專利名稱：一種農用多功能變量控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于農業智能裝備領域，涉及一種變量控制器，具體地說是一種配以 相應的作業機具、傳感器及變量執行機構可實現變量施肥、變量噴藥或變量灌溉作業的農 用多功能變量控制器。
背景技術：
施肥、噴藥和灌溉是農作物生長過程中必不可少的耕作環節，直接影響著農產品 的產量和品質。耕作措施不當，不僅增加農產品生產成本，而且會破壞周圍環境的生態平 衡。隨著科技進步，人類生活水平的提高，如何合理應用耕作地塊的土壤特性和地塊周圍的 生產資源，在減少生產投入的情況下增加或維持農產品產量、降低成本、減少環境污染、節 約資源、保護生態平衡已成為近年來國際上農業科學研究的熱點領域，精確農業也即因此 應運而生。精確農業的核心指導思想是對農業變量管理，因地制宜，優質高產。實質是最大限 度地提高科技投入和科學運作對農業增產的貢獻率。目的是實現農業現代化，改變農業的 增產方式。隨著一系列高新技術(如全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、遙感系統 (RS)、專家系統、傳感器技術、自動控制技術和機電一體化技術等)在農業生產中的應用， 使得精確農業在變量控制精度和作業效率方面均取得了前所未有的好成績。但是縱觀整個 精確農業實施過程不難發現作為精確農業實施關鍵技術支持之一的變量控制器相互之間 不具有通用性。即在不同的農作物耕作環節中，采用該類控制器對農作物實施變量管理或 投入，除需配以必要的作業機具外，還需配備專用的變量控制器，如凱斯公司ST820型空氣 輸送式變量施肥播種機、約翰·迪爾公司的“綠色之星”噴藥機以及楊青研究的變量灌溉機 等，均是在施肥機、噴藥機和灌溉機上安裝專用的變量控制器實現變量作業。這樣不但增加 變量作業機的制造成本，也增加了精確農業實施和日后維護成本。不利于精確農業技術的 推廣應用。
發明內容為了克服目前在不同農作物耕作環節中頻繁更換變量控制器的不足，本實用新型 的目的是提供一種農用多功能變量控制器，該多功能變量控制器成本低廉，具有多種類型 輸入輸出接口、良好人機交互界面，可擴展性強，適用于多種耕作環節作業，改善了現有變 量控制器通用性差的問題。能夠實現“一機多用”，在保護環境資源的同時，降低變量作業機 的生產成本，擴大精確農業推廣應用范圍。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的一種農用多功能變量控制器，其特征在于該多功能變量控制器包括中央處理器 及與中央處理器連接的串行數據接口電路、模擬量信號接口電路、數字量信號接口電路、液 晶屏接口電路、觸摸屏接口電路、報警電路、音頻接口電路、看門狗電路和變量執行機構驅 動電路；液晶屏接口電路與液晶顯示屏連接，觸摸屏接口電路與觸摸屏連接，報警電路和音頻接口電路均與揚聲器連接，看門狗電路與數據存儲器連接。本實用新型中，所述的中央處理器采用ARM7系列的S3C44B0X微處理器；所述的數 據存儲器采用64M NAND flash存儲器；所述的變量執行機構驅動電路為PWM脈沖隔離整形 與放大電路、模擬量信號調整放大電路。所述的串行數據接口電路通過D型9針串口與PC機或GPS接收機連接；其中，PC 機將控制器系統程序或處方圖信息載入中央處理器；GPS接收機在GPS定位自動控制模式 下接收GPS通訊信息，對作業機具實現定位和測速。