插秧機無線監控系統硬件電路的設計

摘要：為實現插秧機的無人駕駛和數據采集，對插秧機的無線監控系統電路進行了設計。系統主要由中央處理單元、傳感器檢測單元、插秧機控制單元、無線數據傳輸單元及上位機控制單元等5部分組成。中央處理單元主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，采集并處理傳感器檢測單元檢測到的插秧機相關參數；插秧機控制單元依據中央處理單元的命令控制插秧機行駛與工作；無線數據傳輸單元用于與上位機控制單元通訊；上位機控制單元通過RS232與PC機相連。試驗結果表明，通過此系統能遠程實時采集插秧機的狀態參數，并實現插秧機的遙控行駛。

關鍵詞：插秧機；無線監控系統；電路設計

中圖分類號：S223.91 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）21-5322-04

Hardware Circuit Design of Rice Transplanter Wireless Monitoring System

XIAO Ming-tao，SUN Song-lin，JIANG Ping，LUO Ya-hui

（College of Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract： Aiming to achieve the manless driving and data collection on rice transplanter， a wireless remote monitoring system used in rice transplanter had been designed. The system was composed of the central processing unit， the sensors detecting unit， the rice transplanter controlling unit， the wireless data transmission unit， and the upper-computer controlling unit. The central processing unit， using MCU STC12C5A60S2， collected and processed data from sensor detecting unit. The transplanter control unit was controlled according to the command of the central processing unit. The wireless data transmission unit was used for communication with the upper-computer controlling unit， which was connected to the host computer via RS232. The result of the experiment showed that the state parameter of rice transplanter could be remote monitored and remote drived by the system.

Key words： rice transplanter； wireless monitoring system； hardware circuit design

中國是世界上最大的稻米生產國與消費國，因此，水稻生產機械化與智能化在我國現代農業中占據了重要地位。插秧機由于具備節省秧苗、提高工作效率、減輕勞動強度、降低直接成本以及提高產量等優點，在水稻種植中得到廣泛的應用[1-5]。為進一步提高工作效率，降低操作者勞動強度，設計了一套插秧機無線監控系統的硬件電路，能實現插秧機遙控駕駛與遠程狀態參數采集。

1 系統總體方案設計

系統主要由中央處理單元、傳感器檢測單元、插秧機控制單元、無線數據傳輸單元及上位機控制單元等5部分組成，其總體結構框圖如圖1。傳感器檢測單元由陀螺儀、電子羅盤與編碼器等組成，主要用于采集插秧機工作中的相關數據；中央處理單元對傳感器檢測單元采集的信息進行處理分析后，通過無線數據傳輸單元將相關信息送入上位機控制單元；操作者通過與上位機控制單元相連的PC機操作界面觀察插秧機行駛與工作的實時數據，并發送相關控制命令，經無線數據傳輸單元傳輸到中央處理單元，由插秧機控制單元控制插秧機的行駛與工作。

2 下位機硬件電路設計

下位機硬件電路主要包括中央處理單元、傳感器檢測單元與插秧機控制單元，傳感器檢測單元完成數據采集，中央處理單元進行信息處理與分析，插秧機控制單元控制插秧機的行駛與工作，其電路原理總圖如圖2所示。

2.1 中央處理單元電路設計

中央處理單元主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，該單片機具有8個ADC轉換通道，2路可編程PWM和4個16位定時器，因此能夠實現多傳感器的信號采集處理，該單元主要包括12 V轉5 V及3.3 V的直流穩壓電源、晶振電路和其他外圍擴展電路。傳感器檢測單元將檢測到的參數經由CAN總線[6，7]控制器傳輸給中央處理單元，同時中央處理單元根據傳感器檢測單元采集到的數據來控制插秧機的執行機構，并通過2.4 GHz的無線通訊模塊與上位機進行數據通訊。中央處理單元電路圖如圖3。

