CN105940867B - 林果振动采收动态信号检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种林果振动采收的动态信号检测系统，包括主处理模块、振动采集模块、电源供能模块﹑USB串口模块﹑数据存储模块、数据传输模块；其中，主处理模块通过IIC接口与振动采集模块相连，将振动采集模块采集到的振动信号进行IIC转存处理，然后通过SPI接口将处理后的振动数据存储到数据存储模块中；电源供能模块为整个系统提供工作电压；数据存储模块通过数据传输模块向上位机传输数据；主处理模块通过与USB串口模块与上位机相连。本发明系统结构简单，便于制作、故障率低、便于推广；可实现有效获取振动采收过程中果实的振动大小、及碰撞等情况，为开发高效低损伤的振动采收设备提供技术支撑。

Description

林果振动采收动态信号检测系统
技术领域
本发明涉及一种振动信号检测系统，尤其是涉及一种林果振动采收的动态信号检测系统。
背景技术
近年来中国林果年产量约为26142.24万吨，占世界总产值的15.2％，其中将近一半的果品在采摘之后直接进入鲜果市场。但是较低的人工采摘生产率以及高昂的劳动成本却是现阶段林果产业发展所面临的严峻挑战，而应对此种挑战的关键在于大力发展机械化收获技术。
在全面推广林果机械化采摘技术的同时，采摘机在收获过程中对林果的冲击损伤始终是关注的重点。随着现代农业的发展，冲击损伤已经成为影响林果产业经济发展的重要影响因素，所以，对果实在采收过程中的振动进行检测具有重要意义。
以往研究大多针对树体内振动能量的传递规律作了大量分析与实验，通过在树体上布置加速度传感器，获得树体不同位置的振动情况，或者将传感器布置在果实上进行振动检测，但是当果实质量较小或传感器质量较大时会影响检测结果，导致测试结果偏离实际情况。而且大量布置传感器不仅提高了使用成本也降低了可操作性，需要依靠专业人员，不利于普及。
发明内容
本发明克服上述背景技术中存在的不足，提供一种林果振动采收的动态信号检测系统，该系统的传感器包裹在与果实大小相当的壳体中，模拟果实在树上的挂接情况，通过传感器检测振动信号后进行数据存储，最后发送到上位机进行分析，评测采收机的冲击振动性能，合理选用采收设备，降低果实采收瘀青率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种林果振动采收的动态信号检测系统，包括主处理模块、振动采集模块、电源供能模块﹑USB串口模块﹑数据存储模块、数据传输模块；其中，主处理模块通过IIC接口与振动采集模块相连，将振动采集模块采集到的振动信号进行IIC转存处理，然后通过SPI接口将处理后的振动数据存储到数据存储模块中；电源供能模块分别与振动采集模块、主处理模块、数据存储模块相连接；数据存储模块通过数据传输模块向上位机传输数据；主处理模块通过与USB串口模块与上位机相连。
进一步的，所述主处理模块为主处理芯片U4、复位电路、电容C8；所述复位电路包括电阻R21、电容C5和复位开关S1；所述电阻R21的一端与电源供能模块相连；电阻R21的另一端、复位开关S1的一端和电容C5的一端均与主处理芯片U4的复位引脚相连；所述复位开关S1的另一端和电容C5的另一端均接地；主处理芯片U4的单片机基准电压外部输入引脚﹑接入电路电压引脚、正模拟电源电压引脚和电容C8的一端均与电源供能模块相连；电容C8的另一端和主处理芯片U4的接地引脚均接地。