所述的模擬量信號接口電路與壓力傳感器連接，在進行變量噴藥或變量灌溉作業 時，實時檢測藥液管路或水流主管路壓力；所述的數字量信號接口電路與速度傳感器、流量 傳感器連接，在進行推算定位自動控制或手動輸入控制變量施肥作業時，實時測量機具行 進速度和排肥軸轉速；并自動控制或手動輸入控制變量噴藥作業或變量灌溉作業時，實時 檢測機具的作業速度和噴頭噴液量。所述觸摸屏為外接四線電阻式觸摸屏；液晶顯示屏為5寸液晶屏，觸摸屏與觸摸 屏液晶顯示屏配合使用完成控制器作業參數實時顯示及控制面板操作。揚聲器在機具變量作業工作正常時，讀出機具作業位置；在機具變量作業工作異 常時，發出蜂鳴報警聲。所述的變量執行機構驅動電路輸出OV IOV電壓信號和幅值為12V的脈沖信號。 變量執行機構驅動電路與施肥機、噴藥機及灌溉機連接。本實用新型具有變量施肥、變量噴藥和變量灌溉三種作業類型和GPS定位自動控 制、推算定位自動控制、手動輸入控制三種工作模式。是以ARM7系列的S3C44B0X微處理器 為平臺，在UCOS-II操作系統基礎上，使用C語言開發完成。本實用新型中，串行數據接口電路通過D型9針串口與PC機或GPS接收機的串行 接口連接，與PC機連接用于將控制器系統程序或處方圖信息載入中央處理器，與GPS接收 機連接用于GPS定位自動控制模式下接收GPS通訊信息對機具實現定位和測速。模擬量信 號接口電路可外接壓力傳感器，當該控制器進行變量噴藥或變量灌溉作業時，用于實時檢 測噴藥管路壓力或水流主管路壓力，若噴藥管路壓力或水流主管路壓力達不到設定值時啟 動報警系統。數字量信號接口電路與速度傳感器、流量傳感器連接，當該控制器進行推算定 位自動控制或手動輸入控制變量施肥作業時，用于實時測量機具行進速度和排肥軸轉速; 當該控制器進行推算定位自動控制或手動輸入控制變量噴藥作業(或變量灌溉)時，用于 實時檢測機具作業速度和噴頭噴液量。觸摸屏接口電路外接四線電阻式觸摸屏，液晶屏接 口電路連接5寸液晶屏，觸摸屏與液晶屏配合使用完成控制器作業參數實時顯示以及控制 面板操作。報警電路和音頻接口電路均外接揚聲器，當機具變量作業工作正常時，揚聲器讀 出機具作業位置；工作異常時，揚聲器發出蜂鳴報警聲。數據存儲器與看門口電路連接，看 門狗電路與中央微處理器連接，數據存儲器用于存放系統控制程序、決策處方數據和作業 參數“記錄薄.txt”。變量執行機構驅動電路設計集成了 PWM脈沖隔離整形與放大電路、模 擬量信號調整放大電路，可輸出0 IOV電壓信號和幅值為12V的脈沖信號。本實用新型填補了農作物耕作機械變量控制系統作業狀態單一的空白，是一種同 時適用于變量施肥、變量噴藥和變量灌溉作業的變量控制器，有效降低了傳統耕作機械向 智能化控制轉變的成本，有助于精確農業技術推廣與實施。[0016]與現有技術相比，本實用新型成本低廉，具有多種類型輸入輸出接口、良好人機交 互界面，可擴展性強，適用于多種耕作環節作業，改善了現有變量控制器通用性差的問題。 能夠實現“一機多用”，在保護環境資源的同時，降低變量作業機的生產成本，擴大精確農業 推廣應用范圍。

圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的工作流程圖。
具體實施方式
結合附圖及實施方式進一步說明本實用新型。如圖1所示，農用多功能變量控制器由中央處理器1以及外圍的接口電路、驅動電 路組成。其中，串行數據接口電路2 —端接中央處理器1，另一端接9針D型串口用來與PC 機21或GPS接收機22連接。模擬量信號接口電路3 —端與中央處理器1連接，另一端接5 針軍用航空插頭用來與壓力傳感器31連接。數字量信號接口電路4 一端接中央處理器1， 另一端接7針軍用航空插頭用來與速度傳感器41、流量傳感器42連接。觸摸屏接口電路 6 一端接中央處理器1，另一端與四線電阻式觸摸屏61連接。