基于單片機(jī)的噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)的目的在于利用科學(xué)方法精確的處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的噴藥環(huán)節(jié)，提高農(nóng)藥利用率， 從而提高經(jīng)濟(jì)效益和效率問(wèn)題。該系統(tǒng)以samsung公司arm7系列的s3c44b0x微處理器為核心，在ads1.2操作環(huán)境下，通過(guò)與gps和壓力傳感器、溫度傳感器以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電磁閥構(gòu)成的噴藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行信息交換，完成噴藥功能和噴藥系統(tǒng)調(diào)試。本課題完成了變量噴藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。經(jīng)過(guò)初步的實(shí)驗(yàn)表明，在系統(tǒng)工作壓力保持在0.2mpa0.4mpa的時(shí)候，噴頭可以達(dá)到較好的霧化效果。當(dāng)壓力變化的時(shí)候可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電動(dòng)閥來(lái)改變系統(tǒng)流量，以保持壓力的動(dòng)態(tài)平衡。關(guān)鍵詞：噴藥；s3c44b0x；精

2、確農(nóng)業(yè)；gps；armbased on scm poles system designabstractthis design aims to use scientific means to precise processing agricultural production, improve the utilization rate of each link, thereby improving economy pesticide benefit and efficiency problem. the system poles control system on arm7 series wit

3、h the s3c44b0x microprocessor as the core, in ads1.2 operating environment, through with gps and pressure sensor, the temperature sensor and electric regulator and electromagnetic valve which poles of actuator exchange information, complete function and poles poles system commissioning. this topic c

4、ompleted the variables of design and commissioning of each system. after the preliminary experimental results show that the system work pressure kept in 0.2 mpa 0.4 mpa, nozzle can achieve better atomization effect. when the pressure changes through appropriate regulatory when electric valves to cha

5、nge the system, in order to maintain pressure flow dynamic balance.keywords ：poles; s3c44b0x; precision agriculture; gps; arm 目錄摘要iabstractii目錄iii1 緒論11.1 引言11.1.1 精確農(nóng)業(yè)11.1.2 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與精確農(nóng)業(yè)的對(duì)比11.2 研究的目的和意義21.3 變量噴藥系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀31.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀41.4 課題的研究?jī)?nèi)容42 變量噴藥控制系統(tǒng)總體方案52.1 變量噴藥控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)52.1.1 控制系

6、統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖52.1.2 控制系統(tǒng)各組成部分的功能52.2 控制系統(tǒng)的方案以及功能框圖62.2.1 控制系統(tǒng)的方案選擇62.2.2 控制系統(tǒng)功能框圖72.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖83 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)103.1 核心板電路的設(shè)計(jì)103.1.1 核心板電路結(jié)構(gòu)框圖103.1.2 核心板硬件電路的設(shè)計(jì)113.2 核心板外圍電路的設(shè)計(jì)143.2.1 gps輸入控制電路143.2.2 jtag調(diào)試電路153.2.3 鍵盤以及l(fā)cd電路163.2.4 閥門以及傳感器連接電路圖173.3 系統(tǒng)供電電源的設(shè)計(jì)183.4 噴藥機(jī)的結(jié)構(gòu)194 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)204.1 ads1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境204.2 處方圖的

7、制作、坐標(biāo)變換以及網(wǎng)格識(shí)別204.2.1 坐標(biāo)變換以及網(wǎng)格識(shí)別204.2.2 處方圖的制作214.3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)214.3.1 主程序模塊的軟件設(shè)計(jì)224.3.2 gps信息的接收和解碼軟件設(shè)計(jì)224.3.3 鍵盤處理模塊244.3.4 lcd顯示和處理模塊254.3.5 jtag下載調(diào)試模塊254.3.6 處方圖信息處理模塊264.3.7 傳感器信息控制以及讀取模塊265 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析285.1 系統(tǒng)相關(guān)調(diào)試285.1.1 齒輪泵的調(diào)試285.1.2 在一定壓力下的流量控制調(diào)試285.2系統(tǒng)傳感器的標(biāo)定30結(jié)論31致謝33參考文獻(xiàn)341 緒論1.1 引言在20世紀(jì)的最后20年間，我國(guó)