进一步的，所述振动采集模块包括振动采集芯片U5、电阻R23﹑电阻R24、电容C12；其中，所述振动采集芯片U5的电源输入引脚和片选引脚以及电容C12一端均与电源供能模块相连；振动采集芯片U5的第一中断引脚和主处理芯片U4的第一模拟中断引脚相连，振动采集芯片U5的第二中断引脚和主处理芯片U4的第二模拟中断引脚相连；振动采集芯片U5的IIC串行时钟引脚分别与主处理芯片U4的IIC串行时钟引脚和电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端与电源供能模块相连；振动采集芯片U5的IIC串行数据输入引脚分别与主处理芯片U4的IIC串行数据输入引脚和电阻R24的一端相连，电阻RS24的另一端与电源供能模块相连；电容C12的另一端、振动采集芯片U5的串行数据输出引脚和振动采集芯片U5的接地引脚均接地。
进一步的，所述数据存储模块包括数据存储芯片J1﹑电阻R18﹑电阻R19和电阻R20；所述数据存储芯片J1的卡检测/片选引脚与电阻R18的一端相连；数据存储芯片J1的第二数据连接引脚与电阻R19的一端相连；数据存储芯片J1的第一数据连接引脚与电阻R20的一端相连；电阻R18的另一端、电阻R19的另一端和电阻R20的另一端均与电源供能模块相连；所述数据存储芯片J1的器件内部工作电压引脚接电源供能模块；数据存储芯片J1的时钟引脚与主处理芯片U4的时钟信号引脚相连；数据存储芯片J1的数据输出引脚与主处理芯片U4的主机输入相连；数据存储芯片J1的命令/响应引脚与主处理芯片U4的主机输出引脚相连；数据存储芯片J1的电源公共接地引脚、卡检测引脚和一个GROUND引脚均与接地；数据存储芯片J1的卡检测/片选引脚与主处理芯片U4的关机/同步控制引脚相连。
进一步的，所述的USB串口模块包括插头J2﹑接口转换芯片U6﹑电阻R22﹑电阻R25﹑电阻R26﹑电阻R27﹑电容C6﹑电容C7﹑电容C9﹑电容C10﹑电容C11以及晶振Y1；所述电容C9的一端与晶振Y1的一端相连后接接口转换芯片U6的第一晶振引脚；所述电容C7的一端与晶振Y1的另一端相连后接接口转换芯片U6的第二晶振引脚；电容C9的另一端和电容C7的另一端均接地；接口转换芯片U6的锁相环测试模式控制引脚﹑模拟地锁相环引脚以及接地引脚均接地；电容C10的一端接地，另一端与接口转换芯片U6的5V供电引脚相连后接插头J2的电源输入引脚；所述电容C11的一端接地，另一端与接口转换芯片U6的3.3V电源输入引脚相连后接电源供能模块；接口转换芯片U6的数据负极引脚与电阻R25一端相连，电阻R25的另一端与插头J2的数据负极引脚相连；接口转换芯片U6的数据正极引脚与电阻R26一端相连，电阻R26的另一端与电阻R27的一端相连后与插头J2的数据负极引脚相连；电阻R27的另一端接电源供能模块；接口转换芯片U6的发送数据引脚与主处理芯片U4的接收数据引脚相连；接口转换芯片U6的串行信号电源引脚、电阻R22一端以及电容C6的一端均接电源供能模块；电容C6的另一端接地，电阻R22的另一端与接口转换芯片U6的接收数据引脚相连后接主处理芯片U4的发送数据引脚；插头J2的电源公共接地引脚接地。
进一步的，所述电源供能模块为SR416SW锂电池。
进一步的，所述数据传输模块为SD读卡器。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
1、基于该技术可实现有效获取振动采收过程中果实的振动大小、及碰撞等情况，为开发高效低损伤的振动采收设备提供技术支撑；
2﹑林果振动采收的动态信号检测系统结构简单，便于制作、故障率低、便于推广；
3﹑采用的数据存储模块使采集到的数据更安全可靠地得到保存，方便上位机分析。
附图说明
图1是本发明林果振动采收的动态信号检测系统的结构示意图；
图2是本发明林果振动采收的动态信号检测系统的主处理芯片结构示意图；
图3是本发明林果振动采收的动态信号检测系统的振动采集模块结构示意图；
图4是本发明林果振动采收的动态信号检测系统的数据存储模块结构示意图；
图5是本发明林果振动采收的动态信号检测系统的USB串口模块结构示意图；
图6是本发明林果振动采收的动态信号检测系统的电源供能模块结构示意图；
