CN100576118C - 一种变量施肥控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制系统领域。本发明采用一种变量施肥控制系统，包括单片机，用于接收外部存储信息、输入信息、反馈信息、通讯信息，经单片机内部运算处理后输出控制信息、显示信息，控制信息是对排肥机械排肥量的控制。单片机经转换器还与电液比例阀连接，电液比例阀的输入端与转换器连接、输出端与液压马达连接；液压马达的输出端与排肥机械的排肥轴连接，在排肥轴的一端装有光电码盘，将光电码盘的电信号反馈到单片机；在单片机上还连接有调节旋钮电路；电液比例阀和调节旋钮电路由单片机控制，用于调节所述排肥机械排肥轴的排肥量。这种手动与自动一体化的变量施肥系统具有较高的实用价值，且结构简单、操作方便。

Description

一种变量施肥控制系统及方法

技术领域

本发明涉及自动控制系统领域，特别涉及一种将手动和自动设计成一体化的变量施肥控制器，能自动接收或通过手动输入施肥量，利用单片机内闭环控制算法精确地实现控制信号的输出。

背景技术

精准农业是近年来国际上农业科学研究的热点领域之一。精确农业的含义就是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。精准农业是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合。目前精准农业主要从两个方面进行，一是基于地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)、遥感技术(RS)和计算机自动控制系统的精准农业，也就是所谓的基于“3S”的精准农业；二是基于传感器技术的精准农业。目前，基于管理对象的不同，采用的技术基础各异。但无论其基于的技术如何，最终实现的是对农业措施的变量控制。

精准农业的本质就是根据收集到的土壤作物空间变异信息，在生产中针对地块的具体情况确定出相应的农业措施。由于地块的空间变异性，因此一些耕作措施也必须能在操作的过程中做出相应的变化。需要变化的耕作措施内容是很多，主要包括灌溉、农药的施用、除草剂、播种、施肥等等，其中变量施肥是一项重要的措施。精准农业的实施可以说是一项复杂的工程，前期大量工作结果将集中要一张操作指挥系统图上，图上提出地块中不同地点相应农艺措施的要求，而实施措施的变化就需要有能记载这张操作指挥系统图的计算机、需要有相应的设备能知道当前机具所在地块上的位置、又能从操作指挥系统图上读取得当前对农事措施的要求，然后按照要求命令机具去执行。

变量施肥是精准农业技术的重要内容，其基本原理就是根据土壤的养分含量特点，在土壤养分高的地方减少施肥量，而在土壤养分低的地方增加肥料投入量，力求在保证一定产量目标的情况下，提高化肥利用效率。变量施肥机械在GPS的导航下，能够准确实时地获得其所在作业位置的地理坐标，在控制系统的控制下，根据事先生成的施肥处方图进行施肥，自动地在土壤养分低的地方多施肥，在土壤养分高的地方减少施肥，在不需施肥的地方停止施肥。这样的施肥系统大大提高了化肥的利用效率。

目前国内外已有适于精准播种和施肥的机具，实现变量施肥使用的设备是根据现有设备组装起来的。地块图的绘制、土样的采取和测定、根据土样测试结果确定施肥量的变化、最后形成的操作指挥系统图输入到计算机。

计算机可以导入已做好的地块图，可以接收GPS提供的信号，也可以配合导航设备，引导拖拉机按地块图上设定的行驶路线运行，还能够根据GPS提供的当前位置读取操作指挥系统图上当前应采用的农事措施信息，如施用多少肥料的信息等。

计算机可读出当前位置应该施用多少肥料的信息。而阀门驱动电子模块提供控制液压马达变化以控制肥料施用量。

该系统的工作原理是：控制台根据GPS信号和施肥量信号控制阀门驱动电子模块，模块将信号传到液压控制阀改变液压的压力大小，液压的大小变化改变液压马达的转速，转速的改变通过链轨改变转动轴的转速，转速变动施肥量也就得到控制。

目前的变量施肥控制器往往是一些单独的控制模块，或者通过串口与其他模块进行通讯，其扩展性较差，不能形成一个完善的系统。

在我国变量施肥控制器尚处于起步阶段，目前主要依靠引进国外的技术，进行消化吸收，而且引进的设备价格昂贵，结构复杂且操作困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的设计一种具单片机控制器的变量施肥控制系统，使得该系统具有处理速度快、可与多种外围设备联接、资源丰富、性能稳定和易于实现许多种控制算法，且结构简单、操作方便。

(二)技术方案

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是采用一种变量施肥控制系统，包括单片机，用于接收外部存储信息、输入信息、反馈信息、通讯信息，经单片机内部运算处理后输出控制信息、显示信息、存储信息、通讯信息，所述控制信息是对排肥机械排肥量的控制；