8、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生了巨大的變化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技含量得到了很大的提高，常規(guī)技術(shù)與高新技術(shù)有了不少推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)粗放作業(yè)方式有了一些改變。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)，其基本涵義是根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤性狀，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調(diào)動(dòng)土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。1.1.1 精確農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(精確農(nóng)業(yè)，精準(zhǔn)農(nóng)作)(precision agriculture or preci

9、sionfarming)是近年來(lái)國(guó)際上農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的含義是按照田間每一操作單元的具體條件，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各項(xiàng)土壤和作物管理措施，最大限度地優(yōu)化使用各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，以獲得最高參量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源。精確農(nóng)業(yè)是信息農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其特點(diǎn)是應(yīng)用地理信息系統(tǒng)將已有的土壤和作物信息資料整理分析，作為屬性數(shù)據(jù)，并與矢量化地圖數(shù)據(jù)一起制成具有實(shí)效性和可操作性的田間管理信息系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)gis，gps，rs和自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，按照田間每一操作單元(位點(diǎn))上的具體條件，相應(yīng)調(diào)整投入物資的施入量，達(dá)到減少浪費(fèi)、增加收入和保護(hù)農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境質(zhì)

10、量的目的1。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)由十個(gè)系統(tǒng)組成，即全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)。其核心是建立一個(gè)完善的農(nóng)田地理信息系統(tǒng)，可以說(shuō)是信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全面結(jié)合的一種新型農(nóng)業(yè)。1.1.2 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與精確農(nóng)業(yè)的對(duì)比精確農(nóng)業(yè)是與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相對(duì)而言的。所謂傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是指以滿足經(jīng)濟(jì)體自身實(shí)物需要為價(jià)值取向、以糧食生產(chǎn)為主并兼營(yíng)副業(yè)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。用著名發(fā)展經(jīng)濟(jì)學(xué)家舒爾茨(twschultz)的定義就是：“完全以農(nóng)民世代使用的各種生產(chǎn)要素為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)可稱為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)”。精確農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，精確農(nóng)業(yè)有以下優(yōu)

11、越性：1合理使用化肥，減少環(huán)境污染。目前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)施肥都是憑經(jīng)驗(yàn)和主觀意志行事，而精確農(nóng)業(yè)則采用測(cè)土配方平衡施肥技術(shù)，它能根據(jù)不同地區(qū)、不同土壤類型以及土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況、作物類別及產(chǎn)量水平，從而做到科學(xué)施肥。2節(jié)約水資源，保證工業(yè)用水。水是農(nóng)業(yè)的命脈，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)農(nóng)業(yè)每年受旱面積約2-3億畝，糧食減產(chǎn)2.5億千克。而目前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)灌溉水的利用率只有40%左右，浪費(fèi)驚人。精確農(nóng)業(yè)通過(guò)采用滴灌、微灌等一系列新型灌溉技術(shù)，使水的消耗量減少到最低程度，并能獲取盡可能高的產(chǎn)量。3節(jié)本增效，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。精確農(nóng)業(yè)采用精確播種、精確收獲技術(shù)，并將精確種子工程與精確播種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)

12、，使農(nóng)業(yè)低耗、優(yōu)質(zhì)、高效成為現(xiàn)實(shí)。精確播種技術(shù)既可節(jié)約大量?jī)?yōu)良品種，又能使作物植株在田間獲得最佳分布和深淺一致，為作物的生長(zhǎng)、發(fā)育創(chuàng)造最佳環(huán)境，從而大大提高作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)和太陽(yáng)能的利用率。4合理利用作物營(yíng)養(yǎng)，保證產(chǎn)量和質(zhì)量。精確農(nóng)業(yè)通過(guò)采用先進(jìn)的現(xiàn)代化高新技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制，并根據(jù)其結(jié)果采取相應(yīng)的措施。采用計(jì)算機(jī)對(duì)作物生產(chǎn)環(huán)境溫度、濕度、通風(fēng)進(jìn)行自動(dòng)控制的工廠化農(nóng)業(yè)，既可大量節(jié)約農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力，又有保證作物營(yíng)養(yǎng)的合理利用，降低成本，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量2。1.2 研究的目的和意義我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)取得了快速

