CN2720793Y - 一种谷物联合收割机自动测产控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种谷物联合收割机自动测产控制系统，包括用于处理数据的中央处理器、一种或一种以上用于获得各种测量数据的传感器、用于获得测量点位置数据的DGPS模块、用于输入数据的输入单元，用于显示信息的显示单元，用于存储数据的存储器，其中，传感器的信号端与中央处理器的输入端连接，DGPS模块通过通信接口与中央处理器连接，输入单元与中央处理器的输入端连接，显示单元通过数据线与中央处理器连接，所述的存储器通过数据线与中央处理器连接；本实用新型可以根据实际的测量要求连接各种传感器，测量精度高；可实时存储数据，并且能够清楚的显示各种处理后的数据，方便用户实时查看信息，操作简单、实用，成本低廉。

Description

一种谷物联合收割机自动测产控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种农业机械技术领域中的自动测产控制系统，尤其是一种谷物联合收割机自动测产控制系统。

背景技术

在精细农业的研究中，从收获入手，通过获取作物产量空间分布差异性信息，研究影响产量的因素是“精细农业”研究中非常重要的工作之一。获得与空间地理位置相对应的产量空间分布图是研究影响产量因素的最原始资料和数据，该数据是进行精细农田管理决策的前提和基础。因此，作物产量是精细农业中需要获取的最重要的信息之一，它集中反映了农田信息，如土壤特性、化肥利用、地形结构、气象因素、灌溉、虫草侵害等对产量的影响。实时获取产量信息和据此得到的产量图是“处方农作”中不可缺少的信息，对产量信息和农田其他时空属性相结合的分析可指导对农田实行“精细农作”。通过产量进行监视可得到产量数据，该产量数据可对合理实施化肥、农药提供指导；根据产量数据得到的产量图还可用于田块的分块管理，并根据产量不同，实施不同的农作生产。

基于上述原因，需要一种可以用来得到产量数据的作物产量监视器，目前国外许多农业设备制造企业都在研制和开发应用于不同农作物的产量监视器。比较著名的公司有Ag Leader、FIELDSTAR、Micro-Trak等。其中，Ag Leader公司的产量监视器已经形成了商品化，该公司推出了功能强大的产品系列：PF3000、PF3000pro、PF advantage和最新型INSIGHT。但是这些产品主要是针对大块、规则的田地设计的，不适合不规则的小块农田使用，而且成本高昂，结构复杂、操作繁琐。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提出一种谷物联合收割机自动测产控制系统，可实时采集各传感器的测量信号，并通过显示终端实时显示采集的数据信息，而且经过存储、处理后，可通过产量图软件生成谷物产量图，用于指导精细农业生产实践。

本实用新型是通过如下的技术方案实现的：

一种谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：包括用于处理数据的中央处理器、一种以上用于获得各种测量数据的传感器、用于获得测量点位置数据的DGPS模块、用于输入数据的输入单元，用于显示信息的显示单元，存储器，其中，一种以上的传感器的信号端分别与中央处理器的输入/输出端连接，DGPS模块通过通信接口与中央处理器连接，输入单元中央处理器的输入输出端连接，显示单元通过数据线与中央处理器连接，所述的存储器通过数据线与中央处理器连接。

所述的传感器包括谷物流量传感器，或谷物含水量传感器，或割台高度传感器，或谷物温度传感器，或地速传感器，或升运器转速传感器，或以上各种传感器的任意组合。

所述的中央处理器扩展有存储器，所述的存储器为数据存储器或程序存储器。

所述的存储器为CF卡，该CF卡通过数据接口与中央处理器连接。

该系统还包括数字信号调理电路，该电路至少包括NPN型三极管和光电耦合器，所述地速传感器或升运器转速传感器的信号输出端通过一驱动电阻与12V电源连接，同时信号输出端通过另一电阻与三极管的基极连接，三极管的发射极与光电耦合器的输入连接，光电耦合器的输出与中央处理器的输入/输出端连接，光电耦合器的电源端与三极管的集电极与12V电源连接。

该光电耦合器的输出还包括一计数器，所述光电耦合器的输出与计数器的输入端连接，计数器的输出与中央处理器的输入/输出端连接。

所述的谷物流量传感器的信号输出端通过高频采集电路的输出端与中央处理器的输入输出端连接。

所述的高频采集电路包括处理器、DA转换器、运算放大器、电压-电流变换器，所述的处理器集成A/D采集单元，以250Hz的采样速率采集谷物流量传感器，经过积分算法处理后输出到DA转换器，经过DA转换器的转换，输出电压信号到运算放大器，经过放大后输入到电压-电流变换器，由电压-电流变换器转换成对应的电流输出到中央处理器的输入输出端。

