對(duì)聯(lián)合收割機(jī)智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)工作原理的思考

一、 GPS測(cè)產(chǎn)原理

1、硬件 產(chǎn)量傳感器安置在聯(lián)合收割機(jī)谷倉(cāng)頂部，接收來(lái)自于刮板的谷物沖量。經(jīng)過(guò)其內(nèi)置的全橋平衡電路，采用應(yīng)變感應(yīng)方式，完成谷物沖量到電流信號(hào)的變換（這樣可實(shí)現(xiàn)溫度變化的自動(dòng)補(bǔ)償和提高傳感器的響應(yīng)特性）。為整個(gè)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(hào)輸出為0～10mA，該原始信號(hào)經(jīng)精密電阻可得到0～5V的TTL電壓（精密電阻阻值，由實(shí)際收割對(duì)象的不同——力學(xué)性質(zhì)不同而選擇，以便得到最大的讀入精度）。該TTL電壓信號(hào)，由Philips 80C552單片機(jī)A/D口讀入，經(jīng)該控制單元進(jìn)行處理、顯示、保存（保存在主控制單元上的Compact 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(duì)應(yīng)電流波形采樣點(diǎn)為200個(gè)，即該系統(tǒng)能保證采樣頻率為15×200=3kHz，在實(shí)驗(yàn)中一般取2.25kHz。為降低成本，采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)量傳感器，實(shí)驗(yàn)證明，精度滿足使用要求。

濕度傳感器安置在聯(lián)合收割機(jī)谷倉(cāng)頂部，在產(chǎn)量傳感器的下面。測(cè)量范圍：0～100%RH；測(cè)量精度：±2%RH；信號(hào)輸出：0～10mA；輸入電源：12～24V。其信號(hào)標(biāo)定由實(shí)驗(yàn)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(cè)量的次數(shù)較少（每10m測(cè)1次），測(cè)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(jī)的處理負(fù)擔(dān)和CF卡的存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，并能進(jìn)一步地提高系統(tǒng)的采樣頻率，提高系統(tǒng)精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)看，該濕度傳感器能滿足系統(tǒng)要求，且價(jià)格極低（僅是國(guó)外類似濕度傳感器的1/40）。

因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的收割面積等于速度×?xí)r間×割幅，所以速度傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常重要。使用接近開(kāi)關(guān)記數(shù)，以達(dá)到計(jì)量收割面積的目的（速度×?xí)r間×割幅）。但受收割機(jī)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(jī)的驅(qū)動(dòng)主軸上安裝了電容式接近開(kāi)關(guān)，利用主軸相對(duì)于輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)讀取脈沖次數(shù)，并且利用主軸和輪子相對(duì)減速比，計(jì)算出每一脈沖所對(duì)應(yīng)收割機(jī)前進(jìn)的距離。同時(shí)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(jī)的相對(duì)位移，而加以校正（每100m校正一次）。這樣使用安裝接近開(kāi)關(guān)輔以GPS解算校正的方法，實(shí)現(xiàn)了國(guó)外常用的多普勒雷達(dá)的測(cè)量精度，并且價(jià)格僅是后者的1/50。

割臺(tái)傳感器使用限位開(kāi)關(guān)，用以指示收割機(jī)是否工作。當(dāng)割臺(tái)抬起時(shí)，系統(tǒng)不工作。

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

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(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。在處理產(chǎn)量傳感器信號(hào)時(shí)，由于在實(shí)際情況下收割機(jī)會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)，而導(dǎo)致測(cè)量誤差的增大，嚴(yán)重時(shí)該噪聲會(huì)完全淹沒(méi)谷物沖擊傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)。這樣對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行譜分析，得到其信號(hào)源的數(shù)字特征，通過(guò)在硬件和軟件上的濾波，增強(qiáng)自適應(yīng)能力，以獲得更好的數(shù)據(jù)精度。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該基于GPS的聯(lián)合收割機(jī)智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，包括主控制單元（Philips 80C552單片機(jī)，及液晶屏）、CF卡，改進(jìn)型GPS及相關(guān)傳感器。

智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，。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(hào)，速度傳感器反映了當(dāng)前收割機(jī)的速度，可根據(jù)此算出畝產(chǎn)量。GPS 指示出每一測(cè)試點(diǎn)的經(jīng)緯度。割臺(tái)信號(hào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。這些信息通過(guò)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(yīng)市場(chǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。選用CF卡作為系統(tǒng)的海量存儲(chǔ)器。

CF卡。由集成的ATA（AT attachment）控制器和閃速存儲(chǔ)器構(gòu)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(dāng)強(qiáng)，可以承受2000g的沖擊；同時(shí)讀寫(xiě)速率快，分別為8.0MB/s和4.0MB/s。CompactFlash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(biāo)準(zhǔn)的任何計(jì)算機(jī)，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、WindowsNT等環(huán)境下，可以當(dāng)作IDE硬盤直接被使用。

三、系統(tǒng)軟件程序框圖

系統(tǒng)主程序工作框圖，。單片機(jī)（Philips 80C552）上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化。

通過(guò)初始化，更新系統(tǒng)默認(rèn)值——系統(tǒng)的采樣模式、傳感器/測(cè)距方式、割幅寬度。

因?yàn)殡娮颖P使用標(biāo)準(zhǔn)的IDE接口，是以扇區(qū)為單位讀寫(xiě)的，就是最小的讀寫(xiě)單位是512B。而Philips 80C552的內(nèi)部RAM只有256B，因此，必須接片外RAM來(lái)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。當(dāng)片外RAM的數(shù)據(jù)達(dá)到512B的整數(shù)倍時(shí)，一次性的寫(xiě)入電子盤。本設(shè)計(jì)中選用了靜態(tài)RAM CY62256，這樣當(dāng)RAM CY62256寫(xiě)滿32kB，產(chǎn)生標(biāo)志位，置Flag為“1”，進(jìn)入電子盤存盤中斷服務(wù)程序。否則，系統(tǒng)單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換（產(chǎn)量傳感器和濕度傳感器）、I/O讀?。ㄋ俣葌鞲衅骱透钆_(tái)傳感器）、串口操作（讀取GPS經(jīng)度/緯度）。

（作者單位：164038 黑龍江省北安市石泉鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)服務(wù)中心）