液晶屏接口電路5 —端接中 央處理器1，另一端與5寸IXD液晶顯示屏51連接。變量執行機構驅動電路10 —端接中 央處理器1，另一端與6針軍用航空插頭連接。將以上硬件封裝，制成農用多功能變量控制 器。采用該控制器進行變量控制作業時，操作人員只需通過觸摸屏面板操作，即可選擇該控 制器作業類型和工作模式。如圖2所示，使用農用多功能變量控制器作業，開機后選擇作業類型，本實用新型 提供變量施肥、變量噴藥和變量灌溉三種作業類型供操作人員選擇。當該控制器作業類型 選定后，即進入工作模式選擇界面，同樣有GPS定位自動控制、推算定位自動控制和手動輸 入控制三種工作模式供選擇。下面對該控制器不同作業類型、不同工作模式下的工作過程 做進一步說明。1、變量施肥作業本實用新型設計的農用多功能變量控制器可驅動由拖拉機液壓系統、電液比例 閥、液壓馬達、濾油器和排肥軸組成的液壓無級調速系統完成變量施肥作業。液壓無級調速 系統連接方式為拖拉機液壓系統與濾油器連接，濾油器與電液比例閥連接，電液比例閥與 液壓馬達連接，液壓馬達與排肥軸連接。農用多功能變量控制器與變量施肥機連接方式為 控制器外接的9針串口與GPS接收機連接，6針軍用航空插頭與電液比例閥連接，7針軍用 航空插頭與排肥軸上安裝的測量排肥軸轉速的速度傳感器和施肥機驅動輪上安裝的測量 機具行進速度的測速傳感器連接。當農用多功能變量控制器選擇GPS定位自動控制工作模式實施變量施肥作業時， 該控制器定時采集GPS通訊信號，經中央處理器處理后，識別出變量施肥機作業位置網格 標號，獲取機具行進速度，結合NAND flash存儲器中存放的施肥處方數據，計算并輸出 OV IOV電壓信號控制電液比例閥閥門開度。由于電液比例閥閥門開度與液壓馬達轉速 間存在特定的函數關系，且液壓馬達與排肥軸之間通過齒輪連接，所以通過控制電液比例
5閥閥門開度，即可控制液壓馬達轉速，進而控制排肥軸轉速完成變量施肥作業。當排肥軸經 齒輪帶動旋轉時，該控制器采集排肥軸上安裝的速度傳感器信號，采用欠松弛法對電液比 例閥控制信號進行修正。變量施肥機作業參數實時記錄于NAND flash存儲器內的“記錄 薄.txt”文件中。當農用多功能變量控制器選擇推算定位自動控制工作模式進行變量施肥作業時， 該控制器采集安裝于拖拉機驅動輪上的測速傳感器信號，測量該施肥機行進速度，計算施 肥機作業距離，推算出施肥機所處的網格位置，獲得作業位置網格標號，中央處理器依據此 標號讀取NAND flash存儲器中存放的施肥處方數據，并根據施肥量、機具速度、排肥軸轉速 和電液比例閥控制信號間函數關系，計算輸出電壓信號控制電液比例閥閥門開度，完成變 量施肥作業。同時，該控制器接收排肥軸轉速反饋信息對電液比例閥的控制信號進行修正， 機具作業參數實時記錄于NAND flash存儲器內的“記錄薄.txt”文件中。當農用多功能變量控制器選擇手動輸入控制工作模式進行變量施肥作業時，操作 人員根據耕作地塊土壤特性，手動輸入施肥量信息，該控制器采集地輪速度傳感器和排肥 軸轉速測量傳感器信號，測得的機具行進速度和排肥軸轉速，根據施肥量、機具速度、排肥 軸轉速和電液比例閥控制信號間函數關系，計算并輸出控制電液比例閥的電壓信號，實現 變量施肥作業。2、變量噴藥作業本實用新型設計的農用多功能變量控制器可驅動由電動調節閥、藥箱、藥泵、噴頭 和噴藥管路等組成的旁路控制變量噴藥機完成變量噴藥作業。旁路控制變量噴藥機各器件 連接方式為藥箱通過高壓油管與藥泵入口連接，藥泵出口處分為兩路，一路串接一個安全 閥后與藥箱連接；另一路串接溢流閥、過濾器和蓄能器形成主噴藥管路。主噴藥管路在噴桿 入口處分支成出水管和旁路回流管，出水管依次連接有流量傳感器、壓力傳感器和噴桿噴 頭，旁路回流管連通藥箱，電動調節閥安裝于旁路回流管上。