图7是本发明林果振动采收的动态信号检测系统的程序工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种林果振动采收的动态信号检测系统，包括主处理模块、振动采集模块、电源供能模块﹑USB串口模块﹑数据存储模块、数据传输模块；其中，主处理模块通过IIC接口与振动采集模块相连，且又通过SPI接口与数据存储模块连接；电源供能模块分别与振动采集模块、主处理模块、数据存储模块相连接；数据存储模块通过数据传输模块向上位机传输数据；主处理模块通过与USB串口模块与上位机相连。
如图2所示，主处理模块为主处理芯片U4和复位电路；所述复位电路包括电阻R21、电容C5和复位开关S1；所述电阻R21的一端与电源供能模块相连；电阻R21的另一端、复位开关S1的一端和电容C5的一端均与主处理芯片U4的复位引脚(引脚29)相连；所述复位开关S1的另一端和电容C5的另一端均接地。主处理芯片U4的单片机基准电压外部输入引脚(引脚20)﹑2个接入电路电压引脚(引脚4和引脚6)、正模拟电源电压引脚(引脚18)和电容C8的一端均与电源供能模块相连；电容C8的另一端和主处理芯片U4的三个接地引脚(引脚3﹑引脚5和引脚21)均接地。主处理芯片U4可以采用Atmel Corporation公司ATmega328P-AU型号的产品，但不限于此。
如图3所示，所述振动采集模块包括振动采集芯片U5、电阻R23﹑电阻R24、电容C12；其中，所述振动采集芯片U5的电源输入引脚(引脚6)和片选引脚(引脚7)以及电容C12一端均与电源供能模块相连；振动采集芯片U5的第一中断引脚(引脚8)和主处理芯片U4的第一模拟中断引脚(引脚32)相连，振动采集芯片U5的第二中断引脚(引脚9)和主处理芯片U4的第二模拟中断引脚(引脚1)相连；振动采集芯片U5的IIC串行时钟引脚(引脚14)与主处理芯片U4的IIC串行时钟引脚(引脚28)和电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端与电源供能模块相连；振动采集芯片U5的IIC串行数据输入引脚(引脚13)分别与主处理芯片U4的IIC串行数据输入引脚(引脚27)和电阻R24的一端相连，电阻RS24的另一端与电源供能模块相连；电容C12的另一端、振动采集芯片U5的串行数据输出引脚(引脚12)和振动采集芯片U5的接地引脚(引脚2﹑引脚4和引脚5)均接地。振动采集芯片U5可以采用ADI公司ADXL345型号的产品，但不限于此。
如图4所示，所述数据存储模块包括数据存储芯片J1﹑电阻R18﹑电阻R19和电阻R20；所述数据存储芯片J1的卡检测/片选引脚(引脚2)与电阻R18的一端相连；数据存储芯片J1的第二数据连接引脚(引脚1)与电阻R19的一端相连；数据存储芯片J1的第一数据连接引脚(引脚8)与电阻R20的一端相连；电阻R18的另一端、电阻R19的另一端和电阻R20的另一端均与电源供能模块相连；所述数据存储芯片J1的器件内部工作电压引脚(引脚4)接电源供能模块；数据存储芯片J1的时钟引脚(引脚5)与主处理芯片U4的时钟信号引脚(引脚17)相连；数据存储芯片J1的数据输出引脚(引脚7)与主处理芯片U4的主机输入引脚(引脚16)相连；数据存储芯片J1的命令/响应引脚(引脚3)与主处理芯片U4的主机输出引脚(引脚15)相连；数据存储芯片J1的电源公共接地引脚(引脚6)、卡检测引脚(引脚9)和一个GROUND引脚(引脚10)均与接地；数据存储芯片J1的卡检测/片选引脚(引脚2)与主处理芯片U4的关机/同步控制引脚(引脚14)相连。数据存储芯片J1可以采用深圳市天士凯电子有限公司TF1型号的产品，但不限于此。
