CN110161912B - 用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器 - Google Patents

用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，包括：电源转换器(1)、MAX485芯片(2)、STC15单片机(3)以及固态继电器(4)；所述电源转换器(1)分别与MAX485芯片(2)及STC15单片机(3)相连，MAX485芯片(2)与STC15单片机(3)相连，STC15单片机(3)与固态继电器(4)相连。本发明的485总线控制，满足了喷灌机多水阀、长距离的要求，本发明的独立发生PWM脉冲，减少了喷灌机主控制器控制任务，降低了整个系统的通信实时性要求。

Description

用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器
技术领域
本发明涉及现代农业技术领域，具体地，涉及一种用于各阀独立脉宽调制控制的大型变量喷灌机的单阀控制器。
背景技术
大型变量喷灌机借助脉宽调制(PWM)变量功能可实现沿桁架方向的按需喷灌。PWM变量喷灌指在喷灌机的各个喷头前处安装水阀，利用调节水阀在一个启闭周期内的占空比实现精确控制灌水量。目前大型喷灌机的变量喷灌采用分区变量控制，即一个分区内的各个水阀为流体控制阀，统一由一个PWM变量控制的电磁水阀进行先导控制。本专利用于实现相邻喷嘴的不同流量变化，即沿桁架方向各个阀均为PWM变量控制的电磁水阀。
流量PWM控制应用常见于农药喷施。如专利文献CN103163871A(申请号201310119356.2)《一种电子式PWM间歇喷雾式变量喷施控制器》中公开公开了一种电子式PWM间歇喷雾式变量喷施控制器。控制器由电源、控制面板、PWM信号发生器、反相器、电磁阀驱动电路、电磁阀、比例溢流阀和比例溢流阀控制电路组成。电磁阀串置在各喷头前端管路中。比例溢流阀一端连喷杆主管路，另一端连药液罐。PWM信号发生器可输出多路频率相同、占空比独立可调的PWM信号，频率和占空比可通过控制面板上的旋钮进行调节。比例溢流阀控制电路根据设定喷雾压力、机组作业速度和当前打开的电磁阀总数对比例溢流阀开度进行调节，维持系统喷雾压力稳定。。
专利文献CN104190574B(申请号：201410353467.4)《一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器》公开了一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，包括控制单元，以及同所述控制单元相连接的外围部件和传感器组单元，具体包括CAN收发电路、RS232/RS485电路、车载电池、按键扫描、DC/DC隔离电源、XC2234L单片机、MultiCAN单元、UART单元、多路PWM生成器、放大保护隔离模块组及电磁阀组、压力传感器、速度传感器、流量传感器，所述多路PWM生成器分别和所述放大保护隔离模块组相连接，所述放大保护隔离模块组分别同电磁阀组相连接。。
相对喷药机，大型喷灌机的阀数量、分布距离有数量级的增长。以五跨喷灌机为例，一般不少于75个阀，单跨不小于45米，总跨度不小于225米。大型喷灌机的跨数、每跨喷头数也视地块和作物有不同的配置。因此实现大型喷灌机的众多水阀的PWM独立控制无法采用类似喷药机的集中式多路流量PWM控制。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器。
根据本发明提供的一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，包括：
电源转换器1、MAX485芯片2、STC15单片机3以及固态继电器4；
所述电源转换器1分别与MAX485芯片2及STC15单片机3相连，MAX485芯片2与STC15单片机3相连，STC15单片机3与固态继电器4相连。
优选地，还包括：供电接口5、通信接口6、水阀接口7以及下载接口8；
供电接口5分别与电源转换器1、固态继电器4及水阀接口7相连，通信接口6与MAX485芯片2相连，下载接口8与STC15单片机3相连。
优选地，所述供电接口5为电源转换器1及固态继电器4供电；
所述电源转换器1为MAX485芯片2及STC15单片机3供电；
MAX485芯片2通过通信接口6连接到外部485总线，STC15单片机3通过MAX485芯片2接收外部指令；
STC15单片机3控制固态继电器4产生PWM脉冲，经水阀接口7控制外部水阀。
优选地，所述STC15单片机3的软件程序包括：初始化程序、指令接收程序以及PWM发出程序。
优选地，所述上电时运行初始化程序：完成硬件初始化，并用缺省值初始化PWM参数，并设置当前状态为关，初始化后启动并同时运行指令接收程序以及PWM发出程序；
指令接收程序：设置PWM发出程序所需的当前状态、PWM参数，初始化PWM生成计时器，以485从站的角色从外部485总线接收指令；
PWM发出程序：按当前状态和PWM状态给PWM脉冲指令引脚赋值，用于启停水阀；
