào)；拖拉機的速度信息通過CAN總線發(fā)送給變量施肥控 制器，幅寬信息則事先保存在FLASH中。這樣，給定了施肥量Ar、幅 寬Wt和車速信息Vp變量施肥控制器便可以根據(jù)公式計算出當前肥料 的瞬間流量Fw,并轉(zhuǎn)換為所需的控制電壓，根據(jù)反饋得到的轉(zhuǎn)速信息 進行PID閉環(huán)控制。當施肥量發(fā)生變化時，控制器可以實時調(diào)整控制 電壓的輸出。
權利要求1、一種變量施肥控制裝置，包括單片機，用于接收外部存儲信息、輸入信息、反饋信息、通訊信息，經(jīng)單片機內(nèi)部運算處理后輸出控制信息、顯示信息、存儲信息、通訊信息，所述控制信息是對排肥機械排肥量的控制；所述存儲信息是將存儲器與單片機連接，用于將預先存儲的信息輸入到單片機，或?qū)纹瑱C的輸出信息予以保存；所述輸入信息是將鍵盤與單片機連接，用于輸入作業(yè)參數(shù)；所述通訊信息是單片機通過串行接口或擴展總線接口與其他外圍設備的連接，用于單片機接收排肥量信息；所述顯示信息是將液晶顯示器與單片機連接，用于裝置工作狀態(tài)或輸入作業(yè)參數(shù)的顯示；其特征在于所述單片機經(jīng)轉(zhuǎn)換器還與電液比例閥連接，所述電液比例閥的輸入端與轉(zhuǎn)換器連接、輸出端與液壓馬達連接；所述液壓馬達的輸出端與排肥機械的排肥軸連接，在排肥軸的一端裝有光電碼盤，將所述光電碼盤的電信號反饋到單片機；在所述單片機上還連接有調(diào)節(jié)旋鈕電路；所述電液比例閥和調(diào)節(jié)旋鈕電路由單片機控制，用于調(diào)節(jié)所述排肥機械排肥軸的排肥量。
2、 如權利要求l所述的變量施肥控制裝置，其特征在于在所 述調(diào)節(jié)旋鈕電路中設有檔位調(diào)節(jié)旋鈕和邏輯解碼芯片，檔位調(diào)節(jié)旋鈕 位于零檔位時單片機由接收信息和存儲信息控制排肥機械排肥軸的 排肥量；檔位調(diào)節(jié)旋鈕位于其他檔位時，單片機按不同檔位控制排肥 機械排肥軸的排肥量。
3、 如權利要求2所述的變量施肥控制裝置，其特征在于所述 檔位調(diào)節(jié)旋鈕設有12個檔位。
4、 如權利要求3所述的變量施肥控制裝置，其特征在于所述 轉(zhuǎn)換電路由轉(zhuǎn)換器、與門電路和電壓放大電路構成，用于將單片機的表的輸入功能，無須在每款產(chǎn)品上重復設計輸入電路。本實用新型的優(yōu)點是替代了原先需要重復設計的電路，在滿足產(chǎn)品功能要求 的前提下，提高了效率，降低了成本。 附圖說明圖1為實施例1 一種輸入功能模塊示意圖； 圖2為實施例2 —種輸入功能模塊示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。 實施例1如圖l所示，為一種輸入功能模塊結構示意圖，所述的一種輸入功能模塊由 印板28和12個接點接點l、 6、 7、 8、 10、 11、 12、 13、 14、 16、 17、 19組 成，在印板28的右側(cè)至少設有1個接點1,接點1在一條直線20上，在印板28 的左側(cè)至少設有7個接點6、 7、 8、 10、 11、 12和13，接點在同一條直線22上， 其中接點8與接點10之間距離為4. 0mm,其余相鄰兩接點間的距離為2. 0mm，直 線20與直線22互相平行，平行直線間的距離24為30. 63咖，接點1與接點6 在同一直線23上，直線23分別與直線20和直線22垂直在印板28的下側(cè)至 少設有4個接點14、 16、 17和19， 4個接點在同一條直線21上，直線21分別 與直線20、直線22相互垂直，直線21上的接點19與直線20間的距離25為 8. 63mm，直線21上的接點14與直線22間的距離26為12.0mra,，直線21與直 線23平行，平行直線21與直線23間的距離27為15.39mm，所有的接點均在印 板28 —個平面上。所述的接點1為輸入信號用接地端，接點6為RESET端，接點7為信號輸出 端，接點8為信號輸入端，接點10為片選端，接點11為CLK端，接點12為輸 入功能用電源正端，接點13為接地，接點14為輸入功能用電源端，接點16為 信號用B端，接點17為信號用A端，接點19為輸入用電源正端，所述的接點l 一接點19為插針或插頭。.工作時，功能模塊通過在接點上安裝插針或插頭，通過導線與其他元器件連 接，將模塊與儀表相連，實現(xiàn)儀表的功能。
專利摘要本實用新型涉及自動控制裝置領域。本實用新型采用一種變量施肥控制裝置，包括單片機，用于接收外部存儲信息、輸入信息、反饋信息、通訊信息，經(jīng)單片機內(nèi)部運算處理后輸出控制信息、顯示信息，控制信息是對排肥機械排肥量的控制。單片機經(jīng)轉(zhuǎn)換器還與電液比例閥連接，電液比例閥的輸入端與轉(zhuǎn)換器連接、輸出端與液壓馬達連接；液壓馬達的輸出端與排肥機械的排肥軸連接，在排肥軸的一端裝有光電碼盤，將光電碼盤的電信號反饋到單片機；在單片機上還連接有調(diào)節(jié)旋鈕電路；電液比例閥和調(diào)節(jié)旋鈕電路由單片機控制，用于調(diào)節(jié)所述排肥機械排肥軸的排肥量。這種手動與自動一體化的變量施肥裝置具有較高的實用價值，且結構簡單、操作方便。
文檔編號G05B19/042GK201083996SQ200720173440
公開日2008年7月9日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權日2007年9月28日
發(fā)明者付衛(wèi)強, 孟志軍, 秀 王, 趙春江, 陳立平, 黃文倩 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心