農用多功能變量控制器與旁路 控制變量噴藥機連接方式為控制器外接的9針串口與GPS接收機連接，6針軍用航空插頭 與電動調節閥連接，7針軍用航空插頭與變量噴藥機驅動輪上安裝的速度傳感器、噴藥管路 上安裝的流量傳感器連接，5針軍用航空插頭與噴藥管路上連接的壓力傳感器連接。當農用多功能變量控制器選擇GPS定位自動控制工作模式進行變量噴藥作業時， 該控制器接受GPS信號識別機具作業位置網格標號，獲取NAND flash中存放的噴藥處方數 據，結合GPS接收機測得的機具行進速度，計算輸出電壓信號控制電動調節閥開口大小，通 過控制旁路回流管對主噴藥管路中藥液的回流量控制噴頭噴藥量。同時，中央處理器實時 監測噴頭噴藥量信息，比較噴頭噴藥量設定值與檢測值間的偏差，修正電動調節閥的控制 信號，作業參數自動記錄于NAND flash存儲器中的“記錄薄.txt”文件中。此外，噴藥系 統中安裝的壓力傳感器用于檢測噴藥管路壓力信息，該信息作為報警器啟動條件，當噴藥 管路因藥箱缺藥或藥泵工作異常致使噴藥管路壓力檢測值與設定值不否時，啟動蜂鳴報警
ο當農用多功能變量控制器選擇推算定位自動控制工作模式進行變量噴藥作業時， 該控制器采集安裝于拖拉機驅動輪上的速度傳感器信號，測量噴藥機行進速度及作業距 離，推算噴藥機所處的網格標號，獲取NAND flash存儲器中存放的噴藥處方數據。中央處 理器根據噴藥處方數據、機具速度和電動調節閥控制信號間函數關系，計算輸出控制電動調節閥開口大小的電壓信號，完成變量噴藥作業。并在噴頭噴液量反饋信號修正電動調節 閥控制信號的基礎上，采用壓力傳感器實時監測噴藥管路壓力變化，監測數據實時記錄于 NAND flash存儲器中的“記錄薄.txt”文件中。當農用多功能變量控制器選擇手動輸入控制工作模式進行變量噴藥作業時，該控 制器采集速度傳感器信號測量機具速度，結合手動輸入的噴藥量信息，計算、輸出電壓控制 電動調節閥開口。同理，采用流量傳感器檢測值修正電動調節閥的控制信號，壓力傳感器實 時檢測噴藥管路壓力，其檢測數據記錄于NANDflash存儲器內。3、變量灌溉作業本實用新型設計的農用多功能變量控制器可驅動由水箱、溢流閥、電磁閥、流量傳 感器、壓力傳感器、噴頭和水流管路等組成的變量灌溉機完成變量灌溉作業。變量灌溉機 各元件連接方式為水箱出口與水流主管路入口連接，水流主管路出口分為兩路，即出水管 路和回水管路。出水管路串接流量傳感器、電磁閥和噴頭，回水管路串接溢流閥后與水箱連 接，壓力傳感器安裝于水流主管路上。農用多功能變量控制器與變量灌溉機連接方式為控 制器外接的9針串口與GPS接收機連接，6針軍用航空插頭與電磁閥連接，7針軍用航空插 頭與灌溉機驅動輪上安裝的速度傳感器和出水管路上安裝的流量傳感器連接，5針軍用航 空插頭與壓力傳感器連接。當農用多功能變量控制器選擇GPS定位自動控制工作模式進行變量灌溉作業時， 該控制器定時采集GPS信號對灌溉機進行定位和測速，通過網格識別算法獲得變量灌溉 機作業位置網格標號，讀取NAND flash存儲器中存放的灌溉用水處方數據，計算并輸出 相應占空比脈沖信號控制電磁閥開合頻率，完成變量灌溉作業，作業參數實時記錄于NAND flash存儲器內中的“記錄薄.txt”文件中。當農用多功能變量控制器選擇變量灌溉作業 類型時，該控制器的反饋信號為流量傳感器檢測信號，蜂鳴報警器啟動信號為壓力傳感器 檢測信號。當農用多功能變量控制器選擇推算定位自動控制工作模式進行變量灌溉作業時， 該控制器采集安裝于拖拉機驅動輪上的測速傳感器信號對灌溉機進行測速，中央處理器以 此為據自動推算出灌溉機作業位置網格標號，讀取NANDflash存儲器中存放的灌溉用水處 方數據，并根據灌溉用水量、機具速度、電磁閥控制信號以及流量反饋信號間函數關系，計 算輸出相應的脈沖信號控制電磁閥開合頻率，完成變量灌溉作業。