所述PWM脉冲指令引脚指STC15单片机3发出PWM脉冲指令的引脚。
优选地，所述指令接收程序以485从站的角色从外部485总线接收指令，包括：
指令侦听步骤：侦听并接收外部485总线上的广播帧；
指令判断步骤：根据侦听到的广播帧中的站号，判断是否是给本站的指令：若是给本站的指令，则输出接收到的指令，进入指令解读步骤继续执行；若不是给本站指令则，返回指令侦听步骤继续执行；
指令解读步骤：根据接收到的指令，进行指令解读，若指令为关闭PWM而当前状态为关，则返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为关闭PWM而当前状态为开，则设置当前状态为关，然后返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为打开PWM而当前状态为开，则返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为打开PWM而当前状态为关，则设置当前状态为开，并初始化PWM生成计时器，然后返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为调整PWM参数，则修改PWM参数，然后返回指令侦听步骤继续执行。
优选地，所述PWM发出程序则按当前状态和PWM状态给PWM脉冲指令引脚赋值，包括：
判断当前状态为开还是关：若当前状态为关，则输出引脚为低电平，即水阀关闭；
若当前状态为开，且依据PWM生成计时器，则根据PWM参数判断所处PWM状态是启还是停：若PWM状态为启，则输出引脚为高电平，水阀开启；若PWM状态为停，则输出引脚为低电平，水阀关闭。
优选地，STC15单片机3通过下载接口8下载软件程序。
优选地，所述供电接口5的电压大小及交直流方式均与外部水阀相同。
优选地，所述STC15单片机3的发出PWM脉冲指令的PWM脉冲指令引脚直接连接固态继电器4的控制端。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的485总线控制，满足了喷灌机多水阀、长距离的要求；
2、本发明的独立发生PWM脉冲，减少了喷灌机主控制器控制任务，降低了整个系统的通信实时性要求；
3、本发明产生PWM脉冲并直接由固态继电器就地作用到水阀，避免了脉冲信号长距传输的损失和变形；
4、本发明采用与水阀工作相同的供电，自备电源转换减小了外部供电要求；
5、本发明只控制一路固态继电器，STC15单片机单引脚输出能力即可满足，减少了脉冲指令中间放大环节；
6、本发明构成简单，器件成本低，总体体积小，也便于灌封等防水防护处理。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器的结构示意图。
图2为本发明提供的指令接收程序流程示意图。
图3为本发明提供的PWM发出程序流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，包括：
电源转换器、MAX485芯片、STC15单片机以及固态继电器；
所述电源转换器分别与MAX485芯片及STC15单片机相连，MAX485芯片与STC15单片机相连，STC15单片机与固态继电器相连。
具体地，还包括：供电接口、通信接口、水阀接口以及下载接口；
供电接口分别与电源转换器、固态继电器及水阀接口相连，通信接口与MAX485芯片相连，下载接口与STC15单片机相连。
具体地，所述供电接口为电源转换器及固态继电器供电；
所述电源转换器为MAX485芯片及STC15单片机供电；
MAX485芯片通过通信接口连接到外部485总线，STC15单片机通过MAX485芯片接收外部指令；
STC15单片机控制固态继电器产生PWM脉冲，经水阀接口控制外部水阀。
具体地，所述STC15单片机的软件程序包括：初始化程序、指令接收程序以及PWM发出程序。
具体地，所述上电时运行初始化程序：完成硬件初始化，并用缺省值初始化PWM参数，并设置当前状态为关，初始化后启动并同时运行指令接收程序以及PWM发出程序；
指令接收程序：设置PWM发出程序所需的当前状态、PWM参数，初始化PWM生成计时器，以485从站的角色从外部485总线接收指令；
PWM发出程序：按当前状态和PWM状态给PWM脉冲指令引脚赋值，用于启停水阀；
所述PWM脉冲指令引脚指STC15单片机发出PWM脉冲指令的引脚。
具体地，所述指令接收程序以485从站的角色从外部485总线接收指令，包括：
指令侦听步骤：侦听并接收外部485总线上的广播帧；
指令判断步骤：根据侦听到的广播帧中的站号，判断是否是给本站的指令：若是给本站的指令，则输出接收到的指令，进入指令解读步骤继续执行；若不是给本站指令则，返回指令侦听步骤继续执行；