如图5所示，所述的USB串口模块包括插头J2﹑接口转换芯片U6﹑电阻R22﹑电阻R25﹑电阻R26﹑电阻R27﹑电容C6﹑电容C7﹑电容C9﹑电容C10﹑电容C11以及晶振Y1；所述电容C9的一端与晶振Y1的一端相连后接接口转换芯片U6的第一晶振引脚(引脚27)；所述电容C7的一端与晶振Y1的另一端相连后接接口转换芯片U6的第二晶振引脚(引脚28)；电容C9的另一端和电容C7的另一端均接地；接口转换芯片U6的锁相环测试模式控制引脚(引脚26)﹑模拟地锁相环引脚(引脚25)以及接地引脚(引脚21﹑引脚18和引脚7)均接地；电容C10的一端接地，另一端与接口转换芯片U6的5V供电引脚(引脚20)相连后接插头J2的电源输入引脚(引脚1)；所述电容C11的一端接地，另一端与接口转换芯片U6的3.3V电源输入引脚(引脚17)相连后接电源供能模块；接口转换芯片U6的数据负极引脚(引脚16)与电阻R25一端相连，电阻R25的另一端与插头J2的数据负极引脚(引脚2)相连；接口转换芯片U6的数据正极引脚(引脚15)与电阻R26一端相连，电阻R26的另一端与电阻R27的一端相连后与插头J2的数据正极引脚(引脚3)相连；电阻R27的另一端接电源供能模块；接口转换芯片U6的发送数据引脚(引脚1)与主处理芯片U4的接收数据引脚(引脚30)相连；接口转换芯片U6的串行信号电源引脚(引脚4)、电阻R22一端以及电容C6的一端均接电源供能模块；电容C6的另一端接地，电阻R22的另一端与接口转换芯片U6的接收数据引脚(引脚5)相连后接主处理芯片U4的发送数据引脚(引脚31)；插头J2的电源公共接地引脚(引脚5)接地。接口转换芯片U6可以采用FROLIFIC公司PH2303HX型号的产品，但不限于此。
如图6所示，所述电源供能模块为SR416SW锂电池，提供3.3V电压。所述数据传输模块为SD读卡器。所述程序存储模块为型号为AT24C08的EEPROM存储。
本发明的工作过程如下：
当整个系统上电之后，Arduino主处理模块首先对自身进行IIC数据通讯模式的串口传输初始化，进而进行ADXL345传感器的功能参数初始化，具体包括传感器的测量范围﹑分辨率﹑灵敏度等；当初始化完成后则从主函数开始执行主程序对SD卡进行初始化，失败则返回到主函数入口重新向下执行，成功则开始控制传感器进行振动数据检测，这时候程序跳转到循环函数入口，通过总线向X﹑Y﹑Z三轴写入程序开使控制三轴进行数据采集，采集过程中ADXL345传感器不断向Arduino主处理模块通过wire发送字节数据，通过检测程序专有数组进行存储完成对X﹑Y﹑Z三各方向的加速度数据检测；检测到数据后程序会继续向下执行数据保存指令，即在SD存储模块中建立名称为datalog.txt的文本通过SPI数据传输协议把已检测到的数据保存在txt文本当中，完成一个周期的检测与保存，此时程序跳出循环函数重新从主函数开始完成下一个周期的检测。
如图7所示，为林果振动采收的动态信号检测系统的工作流程图。初始化系统，包括IIC通讯﹑传感器参数设置等，之后进一步完成对SD卡的初始化。如果初始化失败则返回到上一步的程序初始化重新向下执行，成功则向下执行主程序的振动数据检测程序，然后进行数据保存，执行完后返回主函数。

Claims (3)

1.一种林果振动采收的动态信号检测系统，其特征在于，包括主处理模块、振动采集模块、电源供能模块﹑USB串口模块﹑数据存储模块、数据传输模块；其中，主处理模块通过IIC接口与振动采集模块相连，将振动采集模块采集到的振动信号进行IIC转存处理，然后通过SPI接口将处理后的振动数据存储到数据存储模块中；电源供能模块分别与振动采集模块、主处理模块、数据存储模块相连接；数据存储模块通过数据传输模块向上位机传输数据；主处理模块通过与USB串口模块与上位机相连；
