對聯(lián)合收割機智能測產(chǎn)系統(tǒng)工作原理的探討

劉迎軍

摘要：精確農(nóng)業(yè)是指利用遙感技術、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)GPS等信息技術，在定位采集地塊信息的基礎上，根據(jù)地塊土壤肥力、作物病蟲害、雜草、產(chǎn)量等在時間與空間上的差異，按農(nóng)藝要求進行精確定位、變量朝種、變量施肥、變量灌水、變量用藥的農(nóng)業(yè)技術，從而達到提高效益、避免資源浪費、減少環(huán)境污染的目的。目前，經(jīng)濟發(fā)達國家已開始推廣精準農(nóng)業(yè)耕作，廣大發(fā)展中國家也廣泛開展應用研究和實驗示范。

關鍵詞：GPS測產(chǎn)儀原理分析

1GPS測產(chǎn)原理

1.1硬件產(chǎn)量傳感器安置在聯(lián)合收割機谷倉頂部，接收來自于刮板的谷物沖量，如圖1所示。經(jīng)過其內(nèi)置的全橋平衡電路，采用應變感應方式，完成谷物沖量到電流信號的變換(這樣可實現(xiàn)溫度變化的自動補償和提高傳感器的響應特性)。為整個系統(tǒng)供電方便，全部傳感器電源均為直流24V。24V直流電源由車載電源經(jīng)升壓穩(wěn)壓器得到。這里產(chǎn)量傳感器的電源為直流24V，信號輸出為0～10mA，該原始信號經(jīng)精密電阻可得到0～5V的TTL電壓(精密電阻阻值，由實際收割對象的不同——力學性質(zhì)不同而選擇，以便得到最大的讀入精度)。該FFL電壓信號，由Philips 80C552單片機A／D口讀入，經(jīng)該控制單元進行處理、顯示、保存(保存在主控制單元上的Com-pact Flash卡中，即CF卡中)。在該系統(tǒng)中，刮板沖擊頻率是15Hz，每一刮板沖擊對應電流波形采樣點為200個，即該系統(tǒng)能保證采樣頻率為15×200=3kHz，在實驗中一般取2.25kHz。為降低成本，采用國產(chǎn)產(chǎn)量傳感器，實驗證明，精度滿足使用要求。

濕度傳感器安置在聯(lián)合收割機谷倉頂部，在產(chǎn)量傳感器的下面。測量范圍：0～100％RH；測量精度：±2％RH：信號輸出：0～10mA；輸入電源：12～24V。其信號標定由實驗數(shù)據(jù)確定。由于濕度數(shù)值在本系統(tǒng)中的變化緩慢，故其測量的次數(shù)較少(每10m測1次)，測量精度要求不高。這樣做的好處是，降低了主控制單元單片機的處理負擔和CF卡的存儲負擔，并能進一步地提高系統(tǒng)的采樣頻率，提高系統(tǒng)精度。經(jīng)實驗看，該濕度傳感器能滿足系統(tǒng)要求，且價格極低(僅是國外類似濕度傳感器的1／40)。

因為該系統(tǒng)中的收割面積等于速度×時間×割幅，所以速度傳感器對實驗結(jié)果非常重要。使用接近開關記數(shù)，以達到計量收割面積的目的(速度×時間×割幅)。但受收割機輪子打滑的影響，精度較低且受地形影響精度不穩(wěn)；但成本很低。在收割機的驅(qū)動主軸上安裝了電容式接近開關，利用主軸相對于輪轂的轉(zhuǎn)動讀取脈沖次數(shù)，并且利用主軸和輪子相對減速比，計算出每一脈沖所對應收割機前進的距離。同時為防止由于輪子打滑等原因而引起的位移誤差，在軟件算法上，用GPS解算出收割機的相對位移，而加以校正(每100m校正一次)。這樣使用安裝接近開關輔以GPS解算校正的方法，實現(xiàn)了國外常用的多普勒雷達的測量精度，并且價格僅是后者的1／50。

割臺傳感器使用限位開關，用以指示收割機是否工作。當割臺抬起時，系統(tǒng)不工作。

在GPS25LP基礎上開發(fā)了全球定位系統(tǒng)，水平精度可達10m以內(nèi)。

1.2軟件在軟件算法上，為了保證系統(tǒng)的定位精度，借鑒卡爾曼濾波(Kalman Filter)原理進行最優(yōu)估計。在處理產(chǎn)量傳感器信號時，由于在實際情況下收割機會引起機械振動，而導致測量誤差的增大，嚴重時該噪聲會完全淹沒谷物沖擊傳感器產(chǎn)生的輸出信號。這樣對這兩種信號進行譜分析，得到其信號源的數(shù)字特征，通過在硬件和軟件上的濾波，增強自適應能力，以獲得更好的數(shù)據(jù)精度。

2系統(tǒng)結(jié)構設計

基于GPS的聯(lián)合收割機智能測產(chǎn)系統(tǒng)，包括主控制單元(Philips 80C552單片機，及液晶屏)、CF卡，改進型GPS及相關傳感器。

智能測產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構框圖，如圖2所示。產(chǎn)量傳感器和濕度傳感器分別取得谷物重量和濕度的信號，速度傳感器反映了當前收割機的速度，可根據(jù)此算出畝產(chǎn)量。GPS指示出每一測試點的經(jīng)緯度。割臺信號控制系統(tǒng)的運行。這些信息通過Philips 80C552處理后，存入CF卡并在液晶屏上顯示。該系統(tǒng)組成具有成本低、可靠性高、軟件通用性好及適應市場能力強等優(yōu)點。選用CF卡作為系統(tǒng)的海量存儲器。

CF卡，如圖3所示。由集成的ATA(AT attachment)控制器和閃速存儲器構成。它以512B為擦除單位。不需要在操作系統(tǒng)下裝入新的軟件，模擬磁盤功能在集成的ATA控制器上完成。CompactFlash體積小、重量輕，而它抗沖擊能力相當強，可以承受2000g的沖擊：同時讀寫速率快，分別為8.0MB，S和4.0MB／s。Com-pactFlash具有良

好的硬件兼容性，可以與PC卡ATA完全兼容，適用于ATA標準的任何計算機，只要將CompactFlash的PC卡適配器插入Ⅱ類或Ⅲ類槽中即可使用。它也具有良好的軟件兼容性，在MS-DOS、Windows95、Win-dowsNT等環(huán)境下，可以當作IDE硬盤直接被使用。

3系統(tǒng)軟件程序框圖

系統(tǒng)主程序工作框圖，如圖4所示。單片機(Philips 80C552)上電后，系統(tǒng)進行初始化。

通過初始化，更新系統(tǒng)默認值——系統(tǒng)的采樣模式、傳感器／測距方式、割幅寬度。

因為電子盤使用標準的IDE接口，是以扇區(qū)為單位讀寫的，就是最小的讀寫單位是512B。而Philips 80C552的內(nèi)部RAM只有256B，因此，必須接片外RAM來作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當片外RAM的數(shù)據(jù)達到512B的整數(shù)倍時，一次性的寫入電子盤。本設計中選用了靜態(tài)RAM CY62256，這樣當RAM CY62256寫滿32kB，產(chǎn)生標志位，置Flag為“1”，進入電子盤存盤中斷服務程序。否則，系統(tǒng)單片機進行A／D轉(zhuǎn)換(產(chǎn)量傳感器和濕度傳感器)、I／O讀取(速度傳感器和割臺傳感器)、串口操作(讀取GPS經(jīng)度／緯度)。