13、的發(fā)展。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，改變農(nóng)業(yè)的增長(zhǎng)方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)由于差異性的存在，人們進(jìn)行的物料投放和管理與作物生長(zhǎng)實(shí)際需要可能相差甚遠(yuǎn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是把大塊農(nóng)田再分為若干較小面積單位，作為分開(kāi)管理單元，并認(rèn)為在每個(gè)管理單元的一小塊農(nóng)田中具有基本相同的土壤和作物生長(zhǎng)特性，依此作為農(nóng)業(yè)物資投放決策和田間管理的依據(jù)，此種做法與傳統(tǒng)的做法比較，物料投放的數(shù)量和位置的精度大大提高了，也可以說(shuō)是在較高“精度”的條件下進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理操作。農(nóng)業(yè)問(wèn)題是全球可持續(xù)發(fā)展的基本問(wèn)題，一直是國(guó)際關(guān)注的焦點(diǎn)之一?！拔覈?guó)人口眾多，耕地面積不足，人均糧食產(chǎn)量較低，利用僅占全球耕地面積7%的土地，養(yǎng)活占世界1/5的人口，取

14、得了舉世矚目的成就”。眾所周知，我國(guó)已經(jīng)加入了wto，而我國(guó)入世承諾中，植保機(jī)械被列入強(qiáng)制性產(chǎn)品(ccc)目錄中，但就如何改變施藥技術(shù)和植保機(jī)械落后的現(xiàn)狀，至今還沒(méi)有得到大家一致好評(píng)的切實(shí)可行措施。我國(guó)的農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，而我國(guó)植保機(jī)械和農(nóng)藥使用技術(shù)嚴(yán)重落后的現(xiàn)狀與我國(guó)高速發(fā)展的農(nóng)藥水平極不相稱，并已嚴(yán)重妨礙了農(nóng)作物病蟲(chóng)草害的防治，帶來(lái)了諸多的負(fù)面影響，如農(nóng)藥有效利用率低、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染、作物災(zāi)害、操作者中毒等，造成了不應(yīng)有的損失以及其他不良后果，已經(jīng)到了一定要大家認(rèn)真來(lái)關(guān)注和解決的程度。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，改變農(nóng)業(yè)的增長(zhǎng)方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)由于差異性的存在，

15、人們進(jìn)行的物料投放和管理與作物生長(zhǎng)實(shí)際需要可能相差甚遠(yuǎn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是把大塊農(nóng)田再分為若干較小面積單位，作為分開(kāi)管理單元，并認(rèn)為在每個(gè)管理單元的一小塊農(nóng)田中具有基本相同的土壤和作物生長(zhǎng)特性，依此作為農(nóng)業(yè)物資投放決策和田間管理的依據(jù)，此種做法與傳統(tǒng)的做法比較，物料投放的數(shù)量和位置的精度大大提高了，也可以說(shuō)是在較高“精度”的條件下進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理操作。農(nóng)藥、除草劑的大量施用，不但造成生產(chǎn)成本的提高和資金的浪費(fèi)，而且直接危害人畜健康、污染農(nóng)產(chǎn)品，污染環(huán)境和水質(zhì)。因此需要能夠根據(jù)田間雜草及病蟲(chóng)害分布實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)噴藥、減少成本和環(huán)境污染的自動(dòng)控制施藥機(jī)械與技術(shù)。一般認(rèn)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是高技術(shù)農(nóng)業(yè)，中國(guó)地塊小，基礎(chǔ)

16、設(shè)施差，發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是不切合實(shí)際的。其實(shí)，重要的是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的思想：根據(jù)地塊的差異進(jìn)行精準(zhǔn)管理，以充分發(fā)揮每一地塊的潛力。小地塊不影響信息的采集；衛(wèi)星遙感將來(lái)可達(dá)13m的分辨率，信息的采集也可以人工進(jìn)行g(shù)ps定位。精準(zhǔn)噴藥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要支持系統(tǒng)。它不僅可以大大提高農(nóng)藥的利用率，達(dá)80%-90%(目前我國(guó)平均為40%)，提高水對(duì)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)率20%-40%，而且可以提高水分的生產(chǎn)率。精準(zhǔn)噴藥，不僅要求采用高新噴藥機(jī)械技術(shù)，如噴、滴、微、滲灌等機(jī)械設(shè)備(硬件)，而且需要從生物學(xué)角度、作物生長(zhǎng)需水規(guī)律等農(nóng)藝方面去探索，掌握噴藥的量和度(軟件)，最大限度地節(jié)水并限制農(nóng)藥的使用量，最大限度地實(shí)現(xiàn)科學(xué)噴藥。

