插秧機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的無人駕駛和數(shù)據(jù)采集，對(duì)插秧機(jī)的無線監(jiān)控系統(tǒng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由中央處理單元、傳感器檢測單元、插秧機(jī)控制單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元及上位機(jī)控制單元等5部分組成。中央處理單元主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī)，采集并處理傳感器檢測單元檢測到的插秧機(jī)相關(guān)參數(shù)；插秧機(jī)控制單元依據(jù)中央處理單元的命令控制插秧機(jī)行駛與工作；無線數(shù)據(jù)傳輸單元用于與上位機(jī)控制單元通訊；上位機(jī)控制單元通過RS232與PC機(jī)相連。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過此系統(tǒng)能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集插秧機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的遙控行駛。

關(guān)鍵詞：插秧機(jī)；無線監(jiān)控系統(tǒng)；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S223.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）21-5322-04

Hardware Circuit Design of Rice Transplanter Wireless Monitoring System

XIAO Ming-tao，SUN Song-lin，JIANG Ping，LUO Ya-hui

（College of Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract： Aiming to achieve the manless driving and data collection on rice transplanter， a wireless remote monitoring system used in rice transplanter had been designed. The system was composed of the central processing unit， the sensors detecting unit， the rice transplanter controlling unit， the wireless data transmission unit， and the upper-computer controlling unit. The central processing unit， using MCU STC12C5A60S2， collected and processed data from sensor detecting unit. The transplanter control unit was controlled according to the command of the central processing unit. The wireless data transmission unit was used for communication with the upper-computer controlling unit， which was connected to the host computer via RS232. The result of the experiment showed that the state parameter of rice transplanter could be remote monitored and remote drived by the system.

Key words： rice transplanter； wireless monitoring system； hardware circuit design

中國是世界上最大的稻米生產(chǎn)國與消費(fèi)國，因此，水稻生產(chǎn)機(jī)械化與智能化在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中占據(jù)了重要地位。插秧機(jī)由于具備節(jié)省秧苗、提高工作效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低直接成本以及提高產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)，在水稻種植中得到廣泛的應(yīng)用[1-5]。為進(jìn)一步提高工作效率，降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一套插秧機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路，能實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)遙控駕駛與遠(yuǎn)程狀態(tài)參數(shù)采集。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由中央處理單元、傳感器檢測單元、插秧機(jī)控制單元、無線數(shù)據(jù)傳輸單元及上位機(jī)控制單元等5部分組成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1。傳感器檢測單元由陀螺儀、電子羅盤與編碼器等組成，主要用于采集插秧機(jī)工作中的相關(guān)數(shù)據(jù)；中央處理單元對(duì)傳感器檢測單元采集的信息進(jìn)行處理分析后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸單元將相關(guān)信息送入上位機(jī)控制單元；操作者通過與上位機(jī)控制單元相連的PC機(jī)操作界面觀察插秧機(jī)行駛與工作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并發(fā)送相關(guān)控制命令，經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?，由插秧機(jī)控制單元控制插秧機(jī)的行駛與工作。

2 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件電路主要包括中央處理單元、傳感器檢測單元與插秧機(jī)控制單元，傳感器檢測單元完成數(shù)據(jù)采集，中央處理單元進(jìn)行信息處理與分析，插秧機(jī)控制單元控制插秧機(jī)的行駛與工作，其電路原理總圖如圖2所示。

2.1 中央處理單元電路設(shè)計(jì)

中央處理單元主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)具有8個(gè)ADC轉(zhuǎn)換通道，2路可編程PWM和4個(gè)16位定時(shí)器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器的信號(hào)采集處理，該單元主要包括12 V轉(zhuǎn)5 V及3.3 V的直流穩(wěn)壓電源、晶振電路和其他外圍擴(kuò)展電路。傳感器檢測單元將檢測到的參數(shù)經(jīng)由CAN總線[6，7]控制器傳輸給中央處理單元，同時(shí)中央處理單元根據(jù)傳感器檢測單元采集到的數(shù)據(jù)來控制插秧機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并通過2.4 GHz的無線通訊模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。中央處理單元電路圖如圖3。

2.2 傳感器檢測單元電路設(shè)計(jì)

傳感器檢測單元主要用來采集插秧機(jī)工作時(shí)的工況數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測其各種工況信息。傳感器檢測單元采集的數(shù)據(jù)包括陀螺儀檢測到的角速度及角加速度、電子羅盤檢測到的航向角、編碼器檢測到的運(yùn)動(dòng)速度及行駛距離等參數(shù)[8-10]。插秧機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集電路采用了CAN總線的結(jié)構(gòu)，每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)都由傳感器、CAN總線控制器SJA1000以及收發(fā)器PCA82C250組成。中央處理單元中的主控芯片STC12C5A60S2單片機(jī)負(fù)責(zé)采集CAN總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過下發(fā)采集命令來采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)。陀螺儀在插秧機(jī)發(fā)生角度偏移時(shí)測量理論角度偏移量和實(shí)際角度偏移量的差值，并將該值經(jīng)過單片機(jī)和CAN控制器傳送給中央處理單元，由其計(jì)算出補(bǔ)償值并進(jìn)行誤差補(bǔ)償。后輪采用的光電編碼器是一種將位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，當(dāng)插秧機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)其通過檢測裝置不斷檢測并輸出脈沖信號(hào)，通過采集到的脈沖個(gè)數(shù)可計(jì)算出插秧機(jī)的行駛距離。圖4為CAN總線通訊單元電路圖，圖5為后輪編碼器數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖。

2.3 插秧機(jī)控制單元電路設(shè)計(jì)

插秧機(jī)控制單元主要用來驅(qū)動(dòng)控制方向盤的步進(jìn)電機(jī)、離合器的電動(dòng)推桿、檔位的電動(dòng)推桿以及一個(gè)點(diǎn)火/熄火的模塊。由于插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向是采用液壓助力轉(zhuǎn)向，所以在插秧機(jī)啟動(dòng)后的方向盤阻力矩很小，經(jīng)試驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的力矩完全能克服轉(zhuǎn)向阻力矩。電動(dòng)推桿自帶位置傳感器，能實(shí)時(shí)檢測檔位和離合器的位置。點(diǎn)火/熄火模塊用來啟動(dòng)或關(guān)閉插秧機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。插秧機(jī)控制單元電路圖如圖6。

3 上位機(jī)控制單元電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制單元是連接上位機(jī)與下位機(jī)的橋梁，上位機(jī)采用的是PC機(jī)，必須通過串口與無線數(shù)據(jù)通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換才能實(shí)現(xiàn)對(duì)插秧機(jī)的控制。上位機(jī)控制單元主要由一個(gè)單片機(jī)和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成（圖7），單片機(jī)通過RS232接口與PC機(jī)相連，使PC機(jī)通過RS232接口來發(fā)送命令和采集數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與下位機(jī)的協(xié)議通信。

4 小結(jié)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，在完成系統(tǒng)硬件電路并設(shè)計(jì)了基于Visual Basic.net 2008的上位機(jī)監(jiān)控軟件后進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，即通過PC機(jī)對(duì)水泥地面上的插秧機(jī)進(jìn)行遙控駕駛操作并采集相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過此系統(tǒng)能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集插秧機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了插秧機(jī)無線遙控行駛，系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高。

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