所述的输入单元为按键或触摸屏。

所述的显示单元为液晶显示器。

本实用新型可以根据实际的测量要求连接各种传感器，并且，针对谷物流量传感器的实际工作情况，通过高频数据采集电路消除了各种干扰信号的影响，使得采集后的输出信号较好的还原真正的流量信号，提高了系统精度；并且，本实用新型可以将系统采集和处理后的数据正确的存储到CF卡中，同时实现了在掉电时能够存储数据，不丢失数据，而且能够在系统重新上电时继续存储数据，且存储的数据文件可以很方便的由PC机读取、处理；采用LCD显示器，可以清楚的显示各种处理后的数据，方便用户实时查看信息，同时，操作简单、实用，成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的组成示意图；

图2为本实用新型实施例的组成示意图；

图3为本实用新型实施例的电路原理图；

图4为本实用新型实施例的高频数据采集电路原理图；

图5为本实用新型实施例的数字信号调理电路；

图6为本实用新型实施例的显示器中显示的主界面；

图7为本实用新型实施例的显示器中显示的参数设置界面；

图8为本实用新型实施例的显示器中显示的采集数据输出界面。

具体实施方式

以下通过具体的实施例和附图对本实用新型的技术方案进行详细的说明。

参见图1，图1为本实用新型的组成示意图，本实用新型包括用于处理数据的中央处理器1、一种以上用于获得各种测量数据的传感器20、21……2n、用于获得测量点位置数据的DGPS模块3、用于输入数据的输入单元4，用于显示信息的显示单元5，用于存储采集及处理后的数据的存储器6，其中，一种以上的传感器20、21……2n的信号端分别与中央处理器1的输入/输出端连接，DGPS模块3通过通信接口与中央处理器1连接，输入单元4与中央处理器1的输入输出端连接，显示单元5通过数据线与中央处理器1连接，所述的存储器6通过数据接口与中央处理器1连接

在本实用新型中，可以连接各种传感器，如谷物流量传感器、谷物含水量传感器、割台高度传感器、谷物温度传感器、地速传感器、升运器转速传感器，根据不同的测量要求，可以是上各种传感器的任意一种，也可以是它们的组合。

当本实用新型工作时，可以实时获取各传感器(谷物流量、谷物含水率、机器前进速度、割台高度、净粮升运器提升速度以及DGPS)的信号，中央处理器1根据这些测量的信号计算谷物单位面积产量，同时向显示单元5传送数字或模拟信号，并根据DGPS模块3接收的GPS信号计算出每一测试点的经纬度值(可通过坐标转换为X、Y坐标)，所有这些信号经过中央处理器1的处理，可通过存储器6记录和存贮这些数据，再经过后续处理，用产量图软件生成谷物产量图，最终用于指导精细农业生产实践。

以下通过谷物联合收割机自动测产控制系统对本实用新型的技术方案进行详细的说明。

参见图2、3，图2为本实用新型实施例的组成示意图，图3为本实用新型实施例的电路原理图。

为了满足基本技术要求，考虑到系统升级的方便，同时降低开发成本，谷物联合收割机自动测产控制系统中使用的中央处理器采用了型号为P80C592的单片机U1。这款微处理器是增强型51系列单片机，它具有开发简单、功能强大、升级方便的特点。它集成了8路10位A/D转换单元，用于满足系统中所要获取是谷物流量、谷物温度、谷物湿度、割台高度这4路模拟信号的输入，这样A/D转换单元在精度和采集通道数目上都能够满足系统的需要，同时又留有扩充的余地。通过外接LT1027 U11用来提供5V的基准电压，向P80C592 U1的A/D转换单元提供5V的参考电压。为了进一步开发时能实现与安装在农业机械上的其它电子控制单元之间的通讯，又兼顾国外同类农业机械中广泛应用的CAN bus标准，P80C592上集成的CAN总线控制器能够很好的实现通讯的要求。