17、只有這樣才能保證高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗，而又不破壞土壤理化結(jié)構(gòu)，不污染環(huán)境。1.3 變量噴藥系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)源于美國(guó)。據(jù)1997年對(duì)該國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)服務(wù)商和種子公司的調(diào)查顯示：在他們的用戶中有82進(jìn)行土壤采樣時(shí)使用gis，74用gis制圖，38收割機(jī)帶測(cè)產(chǎn)器，61采用產(chǎn)量分析，77采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)。2000年使用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)便可達(dá)到90。近年來(lái)以航空為主的遙感技術(shù)開(kāi)始在農(nóng)田信息采集中應(yīng)用，雖還處于起步階段，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、西班牙、澳大利亞、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家也在迅速發(fā)展。不少發(fā)展中國(guó)家也在醞釀實(shí)施這一項(xiàng)目。世界各國(guó)對(duì)精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展

18、潛力以及應(yīng)用前景有著廣泛共識(shí)，并將其作為發(fā)展農(nóng)業(yè)高新技術(shù)應(yīng)用的重要內(nèi)容。1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)從上世紀(jì)80年代便開(kāi)展rs和gis，以及水稻、小麥、棉花、玉米等主要農(nóng)作物生產(chǎn)管理的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的應(yīng)用研究，90年代部分成果已達(dá)到實(shí)踐應(yīng)用水平。我國(guó)于“七五”、“八五”期間，國(guó)家科委、農(nóng)業(yè)部先后組織了一些農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)(實(shí)質(zhì)上是信息管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、計(jì)算機(jī)技術(shù)和農(nóng)業(yè)專家技術(shù)綜合運(yùn)用的集合)及其工具開(kāi)發(fā)研究，其中就包括針對(duì)作物病蟲(chóng)害防治的專家系統(tǒng)。1.4 課題的研究?jī)?nèi)容本課題的主要研究?jī)?nèi)容是進(jìn)行面向精確農(nóng)業(yè)變量噴藥理論與技術(shù)的研究和探討，將gps和es與自動(dòng)控制單元(ics)應(yīng)用在噴藥機(jī)上。用gps

19、實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航，主控制中心管理田間病蟲(chóng)害信息，實(shí)現(xiàn)依噴藥機(jī)所在操作單元位置和該單元的病蟲(chóng)害情況進(jìn)行按需噴藥。相關(guān)的控制系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：gps接受系統(tǒng)，變量控制中心，變量施肥執(zhí)行系統(tǒng)和處方圖。其研究?jī)?nèi)容如下：(1)全球定位系統(tǒng)(gps)；(2)變量控制中心；(3)空間數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，其中包括病蟲(chóng)害信息采樣與分析、田間操作單元?jiǎng)澐峙c編碼、變量噴藥操作單元合并原則等；(4)田間病蟲(chóng)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)與噴藥決策；(5)決策數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳送；(6)控制模型的建立；(7)噴藥控制系統(tǒng)組成，其中涉及到數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用、操作單元識(shí)別運(yùn)算、噴藥決策信息提取及輸出控制；(8)變量噴藥應(yīng)用的田間試驗(yàn)與噴藥

20、量經(jīng)濟(jì)效益分析。2 變量噴藥控制系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)噴藥機(jī)的性能問(wèn)題，其好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和狀態(tài)。本章將對(duì)總體方案的選擇以及架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。2.1 變量噴藥控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)2.1.1 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)的變量噴藥系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是由處方分析系統(tǒng)、gps接收系統(tǒng)、變量控制中心和變量噴藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成。變量噴藥系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1變量噴藥系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1.2 控制系統(tǒng)各組成部分的功能處方分析系統(tǒng)：我們采用dacs系統(tǒng)對(duì)耕作地塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的病蟲(chóng)害程度進(jìn)行采樣以及相應(yīng)的病蟲(chóng)害分析，最后把這些信息儲(chǔ)存在了處方圖中。處