所述存储信息是将存储器与单片机连接，用于将预先存储的信息输入到单片机，或将单片机的输出信息予以保存；

所述输入信息是将键盘与单片机连接，用于输入作业参数；

所述通讯信息是单片机通过串行接口或扩展总线接口与其他外围设备的连接，用于单片机接收排肥量信息；

所述显示信息是将液晶显示器与单片机连接，用于系统工作状态和或输入作业参数的显示；

所述单片机经转换器还与电液比例阀连接，所述电液比例阀的输入端与转换器连接、输出端与液压马达连接；所述液压马达的输出端与排肥机械的排肥轴连接，在排肥轴的一端装有光电码盘，将所述光电码盘的电信号反馈到单片机；在所述单片机上还连接有调节旋钮电路；所述电液比例阀和调节旋钮电路由单片机控制，用于调节所述排肥机械排肥轴的排肥量。

本发明在所述调节旋钮电路中设有档位调节旋钮和逻辑解码芯片，档位调节旋钮位于零档位时单片机由接收信息和存储信息控制排排肥机械排肥轴的排肥量，档位调节旋钮位于其他档位时，单片机按不同档位控制排肥机械排肥轴的排肥量。

本发明所述档位调节旋钮设有12个档位。

本发明所述转换器是4通道8位数模转换器，用于将单片机的输出控制信号进行数模转换和电压放大。

本发明在所述单片机与所述显示器、扩展总线接口、串行接口之间连接有电平转换器，所述电平转换器用于电压转换。

本发明在所述电平转换器与扩展总线接口之间还连接有收发器和高速光耦合芯片，用于完成单片机与总线之间的信息通讯和防止干扰。

本发明在所述单片机与所述键盘之间连接有键盘芯片，在档位调节旋钮位于不同档位时可通过键盘对排肥量进行微调。

本发明所述单片机对所述排肥机械排肥轴排肥量F_w的控制，依据总线端口输入的施肥量处方A_r、作业机械瞬时行走速度V_t、存储在存储器中的作业机械有效排肥轴幅宽W_t，其计算公式为：

F_w＝A_r×V_t×W_t。

本发明所述系统的各电路板均安装在机壳内，在所述机壳上设有面板，在所述面板上设有电源接口、测速码盘接口、电液比例阀接口、CAN总线接口、DB9接头CAN总线接口、串行接口、液晶背光开关、电源开关。

本发明一种变量施肥控制方法，具体控制过程如下：

上电复位后，系统首先进行自身的初始化，初始化的内容包括控制器I/O口、LCD、串口/CAN通讯接口、键盘、控制数模转换器的SPI接口和PID控制程序的初始化以及读取存储于FLASH中的作业参数；

系统随后检测当前所处的档位，若处于“自动模式”，则进入主菜单界面，此时用户可以对相关作业参数如幅宽和PID控制参数进行设置，系统会将设置后的参数保存到FLASH中；

系统判断用户是否按下“确认”键，如果是则启动通讯程序，接收施肥量和车速信息，并调用PID控制程序对排肥轴转速进行控制，相关作业信息则通过LCD进行显示；若系统检测到当前不是处于“自动模式”档，则根据所处档位显示施肥量大小，用户可根据需要利用按键对施肥量大小进行微调，待用户按下“确认”键后系统开始作业，启动通讯程序，接收车速信息，并调用PID控制程序对排肥轴转速进行控制，相关作业信息则通过LCD进行显示。

(三)有益效果

本发明可以通过CAN总线与外部控制设备进行连接，自动接收施肥量信息实现自动变量施肥；也可以在没有外部控制设备参与的情况下通过旋钮手动调整施肥量实现手动变量施肥。这种手动与自动一体化的变量施肥系统具有较高的实用价值，且结构简单、操作方便，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明电路原理框图；

图2是本发明控制信号产生电路原理图；

图3是本发明旋钮接口电路原理图；

图4是本发明CAN总线接口电路原理图。

图5是本发明面板连线原理图。

图6是本发明的主程序流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明所提供的电路原理框图。采用TI公司生产的TMS320LF2407A作为单片机。单片机通过SPI接口与D/A转换器连接产生控制电液比例阀所需的控制电压，排肥轴上的光电码盘采集转速信息通过QEP接口发送给单片机作为闭环控制的反馈信息。系统通过外接收发芯片82C250扩展CAN总线通讯接口，通过电平转换芯片MAX232扩展串口通讯接口。系统中还扩展了128*64像素的液晶显示器，并通过键盘接口芯片ZLG7289扩展了键盘接口，旋钮的接口则与单片机的I/O口相连。外扩的64K字节FLASH用于存储作业参数，64K的RAM在系统仿真时使用。由于单片机的核心电平是3.3伏，而CAN总线、串口和显示器的电平为5伏，因此外接电平转换器74LVC16245作为电平转换接口。