指令解读步骤：根据接收到的指令，进行指令解读，若指令为关闭PWM而当前状态为关，则返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为关闭PWM而当前状态为开，则设置当前状态为关，然后返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为打开PWM而当前状态为开，则返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为打开PWM而当前状态为关，则设置当前状态为开，并初始化PWM生成计时器，然后返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为调整PWM参数，则修改PWM参数，然后返回指令侦听步骤继续执行。
具体地，所述PWM发出程序则按当前状态和PWM状态给PWM脉冲指令引脚赋值，包括：
判断当前状态为开还是关：若当前状态为关，则输出引脚为低电平，即水阀关闭；
若当前状态为开，且依据PWM生成计时器，则根据PWM参数判断所处PWM状态是启还是停：若PWM状态为启，则输出引脚为高电平，水阀开启；若PWM状态为停，则输出引脚为低电平，水阀关闭。
具体地，STC15单片机通过下载接口下载软件程序。
具体地，所述供电接口的电压大小及交直流方式均与外部水阀相同。
具体地，所述STC15单片机的发出PWM脉冲指令的PWM脉冲指令引脚直接连接固态继电器的控制端。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，包括电源转换器1、MAX485芯片2、STC15单片机3以及固态继电器4。与外部通过供电接口5、通信接口6、水阀接口7连接，内含下载接口8。
供电接口5用于从外部为本发明的控制器供电，电压大小与水阀供电相同，交直流方式与水阀供电相同。喷灌机水阀供电常采用直流24V、交流24V。
电源转换器1入口连接供电接口5，输出直流5V，为MAX485芯片2、STC15单片机3供电。电源转换器1按水阀供电类型选用直流降压器件或交流整流降压器件。
MAX485芯片2由通信接口6连接到外部485总线。
STC15单片机3连接MAX485芯片2接收外部指令。其发出PWM脉冲指令的引脚直接连接固态继电器4的控制端。STC15单片机3连接下载接口8，用于软件注入。STC15单片机3内置软件，软件含485通信软件模块和PWM控制软件模块。485通信软件模块以485从站的工作模式接收PWM占空比、频率参数。PWM控制软件模块用于产生PWM脉冲指令。
固态继电器4受控端输入连接供电接口5，受控端输出连接水阀接口7。固态继电器按PWM脉冲指令导通和关闭外部供电，产生PWM脉冲用于控制水阀。固态继电器4按水阀供电类型选用直流控直流或直流控交流类型。
根据本发明提供的一种大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器的使用方法如下：
沿大型喷灌机桁架方向布供电总线和485总线，其中485总线视需要进行中继放大，485主站由喷灌机主控制器担任。在大型喷灌机的各个水阀处均布置一个本发明控制器，将本发明控制器供电接口5和通信接口6接入供电总线和485总线。将水阀连接对应位置的本发明控制器的水阀接口7。
对各水阀上的本发明控制器进行离线从站站点号设置，每个水阀的站点号不同。
喷灌机上电，主水管进水，各水阀上的本发明控制器进入控制状态。由喷灌机主机向各水阀上的本发明控制器发送PWM参数，各水阀上的本发明控制器按PWM参数向水阀发出PWM脉冲。
优选例2：
一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于，包括电源转换器(1)、MAX485芯片(2)、STC15单片机(3)以及固态继电器(4)，与外部通过供电接口(5)、通信接口(6)、水阀接口(7)连接，内含下载接口(8)。
供电接口(5)从外部为本发明的控制器供电。电源转换器(1)为MAX485芯片(2)、STC15单片机(3)供电。
MAX485芯片(2)由通信接口(6)连接到外部485总线。STC15单片机(3)连接MAX485芯片(2)接收外部指令。
STC15单片机(3)内置软件用于485通信和PWM脉冲生成。STC15单片机(3)由下载接口(8)注入软件。STC15单片机(3)控制固态继电器(4)产生PWM脉冲经水阀接口(7)控制外部水阀。
所述的用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于供电接口(5)的电压大小与水阀相同，交直流方式与水阀相同。
所述的用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于STC15单片机(3)发出PWM脉冲指令的引脚直接连接固态继电器(4)的控制端。
所述的用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于固态继电器(4)受控端输入连接供电接口(5)。
STC15内程序分为初始化程序、指令接收程序以及PWM发出程序。
上电时运行初始化程序，完成硬件初始化，并用缺省值初始化PWM参数，并设置当前状态为关。
初始化后启动并同时运行指令接收程序以及PWM发出程序。
如图2所述，指令接收程序设置PWM发出程序所需的当前状态、PWM参数，初始化PWM生成计时器。指令接收程序以485从站的角色从外部485总线接收指令具体流程为
1)侦听并接收485总线上的广播帧；
