CN104317280A - 用于农业控制系统的多路io板卡 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于农业控制系统的多路IO板卡，所述农业控制系统包括输出控制数据的控制芯片和被控电气部件，所述IO板卡包括：连接控制芯片，用于接收控制数据的输入端；所述控制数据包括第一时钟信号、第二时钟信号和串行控制信号；连接输入端，用于将串行控制信号转换为并行控制信号的串并信号转换电路；连接串并信号转换电路，用于根据所述并行控制信号驱动继电器电路的驱动电路；连接驱动电路和被控电气部件，基于所述并行控制信号实现开关动作，进而控制被控电气部件工作状态的继电器电路；本发明所述IO板卡具有极强的扩展能力，可广泛应用于农业控制系统中。

Description

用于农业控制系统的多路IO板卡

技术领域

本发明涉及一种IO板卡，具体为一种用于农业控制系统的多路IO板卡。

背景技术

为了实现对现场设备的集中控制，现有技术中的农业自动化设备，通常将控制芯片预留较多的I/O口，以便满足现场电气部件如电磁阀、水泵、风扇、传感器、电机和仪器仪表等的控制需求，进而完成对农作物的滴灌、施肥、土壤酸碱度的调节和检测等功能，农田面积越大，需要控制的对象就越多。IO板卡是控制芯片用于控制和驱动现场电气部件必不可少的部分，控制芯片输出控制信号经由IO板卡给农业设备，现有农业控制系统中的IO板卡主要有两种实现方式，其中一种为IO板卡的输入端与控制芯片引脚采用一一对应和连接的并行通讯结构，这种方式不仅占用大量的控制芯片管脚资源，同时也不利于电路布线；另外一种为IO板卡采用译码器和数据锁存器相配合进行输出，尽管在一定程度上节约了控制芯片的管脚资源，但电路设计复杂，增加了设计时的出错概率和维护时的故障点。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种用于农业控制系统的多路IO板卡。

本发明的技术方案是：

一种用于农业控制系统的多路IO板卡，所述农业控制系统包括输出控制数据的控制芯片和被控电气部件，所述IO板卡包括：

连接所述控制芯片，用于接收控制数据的输入端；所述控制数据包括第一时钟信号、第二时钟信号和串行控制信号；

连接所述输入端，用于将串行控制信号转换为并行控制信号的串并信号转换电路；

连接所述串并信号转换电路，用于根据所述并行控制信号驱动继电器电路的驱动电路；

连接所述驱动电路和所述被控电气部件，基于所述并行控制信号实现开关动作，进而控制被控电气部件工作状态的继电器电路；(“连接**，用于##的部件A”，是申请文件撰写的常规方式)

进一步地，所述继电器电路通过输出端与所述被控电气部件相连接；

进一步地，所述串并信号转换电路包括n个级联连接的移位寄存器；各移位寄存器的第一时钟输入端接收所述第一时钟信号，第二时钟输入端接收所述第二时钟信号；第一级移位寄存器的串行输入端接收所述串行控制信号，其余n-1级移位寄存器的串行输入端均连接上一级移位寄存器的串行输出端，第n级移位寄存器的串行输出端悬空；各移位寄存器的并行输出端均连接所述驱动电路；

进一步地，所述驱动电路包括多个驱动芯片；所述驱动芯片的输入端与所述移位寄存器的并行输出端对应连接；所述驱动芯片的输出端连接所述继电器电路；

进一步地，所述继电器电路包括多个继电器；所述继电器的线圈一端连接供电电源，另一端连接所述驱动芯片的一输出端；所述继电器的触点串接在被控电气部件的控制回路中；

进一步地，所述移位寄存器为74HC595芯片；

进一步地，所述驱动芯片为ULN2003芯片；

进一步地，所述继电器线圈两端并联接有由电阻和发光二极管构成的显示支路；

另外，还包括置于所述继电器的触点所在回路中的保险管；

进一步地，所述输入端、串并信号转换电路、驱动电路、继电器电路和输出端集成在一印制电路板上。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的用于农业控制系统的多路IO板卡，通过移位寄存器的级联结构实现了IO端口的扩展，节省控制芯片管脚资源，电路布线简单，能够实现多个被控电气部件的控制和驱动，解决了现有农业控制系统占用大量的控制芯片管脚资源而导致IO端口不足的问题，本发明所述IO板卡具有极强的扩展能力，可广泛应用于农业控制系统中。