21、方圖不同于單一的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，它是空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成，處方圖文件采用“ship”文件格式。為了提高查詢速度和保持處方圖的精度，對(duì)處方圖按某一算法進(jìn)行分區(qū)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)地圖定位和處方量的查詢，必須要使處方圖的坐標(biāo)系統(tǒng)和gps定位數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致?？刂浦行模嚎刂浦行氖亲兞繃娝幭到y(tǒng)的“大腦”，它主要是一個(gè)應(yīng)用軟件。它把根據(jù)地塊基礎(chǔ)信息制作的田間決策處方圖和來(lái)自gps的農(nóng)機(jī)定位信息結(jié)合分析，提供最終的處方?jīng)Q策方案，即農(nóng)機(jī)的實(shí)時(shí)噴藥量等信息。gps接收系統(tǒng)：gps接收機(jī)在本系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)位置的定位，生成的田間決策處方圖實(shí)施變量噴藥。變量噴藥過(guò)程中兩次用到gps定位：一是對(duì)田間病蟲(chóng)草害

22、地理位置的確定，制作變量噴藥處方圖；二是進(jìn)行變量噴藥時(shí)，由gps測(cè)出噴藥機(jī)械田間地理位置，根據(jù)變量噴藥處方圖，讀取與田間地理位置相對(duì)應(yīng)的病蟲(chóng)草害信息，發(fā)送噴霧指令，gps通過(guò)rs-232串行接口將定位信息傳給控制器進(jìn)行變量控制。變量噴藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)：變量噴藥執(zhí)行裝置是變量噴藥機(jī)的核心部件。進(jìn)行噴藥作業(yè)時(shí)，上位計(jì)算機(jī)根據(jù)gps信號(hào)判斷噴藥機(jī)所在網(wǎng)格的位置，結(jié)合控制中心中所存儲(chǔ)的信息計(jì)算出當(dāng)前位置所需的噴藥量；然后再經(jīng)rs-232接口傳輸?shù)娇刂破髦校刂破鞲鶕?jù)裝備的地理位置、噴藥機(jī)實(shí)時(shí)速度、回路壓力以及前期工作的信息形成噴藥指令的控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)電路控制變量噴藥執(zhí)行裝備或控制脈動(dòng)噴頭的工作狀態(tài)，以滿足

23、變量噴藥根據(jù)機(jī)器行走速度及地塊信息調(diào)節(jié)噴藥量的要求。在實(shí)際使用中是在噴藥的農(nóng)機(jī)上裝載一個(gè)微型控制中心和gps，這三部分通過(guò)串口連接。處方分析系統(tǒng)生成變量噴藥處方圖，并通過(guò)存儲(chǔ)介質(zhì)導(dǎo)入控制系統(tǒng)，gps模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收農(nóng)機(jī)的位置信息并通過(guò)串口傳入控制中心，控制中心在地圖上顯示農(nóng)機(jī)當(dāng)前位置，并根據(jù)相應(yīng)的農(nóng)機(jī)位置信息從噴藥處方圖中查找出當(dāng)前位置需要噴灑的農(nóng)藥量，并將結(jié)果發(fā)送到進(jìn)行變量作業(yè)的農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)，控制農(nóng)機(jī)的噴藥量系統(tǒng)。噴藥總體系統(tǒng)流程示意圖如圖2.2所示。圖2.2處方圖變量噴藥系統(tǒng)流程圖2.2 控制系統(tǒng)的方案以及功能框圖2.2.1 控制系統(tǒng)的方案選擇本控制系統(tǒng)進(jìn)行控制方案確定的時(shí)候考慮了三種控制

24、方式：基于壓力變化的變量噴藥控制方式、注入式變量噴藥控制形式以及脈沖電控變量噴藥控制方式。由于基于壓力變化的變量噴藥控制方式通過(guò)改變系統(tǒng)壓力控制藥量的方法直接影響到霧滴的大小、漂移性以及分布均勻性，而這又是化學(xué)農(nóng)藥噴灑的重要標(biāo)準(zhǔn)；采用注入式變量噴藥控制方式進(jìn)行噴藥時(shí)，農(nóng)藥由注入泵到達(dá)噴桿時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致傳輸延遲，從農(nóng)藥泵出到混合液進(jìn)入噴桿需要幾秒鐘時(shí)間，而變量噴藥又要求根據(jù)區(qū)塊變化實(shí)時(shí)改變噴藥量。因此，這里我們采用了脈沖電控變量噴藥控制方式。脈沖電控變量噴藥控制方式采用脈沖電控噴頭，通過(guò)控制系統(tǒng)的脈沖寬度(pwm)和調(diào)節(jié)噴藥脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)噴藥。噴藥前，農(nóng)藥和溶劑在藥箱內(nèi)混合，在噴頭入口處安裝電磁