所述主处理模块为主处理芯片U4、复位电路、电容C8；所述复位电路包括电阻R21、电容C5和复位开关S1；所述电阻R21的一端与电源供能模块相连；电阻R21的另一端、复位开关S1的一端和电容C5的一端均与主处理芯片U4的复位引脚相连；所述复位开关S1的另一端和电容C5的另一端均接地；主处理芯片U4的单片机基准电压外部输入引脚﹑接入电路电压引脚、正模拟电源电压引脚和电容C8的一端均与电源供能模块相连；电容C8的另一端和主处理芯片U4的接地引脚均接地；
所述振动采集模块包括振动采集芯片U5、电阻R23﹑电阻R24、电容C12；其中，所述振动采集芯片U5的电源输入引脚和片选引脚以及电容C12一端均与电源供能模块相连；振动采集芯片U5的第一中断引脚和主处理芯片U4的第一模拟中断引脚相连，振动采集芯片U5的第二中断引脚和主处理芯片U4的第二模拟中断引脚相连；振动采集芯片U5的IIC串行时钟引脚分别与主处理芯片U4的IIC串行时钟引脚和电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端与电源供能模块相连；振动采集芯片U5的IIC串行数据输入引脚分别与主处理芯片U4的IIC串行数据输入引脚和电阻R24的一端相连，电阻RS24的另一端与电源供能模块相连；电容C12的另一端、振动采集芯片U5的串行数据输出引脚和振动采集芯片U5的接地引脚均接地；
所述数据存储模块包括数据存储芯片J1﹑电阻R18﹑电阻R19和电阻R20；所述数据存储芯片J1的卡检测/片选引脚与电阻R18的一端相连；数据存储芯片J1的第二数据连接引脚与电阻R19的一端相连；数据存储芯片J1的第一数据连接引脚与电阻R20的一端相连；电阻R18的另一端、电阻R19的另一端和电阻R20的另一端均与电源供能模块相连；所述数据存储芯片J1的器件内部工作电压引脚接电源供能模块；数据存储芯片J1的时钟引脚与主处理芯片U4的时钟信号引脚相连；数据存储芯片J1的数据输出引脚与主处理芯片U4的主机输入相连；数据存储芯片J1的命令/响应引脚与主处理芯片U4的主机输出引脚相连；数据存储芯片J1的电源公共接地引脚、卡检测引脚和一个GROUND引脚均与接地；数据存储芯片J1的卡检测/片选引脚与主处理芯片U4的关机/同步控制引脚相连；
所述的USB串口模块包括插头J2﹑接口转换芯片U6﹑电阻R22﹑电阻R25﹑电阻R26﹑电阻R27﹑电容C6﹑电容C7﹑电容C9﹑电容C10﹑电容C11以及晶振Y1；所述电容C9的一端与晶振Y1的一端相连后接接口转换芯片U6的第一晶振引脚；所述电容C7的一端与晶振Y1的另一端相连后接接口转换芯片U6的第二晶振引脚；电容C9的另一端和电容C7的另一端均接地；接口转换芯片U6的锁相环测试模式控制引脚﹑模拟地锁相环引脚以及接地引脚均接地；电容C10的一端接地，另一端与接口转换芯片U6的5V供电引脚相连后接插头J2的电源输入引脚；所述电容C11的一端接地，另一端与接口转换芯片U6的3.3V电源输入引脚相连后接电源供能模块；接口转换芯片U6的数据负极引脚与电阻R25一端相连，电阻R25的另一端与插头J2的数据负极引脚相连；接口转换芯片U6的数据正极引脚与电阻R26一端相连，电阻R26的另一端与电阻R27的一端相连后与插头J2的数据负极引脚相连；电阻R27的另一端接电源供能模块；接口转换芯片U6的发送数据引脚与主处理芯片U4的接收数据引脚相连；接口转换芯片U6的串行信号电源引脚、电阻R22一端以及电容C6的一端均接电源供能模块；电容C6的另一端接地，电阻R22的另一端与接口转换芯片U6的接收数据引脚相连后接主处理芯片U4的发送数据引脚；插头J2的电源公共接地引脚接地。
2.根据权利要求1所述的林果振动采收的动态信号检测系统，其特征在于，所述电源供能模块为SR416SW锂电池。
3.根据权利要求1所述的林果振动采收的动态信号检测系统，其特征在于，所述数据传输模块为SD读卡器。
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