當農用多功能變量控制器選擇手動輸入控制工作模式進行變量灌溉作業時，操作 人員根據灌溉地塊含水量特性，手動輸入灌溉用水量信息，該控制器結合速度傳感器測得 的機具速度信息以及流量傳感器檢測的反饋信息，計算并輸出控制電磁閥開合頻率的脈沖 信號，實現變量灌溉作業。本實用新型能同時適用于變量施肥、變量噴藥和變量灌溉作業，有效降低了傳統 耕作機械向智能化控制轉變的成本，成本低廉；而且本實用新型具有多種類型輸入輸出接 口、良好人機交互界面，可擴展性強，適用于多種耕作環節作業，改善了現有變量控制器通 用性差的問題，能夠實現“一機多用”，在保護環境資源的同時，降低變量作業機的生產成 本，擴大精確農業推廣應用范圍。
權利要求一種農用多功能變量控制器，其特征在于該多功能變量控制器包括中央處理器(1)及與中央處理器(1)連接的串行數據接口電路(2)、模擬量信號接口電路(3)、數字量信號接口電路(4)、液晶屏接口電路(5)、觸摸屏接口電路(6)、報警電路(7)、音頻接口電路(8)、看門狗電路(9)和變量執行機構驅動電路(10)；液晶屏接口電路(5)與液晶顯示屏(51)連接，觸摸屏接口電路(6)與觸摸屏(61)連接，報警電路(7)和音頻接口電路(8)均與揚聲器(71)連接，看門狗電路(9)與數據存儲器(91)連接。
2.根據權利要求1所述的農用多功能變量控制器，其特征在于所述的中央處理器(1) 采用ARM7系列的S3C44B0X微處理器；所述的數據存儲器(91)采用64M NAND flash存儲 器；所述的變量執行機構驅動電路(10)為PWM脈沖隔離整形與放大電路、模擬量信號調整 放大電路。
3.根據權利要求1所述的農用多功能變量控制器，其特征在于所述的串行數據接口 電路⑵通過D型9針串口與PC機(21)或GPS接收機(22)連接。
4.根據權利要求1所述的農用多功能變量控制器，其特征在于所述的模擬量信號接 口電路⑶與壓力傳感器(31)連接；所述的數字量信號接口電路⑷與速度傳感器(41)、 流量傳感器(42)連接。
5.根據權利要求1所述的農用多功能變量控制器，其特征在于所述觸摸屏(61)為外 接四線電阻式觸摸屏；液晶顯示屏(51)為5寸液晶屏。
6.根據權利要求1所述的農用多功能變量控制器，其特征在于所述的變量執行機構 驅動電路(10)輸出OV IOV電壓信號和幅值為12V的脈沖信號。
7.根據權利要求1所述的農用多功能變量控制器，其特征在于變量執行機構驅動電 路(10)與施肥機、噴藥機及灌溉機連接。
專利摘要本實用新型公開了一種農用多功能變量控制器，包括中央處理器及與中央處理器連接的串行數據接口電路、模擬量信號接口電路、數字量信號接口電路、液晶屏接口電路、觸摸屏接口電路、報警電路、音頻接口電路、看門狗電路和變量執行機構驅動電路；液晶屏接口電路與液晶顯示屏連接，觸摸屏接口電路與觸摸屏連接，報警電路和音頻接口電路均與揚聲器連接，看門狗電路與數據存儲器連接。本實用新型具有變量施肥、變量噴藥、變量灌溉三種作業類型和GPS定位自動控制、推算定位自動控制和手動輸入控制三種工作模式。本實用新型成本低廉，適用于多種耕作環節作業。
文檔編號A01G25/16GK201741006SQ2010202574
公開日2011年2月9日 申請日期2010年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者張書慧, 王麗霞, 陳加國, 陳宏 申請人:南京工業職業技術學院