25、閥，噴頭流量由電磁閥的間歇開(kāi)閉來(lái)調(diào)節(jié)，流量改變由系統(tǒng)占空比來(lái)控制。在保持噴藥壓力恒定的條件下，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的變量控制，而且霧滴指標(biāo)變化小，流速相應(yīng)比傳統(tǒng)基于壓力變化調(diào)節(jié)方式快。在確定選擇使用脈沖電控變量噴藥控制方式的前提下，我們進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)中的壓力和流量傳感器的控制方案進(jìn)行了確定。控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，由于本系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，變量太多，并且在實(shí)際測(cè)量中，壓力和流量是一個(gè)實(shí)時(shí)變化的值，導(dǎo)致難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)而其進(jìn)行精確控制?？紤]到到這一問(wèn)題，我們選用了“模糊控制”，嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題3。2.

26、2.2 控制系統(tǒng)功能框圖在2.2.1節(jié)中，我們已經(jīng)討論了實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的幾種合理方案。針對(duì)實(shí)際需求選擇如下硬件：arm核心板控制模塊含有核心芯片arm7系列的s3c44b0x芯片；含32768m晶振和復(fù)位電路；含電源指示燈，供電電源+3.3v；含rs232串口；含鍵盤，鼠標(biāo)接口；含5v轉(zhuǎn)3.3v和2.5v的電源轉(zhuǎn)換電路；含有jatag接口；含有64megabit芯片的sdram擴(kuò)展電路；含有sst39vf160芯片的flash rom擴(kuò)展電路；選用trimble aggpstm132差分gps接收機(jī)設(shè)備作為位置，速度信號(hào)傳感裝置?發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為字符串格式；數(shù)據(jù)中含經(jīng)度，緯度坐標(biāo)；數(shù)據(jù)中含

27、噴藥機(jī)行進(jìn)速度值大??；外圍硬件電路含有電動(dòng)閥和pwm控制的電磁閥；含有用于樞紐的泵；含有壓力傳感器和流量傳感器以及相應(yīng)的匹配電路；含有用于存儲(chǔ)處方圖信息的e2prom(24c256，32k)；arm developer suite 1.2集成開(kāi)發(fā)工具arm公司推出的最新一代arm集成開(kāi)發(fā)工具，英文簡(jiǎn)稱：ads1.2；起源于arm sdt，支持匯編c、c+源程序；具有源文件編輯器語(yǔ)法高亮、編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)、窗口駐留等現(xiàn)代集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的能。系統(tǒng)的功能框圖如圖2.3所示。圖2.3系統(tǒng)的功能框圖2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)是采用處方圖以及gps信息結(jié)合進(jìn)入控制中心分析后進(jìn)行噴藥控制，整個(gè)系統(tǒng)

28、為自動(dòng)以及手動(dòng)相結(jié)合的工作模式。本系統(tǒng)采用了反饋控制的形式使系統(tǒng)更加穩(wěn)定；采用壓力傳感器來(lái)控制系統(tǒng)壓力變化；采用流量傳感器和比例閥輔助壓力傳感器使系統(tǒng)內(nèi)部壓力在某一地塊保持壓力基本不變；采用扇形噴頭，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)錐形噴頭的缺點(diǎn)，可以防止農(nóng)藥飄失的反飄和幾乎無(wú)飄失，增加了電控的可靠性；采用了電機(jī)來(lái)保證隔膜泵的工作電壓；采用了備用藥箱，保證了藥量的充足。本控制系統(tǒng)為一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，控制的基本原理是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來(lái)進(jìn)行控制。即通過(guò)比較系統(tǒng)行為(輸出)與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路。

29、兩者組成一個(gè)閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中，在某一網(wǎng)格中的壓力信號(hào)值相當(dāng)于一個(gè)給定的量，即噴藥量一定，通過(guò)壓力的變化值來(lái)改變比例閥的開(kāi)度以及隔膜泵的轉(zhuǎn)速來(lái)改變流量，達(dá)到壓力恒定的目的。電動(dòng)閥為系統(tǒng)的總開(kāi)關(guān)量?？刂坪诵臑閍rm7系列的cpu s3c44b0x(硬件電路中介紹)，執(zhí)行器為隔膜泵，被控對(duì)象為比例閥，檢測(cè)裝置為壓力傳感器和流量傳感器，輸出量就是系統(tǒng)的噴藥量。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)第二章所確定的系統(tǒng)功能框圖，本章將詳細(xì)介紹系統(tǒng)硬件部分電路的設(shè)計(jì)。本部分主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容是核心板以及相應(yīng)的外圍電路包括gps輸入控制電路、jtag下載電路的設(shè)計(jì)，輸入輸出接口電路的設(shè)