2.2 傳感器檢測單元電路設計

傳感器檢測單元主要用來采集插秧機工作時的工況數據，以實時監測其各種工況信息。傳感器檢測單元采集的數據包括陀螺儀檢測到的角速度及角加速度、電子羅盤檢測到的航向角、編碼器檢測到的運動速度及行駛距離等參數[8-10]。插秧機系統數據的采集電路采用了CAN總線的結構，每個CAN節點的結構都由傳感器、CAN總線控制器SJA1000以及收發器PCA82C250組成。中央處理單元中的主控芯片STC12C5A60S2單片機負責采集CAN總線上各個節點的數據，通過下發采集命令來采集各個傳感器數據。陀螺儀在插秧機發生角度偏移時測量理論角度偏移量和實際角度偏移量的差值，并將該值經過單片機和CAN控制器傳送給中央處理單元，由其計算出補償值并進行誤差補償。后輪采用的光電編碼器是一種將位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，當插秧機運動時其通過檢測裝置不斷檢測并輸出脈沖信號，通過采集到的脈沖個數可計算出插秧機的行駛距離。圖4為CAN總線通訊單元電路圖，圖5為后輪編碼器數據采集模塊電路原理圖。

2.3 插秧機控制單元電路設計

插秧機控制單元主要用來驅動控制方向盤的步進電機、離合器的電動推桿、檔位的電動推桿以及一個點火/熄火的模塊。由于插秧機的轉向是采用液壓助力轉向，所以在插秧機啟動后的方向盤阻力矩很小，經試驗步進電機產生的力矩完全能克服轉向阻力矩。電動推桿自帶位置傳感器，能實時檢測檔位和離合器的位置。點火/熄火模塊用來啟動或關閉插秧機的發動機。插秧機控制單元電路圖如圖6。

3 上位機控制單元電路設計

上位機控制單元是連接上位機與下位機的橋梁，上位機采用的是PC機，必須通過串口與無線數據通訊模塊進行數據交換才能實現對插秧機的控制。上位機控制單元主要由一個單片機和無線數據傳輸模塊構成（圖7），單片機通過RS232接口與PC機相連，使PC機通過RS232接口來發送命令和采集數據，以此實現PC機與下位機的協議通信。

4 小結

為驗證系統的可行性與穩定性，在完成系統硬件電路并設計了基于Visual Basic.net 2008的上位機監控軟件后進行了相關試驗，即通過PC機對水泥地面上的插秧機進行遙控駕駛操作并采集相關參數，試驗結果表明，通過此系統能遠程實時采集插秧機的狀態參數，并實現了插秧機無線遙控行駛，系統穩定性好、可靠性高。

參考文獻：

[1] 楊寶珍，安龍哲，李會榮.水稻插秧機的現狀及發展展望[J].農機化研究，2009（7）：237-238.

[2] 楊文珍，楊友東，張 毅，等.高速水稻插秧機四軸移箱機構原理設計[J].中國農機化，2005（5）：67-69.

[3] 謝昌盛，蔣 蘋，胡文武，等.高速插秧機無線遙控駕駛系統的設計[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2012，38（4）：441-445.

[4] 游愛兵.淺談水稻機插秧的優勢及工廠化育苗技術[J]. 湖南農機，2011，38（11）：19，21.

[5] 陳萬勝，葛敬東，朱曉霞.水稻直播的應用現狀、存在問題及應對措施[J].安徽農學通報，2001，7（4）：44-45.

[6] 安 秋，姬長英，周 俊，等.基于CAN 總線的農業移動機器人分布式控制網絡[J].農業機械學報，2008，39（6）：123-126，117.

[7] 劉 陽，馬 蓉，曹衛彬，等.農業車輛自動導航系統中CAN 總線的研究進展[J].農機化研究，2011（8）：233-236.

[8] 羅亞輝，蔣 蘋，吳 畏.高速插秧機無線監控軟件系統設計[J].湖北農業科學，2012，51（21）：4887-4890.

[9] 郭喜慶，武克用.新型陀螺經緯儀的研究與應用[J].光學精密工程，2001，9（2）：182-185.

[10] 林明春，夏桂鎖，林玉池，等.電子羅盤在全自動智能陀螺尋北儀中的應用[J].光學精密工程，2007，15（5）：719-724.