如图2所示为控制信号产生电路原理图。通过单片机内置的SPI控制器，外加TI公司TLC5620 SPI接口4通道8位D/A转换器，可以方便地实现电信号的输出，用于控制电液比例阀。由于TLC5620的控制信号要求的电平较高，所以需要将单片机输出的SPICLK、SPISIMO以及IO口模拟的CE_DA信号的高电平抬高，图中采用了74HC08与门电路。此外为了提高输出电压的范围，利用运放LM358对输出电压进行2倍放大，使其达到控制电液比例阀的要求。

如图3所示为旋钮接口电路原理图。旋钮的状态通过逻辑解码芯片74LS147和单片机的I/O口进行判断。当旋钮处于0档即“自动模式”时，控制器接收来自CAN总线或串口的施肥量信息。当处于其它档位时，可手动确定施肥量；不同的档位对应不同的施肥量，并可通过按键进行微调。等待用户按“确定”键后，便启动排肥轴进行施肥。施肥过程中的相关信息通过液晶显示器进行显示。

如图4所示为CAN总线接口电路原理图。TMS320LF2407A内部含有CAN控制器，加一片CAN收发器82C250便可以完成CAN总线通信。由于CAN总线接口采用5V的逻辑电平与单片机控制器3.3V的电平不兼容，因此电路中采用了16位的电平转换器件74ALVC16245作为电平转换。为了提高CAN总线工作的可靠性，防止干扰，电路中采用了高速光耦芯片6N137来实现总线上各CAN节点间的电气隔离。

具体实施时，可通过CAN总线或串口向变量施肥控制器发送施肥量信息，也可以通过旋钮和按键手动输入施肥量；确定好施肥量后，控制器会读取FLASH中存储的幅宽信息和来自CAN总线上的车速信息，并通过公式确定当前要输出的控制电压大小。待用户按“确定”键后，系统启动施肥，排肥开始转动。排肥轴的转速信息通过光电码盘反馈给控制器，控制器利用PID算法实时调整控制电压的输出，达到精确施肥的目的。如图5所示为面板连线原理图。

本发明所述系统包含一个完整的不可分割的控制程序，其流程图如图6所示。其具体工作过程如下：上电复位后，系统首先进行自身的初始化，初始化的内容包括控制器I/O口、LCD、串口/CAN通讯接口、键盘、控制数模转换器的SPI接口和PID控制程序的初始化以及读取存储于FLASH中的作业参数。系统随后检测当前所处的档位，若处于“自动模式”，则进入主菜单界面，此时用户可以对相关作业参数如幅宽和PID控制参数进行设置，系统会将设置后的参数保存到FLASH中。系统判断用户是否按下“确认”键，如果是则启动通讯程序，接收施肥量和车速信息，并调用PID控制程序对排肥轴转速进行控制，相关作业信息则通过LCD进行显示。若系统检测到当前不是处于“自动模式”档，则根据所处档位显示施肥量大小，用户可根据需要利用按键对施肥量大小进行微调，待用户按下“确认”键后系统开始作业，启动通讯程序，接收车速信息，并调用PID控制程序对排肥轴转速进行控制，相关作业信息则通过LCD进行显示。

本发明变量施肥控制系统的工作原理是：

假设系统在某一施肥单元的施肥处方量为A_r，此时作业机械的瞬时行走速度的为V_t，施肥机械的有效幅宽为W_t，肥料的瞬间流量为F_w，则有：

F_w＝A_r×V_t×W_t。

由公式可以看出，在能实时测定作业机械行走速度的前提下，欲使系统按照处方量施肥，核心任务是控制肥料的流量。排肥驱动机构的转速是肥料流量的决定因素。本控制器选择电液比例阀作为控制液压马达排肥机构的驱动元件，因此只需要输出控制电液比例阀开度的电压信号就可以实现改变液压马达转速的目的，从而控制排肥轴转速。

本发明与传统的微控制器相比，单片机具有处理速度快、外设资源丰富、性能稳定和易于实现许多先进的控制算法等优点，适用于控制领域。利用单片机内置的CAN控制器，外加一片CAN收发器82C250，实现与上位机的CAN总线通讯。利用单片机的SPI接口控制D/A转换器产生电压信号，经运放放大后加载到电液比例阀上，然后通过液压马达控制排肥机构的转速，达到控制肥料流量的目的；通过安装在排肥轴上的光电码盘采集排肥驱动机构的转速作为反馈信号，利用PID控制算法进行闭环控制。外接LCD和键盘，实现系统状态的显示和控制参数的输入。外接一个12档位的旋钮用于手动、自动施肥模式的切换和施肥量设定。控制器中扩展有FLASH存储器用于作业参数的存储。