在本实施例中，共使用了谷物流量传感器、谷物温度传感器、谷物湿度传感器、割台高度传感器、升运器转速传感器和地速(机械行走速度)传感器。其中，谷物流量传感器、谷物温度传感器、谷物湿度传感器、割台高度传感器输出的为模拟信号，其信号端分别通过接口U12-U15接入，将电流信号转变为1-5V的电压信号，然后在滤波之后，直接送入单片机U1的A/D转换输入端P5.0、P5.1、P5.2、P5.3。由于谷物流量传感器的采样率(1Hz)低于流量的有效信号(8Hz)；同时，流量信号中含有其他高频干扰信号，为了真实的反映谷物流量，设置了高频数据采集电路。该高频数据采集电路如图4所示，包括型号为ATMEGA128的处理器U4、型号为DAC1230的DA转换器U6、型号为LF356的运算放大器U8、型号为AD694的电压-电流变换器U9，所述的处理器U4集成A/D采集单元，以250Hz的采样速率采集谷物流量传感器，经过积分算法处理后输出到DA转换器U6，经过DA转换器U6的转换，输出电压信号到运算放大器U8，经过放大后输入到电压-电流变换器U9，由电压-电流变换器U9转换成对应的电流输出到单片机U1的输入输出端。由于其采样频率为250Hz，可以正确采集有效的流量信号，同时，在软件设计上采用了积分算法，有效的剔除了高频干扰信号。

升运器转速传感器和地速传感器输出的信号是波形不规则脉冲信号，且它们的驱动能力都很弱，因此在数据采集之前必须加大其驱动能力并整形，同时为了排除数字、模拟电路的相互干扰，一般要将模拟电路部分和数字电路部分隔离。所以在这两个传感器的输出端与中央处理器的输入端之间增加了数字信号调理电路，数字信号调理电路的原理如图5所示，包括驱动电阻R1、三极管Q0、光电耦合器U0，升运器转速传感器通过一驱动电阻R1与12V电源连接，同时信号输出端通过另一电阻R2与三极管Q0的基极连接，三极管Q0的发射极与光电耦合器U0的输入连接，三极管Q0的集电极通过电阻R3、光电耦合器U0的输出通过电阻R4接12V电源。这样，传感器检测的信号经过放大、整形和模数分隔后，由光电耦合器U0的输出端输出。

参见图3，其中接口U19、U20、U21分别用于接传感器，经过各自的数字信号调理电路后，输出到计数器芯片U8的时钟输入端CLK0端，计数器芯片U8的数据端与单片机U1的数据端连接。该芯片每秒计数一次，实现信号的采集。

本实用新型中的三组数字信号调理电路，一组接升运器转速传感器，另一组接地速传感器，第三组用作备用，以便增加类似传感器时使用。

由于系统运行时要记录的数据多且记录时间长，所以系统要求存储介质的容量必须足够大以便能够存储所有采集的数据。本系统选用了CompactFlash(CF)卡作为存储设备，CF卡通过图3中的数据接口J3实现和单片机U1连接。此卡价格便宜、存储空间大，而且能够很方便的被PC读取。卡中存储的数据是ASCII文本格式，方便上位机的读取、处理，74LS32U10是一个或门，用来进行条件判断，当条件成立时，可以执行存储或读取CF卡的操作。此外，系统记录传感器数据时应反映出此刻相应的时间，系统选用时钟芯片DS12C887 U3提供准确的时间信息。

系统为了能够接收GPS信号，需要扩展串口，以满足要求。在本实施例中，系统使用异步接收/发送器PC16552D U2。它带有2路完全相同且独立的串口通道及通用的数据接口，PC16552D U2的两路完全相同且独立的串口通道通过电平转换芯片MAX232 U9扩展了两个RS232接口U17、U18，接口U17用来接受GPS信号，接口U18备用。

在本实施例中，为了扩展程序存储空间和数据存储空间，采用512K电擦写的EPROM-W27C512 U7和256K的RAM-62256 U6实现存储空间扩展，3-8译码器74LS138 U5用来产生有效的地址信号，从而选中相应的芯片，使其工作。

在本实施例中，输入单元与显示单元由一款触摸屏和一个液晶显示屏集成在一起而成，通过它可以输入需要设置的参数，可以显示采集到的数据。单片机U1通过它的串口控制这两个设备，同时为了消除信号传输过程产生的信号衰减和干扰，系统采用RS-485的传输协议，单片机的串行通信端P3.0和P3.1通过MAX488 Y2转换成RS-485通信协议，通过接口U16实现单片机U1和液晶屏、触摸屏之间的数据交换通信协议。系统选用北京金创业公司的KY系列智能液晶终端。终端显示屏型号为KY-C90。它采用9.4英寸、分辨率为640×480、单色的屏幕，带冷阴极荧光灯CCFL背光。之所以采用这款液晶屏是因为它采用半透射半反射原理，可以分别在室内光线和室外强光下使用，能够很好的适应于田间恶劣的环境。终端触摸屏采用日本富士通公司的电阻式触摸屏。它采用强化玻璃底材，耐撞力强，操作压力为15g-150g，分辨率是1024×1024，操作环境的温度0℃-65℃、相对湿度0％-95％RH。这款触摸屏具有超薄、透明度高、分辨率高、使用寿命长等特点，也能够很好的适应于田间操作。在此基础上开发设计了具有方便性、简单化、亲和性的人机操作界面。