30、計(jì)等；還包括所需要的各傳感器和閥門的電路以及用于存儲(chǔ)處方圖信息的e2prom控制模塊以及電源部分的電路設(shè)計(jì)等。下面我們將對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行介紹和說(shuō)明。3.1 核心板電路的設(shè)計(jì)3.1.1 核心板電路結(jié)構(gòu)框圖核心板的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。圖3.1核心板的結(jié)構(gòu)框圖cpu:s3c44b0x，8mhz外部晶振，內(nèi)部倍頻至64mhz；.ram:64mbit(4*1m*16bit)pc100/c133兼容sdram的l43l16064；.flash rom:sst39vf160 16mbit(1m*16bit)程序flash；.串行eeprom:at24c04 4kb eeprom，iic接口；.uart接口

31、：2通道uart接口，波特率高達(dá)115200bps，juyou rs232電平轉(zhuǎn)換電路，可接鏈接pc機(jī)；.lcd接口模塊：20腳雙排插針的lcd接口，可接1600*1600以下分辨率的單色或256色snt/dsnt型各種lcd屏，具有對(duì)比度調(diào)節(jié)電位器；.20pin的jtag標(biāo)準(zhǔn)接口；.4個(gè)可編程led指示燈；.4*5鍵盤；.復(fù)位電路以及按鍵。3.1.2 核心板硬件電路的設(shè)計(jì)核心板電路的核心芯片為功能強(qiáng)大的s3c44b0x芯片。s3c44b0x采用了arm7tdmi內(nèi)核，0.25um工藝的cmos標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器。它的低功耗精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。專為手持設(shè)

32、備和一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案。s3c44b0x處理器含有很多實(shí)用性功能，為了降低成本s3c44b0x提供了豐富的內(nèi)部部件，包括：8kb cache，內(nèi)部sram，lcd控制器，帶自動(dòng)握手的2通道uart，4通道dma，系統(tǒng)管理器(片選邏輯，fp/edo/sdram控制器)，代用pwm功能的5通道定制器，i/o端口，rtc，8通道10位adc，iic-bus接口，同步sio接口和pll倍頻器。s3c44b0x通過(guò)提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的原件配置，從而最小化系統(tǒng)的成本。出于以上考慮我們選用了處理器s3c44b0x。以下我們僅對(duì)設(shè)計(jì)所使用

33、的部分進(jìn)行介紹4。3.1.2.1 3c44b0x的晶振以及復(fù)位電路晶振電路用于向cpu及其他工作電路提供工作時(shí)鐘。在s3c44b0x最小系統(tǒng)的時(shí)鐘電路中，用到了有源晶振和無(wú)源晶振。連接無(wú)源晶振的時(shí)候是利用了cpu內(nèi)部的時(shí)鐘振蕩電路，在cpu的引腳x1和x2之間連接一個(gè)晶體就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)采用有源晶振的情況下，電路連接和無(wú)源晶振有所不同。當(dāng)然，若想得到更高的工作頻率，就要借助于pll電路。復(fù)位電路的功能就是完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候的按鍵復(fù)位功能。這是一個(gè)含有二極管的rc復(fù)位電路并設(shè)計(jì)有復(fù)位按鍵，實(shí)踐證明這種簡(jiǎn)單的復(fù)位電路是可靠的。s3c44b0x的小系統(tǒng)電路要復(fù)雜于我們經(jīng)常

34、所使用的51系列單片機(jī)，這里我們僅列出重要的晶振和復(fù)位電路。3.1.2.2 sdram、flash rom和e2prom的擴(kuò)展電路 (1)利用l43l16064對(duì)sdram的擴(kuò)展sdram(synchronous dram，同步動(dòng)態(tài)隨即存儲(chǔ)器)是目前運(yùn)用最為廣泛的一種內(nèi)存類型，其工作速度與系統(tǒng)總線速度是一致的。它具有大容量和高速度的特點(diǎn)，它的容量可以達(dá)到256m或者更多，工作速度可以達(dá)到100-200mhz以上，只是控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。l43l16064是一種cmos類型的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(sdram內(nèi)存)，它以16進(jìn)制的格式包含了67，108，864個(gè)記憶單元。它的特點(diǎn)是同正邏輯的電平保