附图说明

图1是本发明所述多路IO板卡的结构框图；

图2是本发明所述多路IO板卡的电路原理图；

图3是本发明所述印制电路板的元件布局图。

具体实施方式

如图1和图2所示的一种用于农业控制系统的多路IO板卡，所述农业控制系统包括输出控制数据的控制芯片和被控电气部件，所述IO板卡包括：连接所述控制芯片，用于接收控制数据的输入端；所述控制数据包括第一时钟信号、第二时钟信号和串行控制信号；连接所述输入端，用于将串行控制信号转换为并行控制信号的串并信号转换电路；连接所述串并信号转换电路，用于根据所述并行控制信号驱动继电器电路的驱动电路；连接所述驱动电路和所述被控电气部件，基于所述并行控制信号实现开关动作，进而控制被控电气部件工作状态的继电器电路；进一步地，所述继电器电路通过输出端与所述被控电气部件相连接；进一步地，所述串并信号转换电路包括n个级联连接的移位寄存器；各移位寄存器的第一时钟输入端接收所述第一时钟信号，第二时钟输入端接收所述第二时钟信号；第一级移位寄存器的串行输入端接收所述串行控制信号，其余n-1级移位寄存器的串行输入端均连接上一级移位寄存器的串行输出端，第n级移位寄存器的串行输出端悬空；各移位寄存器的并行输出端均连接所述驱动电路；进一步地，所述驱动电路包括多个驱动芯片；所述驱动芯片的输入端与所述移位寄存器的并行输出端对应连接；所述驱动芯片的输出端连接所述继电器电路；进一步地，所述继电器电路包括多个继电器；所述继电器的线圈一端连接供电电源，另一端连接所述驱动芯片的一输出端；所述继电器的触点串接在被控电气部件的控制回路中；进一步地，所述移位寄存器为74HC595芯片；进一步地，所述驱动芯片为ULN2003芯片；进一步地，所述继电器线圈两端并联接有由电阻和发光二极管构成的显示支路，能够直观表明继电器的当前开关状态；另外，还包括置于所述继电器的触点所在回路中的保险管，能够防止被控电气部件由于电流过大而造成损坏；进一步地，所述输入端、串并信号转换电路、驱动电路、继电器电路和输出端集成在一印制电路板上；所述供电电源采用12V电源；所述IO板卡还包括三端稳压集成芯片78M05，该芯片输入端接入12V电源，输出5V电源给移位寄存器作为工作电源；所述第一时钟信号为数据输入时钟信号，第一时钟输入端为移位寄存器的引脚SH_CP；所述第二时钟信号为输出存储器锁存时钟信号，第二时钟输入端为移位寄存器的引脚ST_CP；串行输入端为移位寄存器的引脚DS；串行输出端为移位寄存器的引脚Q7′；并行输出端为移位寄存器的引脚Q0～Q7；各移位寄存器的引脚OE为低电平有效，与地连接；各移位寄存器的引脚MR为复位管脚，通过上拉电阻连接VCC电源(即78M05芯片输出的5V电源)；所述输出端具体包括多个连接各继电器触点两端的接线端子。

如图1所示，被控电气部件在实际应用时可以包括四个部分：闸门控制部分、田间气象站部分、土壤信息检测部分、灌溉设施部分；其中闸门控制部分包括河道闸门、水库闸门、地下水闸门和水位计；田间气象站部分包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器和光强度传感器；土壤信息检测部分包括温度传感器、湿度传感器、张力传感器、水位计和电化学传感器；灌溉设施部分包括水泵、电磁阀和压力计；通过闸门控制部分可以完成水位和降水量数据采集的功能；通过田间气象站部分可以实现田间降水量、田间水位、风速、风向、日光辐射强度、温度、湿度等信息检测，获得具有代表性的小范围内的气象参数,为农作物的生长提供参考；通过土壤信息检测部分能够为田间作物提供良好的环境和养分,如使用湿度传感器,根据湿度及相应的作物所需指标来确定灌溉时间，以及结合温度传感器,当监测当前环境温度高同时湿度低时，则控制灌溉设备开启，以减轻干热对作物的危害，其中的电化学传感器可以检测土壤中硝酸根浓度，当低于参数设定值时向土壤施肥；通过灌溉设施部分可实现干管、支管和毛管的配套，利于节水灌溉技术应用于田间，在保证作物正常生长的前提下,通过电磁阀的控制可以将用水流量控制在最佳数值,获得最大的经济效益。具体地，可将本发明IO板卡的继电器触点串接在上述闸门、传感器、水泵、水位计、压力计等的控制回路中，当继电器触点闭合后，被控电气部件启动或关闭，进而实现农业上使用的多电气设备的集中控制，从而完成闸门控制、田间气象站、土壤信息检测以及土壤灌溉等作用，拓展现有农业控制系统的功能；实际应用时，本发明只需与控制芯片的3个管脚相连接，便能实现多路被控电气部件的控制；图3示出了本发明所述印制电路板的元件布局图，如图3所示，其中，输入端采用具有6个引脚的接线端子JP1，该接线端子连接12V电源线、地线、数据输入时钟线、输出存储器锁存时钟线和串行控制信号线；接线端子JP1放置在印制电路板的左上角，三端稳压集成芯片78M05靠近接线端子JP1放置，电路板的核心位置放置有级联的移位寄存器74HC595芯片、输入端与74HC595芯片的并行输出端连接的ULN2003芯片、显示支路中的发光二极管(图3中的LED)、继电器和保险管；印制电路板最右侧放置有J1、J2和J3等接线端子作为IO板卡的输出端；上述元件布局图只是本发明所述IO板卡实际应用时的实施例，具体元件布局和印制电路板的形状可根据使用需求进行调整。