2)由广播帧中的站号判断是否是给本站的指令，如是给本站的指令则进行指令解读，
如不是给本站指令则返回侦听。
3)如指令为关PWM而当前状态为关，则返回侦听。
4)如指令为关PWM而当前状态为开，则设置当前状态为关，然后返回侦听。
5)如指令为开PWM而当前状态为开，则返回侦听。
6)如指令为开PWM而当前状态为关，则设置当前状态为开，并初始化PWM生成计时
器，然后返回侦听。。
7)如指令为调整PWM参数，则修改PWM参数，然后返回侦听。
如图3所示，PWM发出程序则按当前状态和PWM状态给PWM脉冲指令引脚赋值，用于启停水阀，并无限循环运行。每个循环中
1)如当前状态为关，则输出引脚为低电平，即水阀关闭
2)如当前状态为开，且依据PWM生成计时器，按PWM参数判断所处PWM状态是“启”，还是“停”。如PWM状态为“启”，则输出引脚为高电平，水阀开启；如PWM状态为
“停”，则输出引脚为低电平，水阀关闭
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于，包括：
电源转换器(1)、MAX485芯片(2)、STC15单片机(3)以及固态继电器(4)；
所述电源转换器(1)分别与MAX485芯片(2)及STC15单片机(3)相连，MAX485芯片(2)与STC15单片机(3)相连，STC15单片机(3)与固态继电器(4)相连；
还包括：供电接口(5)、通信接口(6)、水阀接口(7)以及下载接口(8)；
供电接口(5)分别与电源转换器(1)、固态继电器(4)及水阀接口(7)相连，通信接口(6)与MAX485芯片(2)相连，下载接口(8)与STC15单片机(3)相连；
所述供电接口(5)为电源转换器(1)及固态继电器(4)供电；
所述电源转换器(1)为MAX485芯片(2)及STC15单片机(3)供电；
MAX485芯片(2)通过通信接口(6)连接到外部485总线，STC15单片机(3)通过MAX485芯片(2)接收外部指令；
STC15单片机(3)控制固态继电器(4)产生PWM脉冲，经水阀接口(7)控制外部水阀；
所述STC15单片机(3)的软件程序包括：初始化程序、指令接收程序以及PWM发出程序；
所述喷灌机上电时，运行初始化程序：完成硬件初始化，并用缺省值初始化PWM参数，并设置当前状态为关，初始化后启动并同时运行指令接收程序以及PWM发出程序；
指令接收程序：设置PWM发出程序所需的当前状态、PWM参数，初始化PWM生成计时器，以485从站的角色从外部485总线接收指令；
PWM发出程序：按当前状态和PWM状态给PWM脉冲指令引脚赋值，用于启停水阀；
所述PWM脉冲指令引脚指STC15单片机(3)发出PWM脉冲指令的引脚；
所述指令接收程序以485从站的角色从外部485总线接收指令，包括：
指令侦听步骤：侦听并接收外部485总线上的广播帧；
指令判断步骤：根据侦听到的广播帧中的站号，判断是否是给本站的指令：若是给本站的指令，则输出接收到的指令，进入指令解读步骤继续执行；若不是给本站指令则，返回指令侦听步骤继续执行；
指令解读步骤：根据接收到的指令，进行指令解读，若指令为关闭PWM而当前状态为关，则返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为关闭PWM而当前状态为开，则设置当前状态为关，然后返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为打开PWM而当前状态为开，则返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为打开PWM而当前状态为关，则设置当前状态为开，并初始化PWM生成计时器，然后返回指令侦听步骤继续执行；
若指令为调整PWM参数，则修改PWM参数，然后返回指令侦听步骤继续执行。
2.根据权利要求1所述一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于，所述PWM发出程序则按当前状态和PWM状态给PWM脉冲指令引脚赋值，包括：
判断当前状态为开还是关：若当前状态为关，则输出引脚为低电平，即水阀关闭；
若当前状态为开，且依据PWM生成计时器，则根据PWM参数判断所处PWM状态是启还是停：若PWM状态为启，则输出引脚为高电平，水阀开启；若PWM状态为停，则输出引脚为低电平，水阀关闭。
3.根据权利要求2所述一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于，STC15单片机(3)通过下载接口(8)下载软件程序。
4.根据权利要求1所述一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于，所述供电接口(5)的电压大小及交直流方式均与外部水阀相同。
5.根据权利要求1所述一种用于大型变量喷灌机的单阀脉宽调制控制器，其特征在于，所述STC15单片机(3)的发出PWM脉冲指令的PWM脉冲指令引脚直接连接固态继电器(4)的控制端。
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