当进行自动变量施肥时，将旋钮置于“自动模式”档位，施肥量信息通过CAN总线发送给变量施肥控制器；当进行手动施肥时，将旋钮置于合适的档位，LCD上将显示施肥量大小，可以通过按键对施肥量大小进行微调；拖拉机的速度信息通过CAN总线发送给变量施肥控制器，幅宽信息则事先保存在FLASH中。这样，给定了施肥量A_r、幅宽W_t和车速信息V_t，变量施肥控制器便可以根据公式计算出当前肥料的瞬间流量F_w，并转换为所需的控制电压，根据反馈得到的转速信息进行PID闭环控制。当施肥量发生变化时，控制器可以实时调整控制电压的输出。

Claims (9)

1、一种变量施肥控制系统，包括单片机，用于接收外部存储信息、输入信息、反馈信息、通讯信息，经单片机内部运算处理后输出控制信息、显示信息、存储信息、通讯信息，所述控制信息是对排肥机械排肥量的控制；

所述存储信息是将存储器与单片机连接，用于将预先存储的信息输入到单片机，或将单片机的输出信息予以保存；

所述输入信息是将键盘与单片机连接，用于输入作业参数；

所述通讯信息是单片机通过串行接口或扩展总线接口与其他外围设备的连接，用于单片机接收排肥量信息；

所述显示信息是将液晶显示器与单片机连接，用于系统工作状态或输入作业参数的显示；

其特征在于：所述单片机经转换器还与电液比例阀连接，所述电液比例阀的输入端与转换器连接、输出端与液压马达连接；所述液压马达的输出端与排肥机械的排肥轴连接，在排肥轴的一端装有光电码盘，将所述光电码盘的电信号反馈到单片机；在所述单片机上还连接有调节旋钮电路；所述电液比例阀和调节旋钮电路由单片机控制，用于调节所述排肥机械排肥轴的排肥量；

在所述调节旋钮电路中设有档位调节旋钮和逻辑解码芯片，档位调节旋钮位于零档位时单片机由接收信息和存储信息控制排肥机械排肥轴的排肥量；档位调节旋钮位于其他档位时，单片机按不同档位控制排肥机械排肥轴的排肥量。

2、如权利要求1所述的变量施肥控制系统，其特征在于：所述档位调节旋钮设有12个档位。

3、如权利要求2所述的变量施肥控制系统，其特征在于：所述转换器是4通道8位数模转换器，用于将单片机的输出控制信号进行数模转换和电压放大。

4、如权利要求1所述的变量施肥控制系统，其特征在于：在所述单片机与所述显示器、扩展总线接口、串行接口之间连接有电平转换器，所述电平转换器用于电压转换。

5、如权利要求4所述的变量施肥控制系统，其特征在于：在所述电平转换器与扩展总线接口之间还连接有收发器和高速光耦合芯片，用于完成单片机与总线之间的信息通讯和防止干扰。

6、如权利要求1所述的变量施肥控制系统，其特征在于：在所述单片机与所述键盘之间连接有键盘芯片，在档位调节旋钮位于不同档位时通过键盘对排肥量进行微调。

7、如权利要求1所述的变量施肥控制系统，其特征在于：所述单片机对所述排肥机械排肥轴排肥量F_w的控制，依据总线端口输入的施肥量处方A_r、作业机械瞬时行走速度V_t、存储在存储器中的作业机械有效排肥轴幅宽W_t，其计算公式为：F_w＝A_r×V_t×W_t。

8、如权利要求1至7任一权利要求所述的变量施肥控制系统，其特征在于：所述系统的各电路板均安装在机壳内，在所述机壳上设有面板，在所述面板上设有电源接口、测速码盘接口、电液比例阀接口、CAN总线接口、DB9接头CAN总线接口、串行接口、液晶背光开关、电源开关。

9、一种变量施肥控制方法，其特征在于具体控制过程如下：

上电复位后，系统首先进行自身的初始化，初始化的内容包括控制器I/O口、LCD、串口/CAN通讯接口、键盘、控制数模转换器的SPI接口和PID控制程序的初始化以及读取存储于FLASH中的作业参数；

系统随后检测当前所处的档位，若处于“自动模式”，则进入主菜单界面，此时用户可以对相关作业参数如幅宽和PID控制参数进行设置，系统会将设置后的参数保存到FLASH中；

系统判断用户是否按下“确认”键，如果是则启动通讯程序，接收施肥量和车速信息，并调用PID控制程序对排肥轴转速进行控制，相关作业信息则通过LCD进行显示；若系统检测到当前不是处于“自动模式”档，则根据所处档位显示施肥量大小，用户可根据需要利用按键对施肥量大小进行微调，待用户按下“确认”键后系统开始作业，启动通讯程序，接收车速信息，并调用PID控制程序对排肥轴转速进行控制，相关作业信息则通过LCD进行显示。

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