本发明所述IO板卡通过信号连接线与控制芯片相连接，进而得到控制数据，在第一时钟信号和第二时钟信号的作用下，级联后的移位寄存器将其中的串行控制信号转换为并行控制信号并传输给驱动芯片；所述驱动芯片采用ULN2003芯片，该芯片为高耐压、大电流的达林顿阵列，能够对控制信号进行电平转换，采用低电平控制继电器导通可增大信号的驱动能力；驱动芯片的输入端连接移位寄存器的并行输出端，驱动芯片的输出端与继电器的线圈一端相连接，线圈另一端连接12V电源，进而实现继电器线圈是否通电的控制，从而控制继电器触点的闭合和断开；所述继电器的触点为常开触点；所述串并信号转换电路包括n个级联连接的移位寄存器；各移位寄存器的第一时钟输入端接收所述第一时钟信号，第二时钟输入端接收所述第二时钟信号；第一级移位寄存器的串行输入端接收所述串行控制信号，其余n-1级移位寄存器的串行输入端均连接上一级移位寄存器的串行输出端，第n级移位寄存器的串行输出端悬空；下面对本发明涉及到的技术术语进行相关解释：①级联：通过串联的形式将芯片的数据输出管脚与下一个芯片的数据输入管脚相连②串行数据：一位一位按顺序传送的数据，每一时刻只发送或接收一位数据③并行数据：有许多通道，利用这些通道同一时刻可以发送或接收多位数据。

本发明通过串并信号转换电路将控制芯片输出的串行控制信号转化为多路并行控制信号，通过移位寄存器的级联结构实现了IO端口的扩展，节省控制芯片管脚资源，电路布线简单，能够实现多个被控电气部件的控制和驱动，解决了现有农业控制系统占用大量的控制芯片管脚资源而导致IO端口不足的问题，本发明所述IO板卡具有极强的扩展能力，可广泛应用于农业控制系统中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于农业控制系统的多路IO板卡，所述农业控制系统包括输出控制数据的控制芯片和被控电气部件，其特征在于所述IO板卡包括：

连接所述控制芯片，用于接收控制数据的输入端；所述控制数据包括第一时钟信号、第二时钟信号和串行控制信号；

连接所述输入端，用于将串行控制信号转换为并行控制信号的串并信号转换电路；

连接所述串并信号转换电路，用于根据所述并行控制信号驱动继电器电路的驱动电路；

连接所述驱动电路和所述被控电气部件，基于所述并行控制信号实现开关动作，进而控制被控电气部件工作状态的继电器电路。

2.根据权利要求1所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述继电器电路通过输出端与所述被控电气部件相连接。

3.根据权利要求1所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述串并信号转换电路包括n个级联连接的移位寄存器；各移位寄存器的第一时钟输入端接收所述第一时钟信号，第二时钟输入端接收所述第二时钟信号；第一级移位寄存器的串行输入端接收所述串行控制信号，其余n-1级移位寄存器的串行输入端均连接上一级移位寄存器的串行输出端，第n级移位寄存器的串行输出端悬空；各移位寄存器的并行输出端均连接所述驱动电路。

4.根据权利要求3所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述驱动电路包括多个驱动芯片；所述驱动芯片的输入端与所述移位寄存器的并行输出端对应连接；所述驱动芯片的输出端连接所述继电器电路。

5.根据权利要求4所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述继电器电路包括多个继电器；所述继电器的线圈一端连接供电电源，另一端连接所述驱动芯片的一输出端；所述继电器的触点串接在被控电气部件的控制回路中。

6.根据权利要求3所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述移位寄存器为74HC595芯片。

7.根据权利要求4所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述驱动芯片为ULN2003芯片。

8.根据权利要求5所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述继电器线圈两端并联接有由电阻和发光二极管构成的显示支路。

9.根据权利要求5所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于还包括置于所述继电器的触点所在回路中的保险管。

10.根据权利要求2所述的用于农业控制系统的多路IO板卡，其特征在于所述输入端、串并信号转换电路、驱动电路、继电器电路和输出端集成在一印制电路板上。