图6是系统上电后的界面，为主界面。该界面中显示软件功能类型、版本信息，在界面的下方是五个主要功能切换按钮：主菜单、产量数据、GPS数据、设置、关机。触摸按钮可以直接进入相应的界面。其中，“主菜单”按钮对应系统上电后的开机画面；“GPS数据”按钮对应GPS信息显示界面，在这里显示出接收到的GPS信息，即联合收割机的坐标信息：经度、纬度和速度，这些数据对生成产量图有很重要的作用。“关机”按钮对应关机提示界面，点击“关机”按钮可以正常关闭系统，同时为了防止误操作，设计时增加了一个关机确认界面，提示用户判断是否要进行关机操作。

点击“设置”按钮进入参数设置界面，参见图7。在这里可以对要收获的地块命名，并对收获该地块时所用的每一辆车做标记(车次名)，同时可以根据联合收割机收获时的割幅状态设置相应的割幅宽度。为了方便输入，设计采用了“软键盘”输入方式，屏幕上设计了10个数字、24个字母和小数点，同时还有退格和确定按钮。用户设置时只需直接点击相应的数字和字母就可完成录入。这样设计使得操作简单、方便、直观。

点击“产量数据”按钮进入产量数据显示界面，参见图8。在这里显示了所有传感器采集、处理后的数据。谷物流量项实时显示当前谷物的流量；谷物湿度和温度项分别反映此刻谷物的温湿度；地速项代表联合收割机运行的速度；割台高度是收割机是否工作的状态标志；升运器速度项表明了运送谷物颗粒的升运器转动的速度。此界面的右半部分设计有两个按钮：“产量标定”按钮用来对产量传感器进行静态标定，以提高收获时的测量精度；“开始/停止存储”按钮用来控制系统是否将数据存储到CF卡中。这是个两用按钮，当点击“开始存储”时，系统开始将采集到的数据存储到CF卡中，同时按钮显示变成“停止存储”，再次点击，可以控制停止存储操作。

整个系统界面设计本着操作简单、直观、方便、实用、人性化的原则，很好的满足了实际需要。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：包括用于处理数据的中央处理器、一种或一种以上用于获得测量数据的传感器、用于获得测量点位置数据的DGPS模块、用于输入数据的输入单元，用于显示信息的显示单元，用于存储数据的存储器，其中，所述传感器的信号端与中央处理器的输入端连接，DGPS模块通过通信接口与中央处理器连接，输入单元与中央处理器的输入端连接，显示单元通过数据线与中央处理器连接，所述的存储器通过数据线与中央处理器连接。

2、根据权利要求1所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：所述的存储器为CF卡，该CF卡通过数据接口与中央处理器连接。

3、根据权利要求1所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：所述的中央处理器扩展有存储器，所述的存储器为数据存储器或程序存储器或其组合。

4、根据权利要求1所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：该系统还包括数字信号调理电路，该电路至少包括驱动电阻、NPN型三极管和光电耦合器，所述传感器的信号输出端通过驱动电阻与电源连接，同时信号输出端通过电阻与三极管的基极连接，三极管的发射极与光电耦合器的输入连接，光电耦合器的输出与中央处理器的输入端连接，光电耦合器的电源端、三极管的集电极与电源连接。

5、根据权利要求4所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：该光电耦合器的输出还包括一计数器，所述光电耦合器的输出与计数器的时钟信号输入端连接，计数器的输出与中央处理器的输入端连接。

6、根据权利要求4或5所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：所述的传感器为地速传感器或升运器转速传感器或其组合。

7、根据权利要求1所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：所述的传感器的信号输出端通过高频采集电路与中央处理器的输入/输出端连接，所述的高频采集电路包括处理器、DA转换器、运算放大器、电压-电流变换器，所述的处理器集成A/D采集单元，以250Hz的采样速率采集谷物流量传感器，经过积分算法处理后输出到DA转换器，经过DA转换器的转换，输出电压信号到运算放大器，经过放大后输入到电压-电流变换器，由电压-电流变换器转换成对应的电流输出到中央处理器的输入输出端。

8、根据权利要求7所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：所述的传感器为谷物流量传感器。

9、根据权利要求1所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：所述的输入单元为按键或触摸屏。

10、根据权利要求1所述的谷物联合收割机自动测产控制系统，其特征在于：所述的显示单元为液晶显示器。

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