35、持時(shí)鐘的同步，減少了復(fù)雜性，并且與傳統(tǒng)的dram相比，它使數(shù)據(jù)帶寬的內(nèi)存提高達(dá)5倍以上。圖3.2 sdram的擴(kuò)展電路(2)利用sst39vf160對(duì)flash rom進(jìn)行擴(kuò)展flash作為一種新型存儲(chǔ)器，與eprom相比，具有更高的性能價(jià)格比，而且體積小，功耗低，可以擦寫，因此使用比較方便。flash按照結(jié)構(gòu)劃分可以分為nor和nand兩大類。在本系統(tǒng)中選用了nor型flash系列的sst39vf160芯片，這是因?yàn)閚or型flash具有，體積小容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失、有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)線等的特點(diǎn)。sst39vf160是1m x16的cmos型多用途閃存(mpf)，它具有與sst公司專有

36、的高性能cmos super flash技術(shù)。當(dāng)提供它以3.0-3.6v的電壓時(shí)，芯片處于“寫”的狀態(tài)；當(dāng)提供它以2.7-3.6v的電壓時(shí)，它符合jedec標(biāo)準(zhǔn)，芯片處于存儲(chǔ)的狀態(tài)。sst39vf160與s3c44b0x的連接電路即flash rom的擴(kuò)展電路如圖3.3所示5。圖3.3 flash rom的擴(kuò)展電路(3)利用at24c256對(duì)e2prom來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展本系統(tǒng)中采用24c256對(duì)來(lái)自處方圖的信息進(jìn)行存儲(chǔ)。24c256是atmel公司生產(chǎn)的32kbyte串行電可擦的可編程存儲(chǔ)器eerom，內(nèi)部有256頁(yè)，每一頁(yè)為128byte，任一單元的地址為16位。它使用標(biāo)準(zhǔn)的2線接口通訊。工作電壓

37、在1.8v-5.5v之間，這使它可以兼容大部分應(yīng)用電壓除此之外還支持i2c協(xié)議的串行e2prom6。24c256芯片的引腳排布和定義如下：圖3.4 24c256芯片的引腳排布和意義3.1.2.3各個(gè)接口電路在實(shí)際的應(yīng)用中，要根據(jù)實(shí)際的電路在核心板上擴(kuò)展出相應(yīng)的接口，以便于使用，我們擴(kuò)展出了jtag、lcd以及用于連接gps數(shù)據(jù)的串行接口以及用于實(shí)驗(yàn)調(diào)試的ide接口電路。在這里我們僅給出ide接口電路，其它不再一一列舉，而是與整體的電路放在一起進(jìn)行介紹。3.2 核心板外圍電路的設(shè)計(jì)3.2.1 gps輸入控制電路我們采用串口來(lái)對(duì)gps采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。圖3.5右側(cè)上半部分電容c1，c2，c3，

38、c4及v+，v-是電源變換部分。在實(shí)際應(yīng)用中，器件對(duì)電源噪聲很敏感。因此vcc需要對(duì)“地”加去耦電容c5，其值為0.1uf。電容c1，c2，c3，c4都選用電解電容，電容值為1.0 uf(耐壓值至少為16v以上)，這樣可以提高抗干擾能力。連接時(shí)電容必須盡量接近器件，并且注意極性的連接。下面給出具體的gps控制電路圖，如圖3.6所示。圖中g(shù)pe1、gpe2分別代表s3c44b0x芯片的rxd以及txd引腳，即與主芯片相連進(jìn)行通訊，另一端t1out與來(lái)自gps的信號(hào)相連，r1in與計(jì)算機(jī)的串口相連。為了以后擴(kuò)展的方便我們配置了兩個(gè)串口，在本系統(tǒng)中只使用了一個(gè)，另一個(gè)備用7。圖3.5 ide接口電路

39、圖3.6 max232芯片引腳分布以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理3.2.2 jtag調(diào)試電路jtag(joint test action group)是1985年制定的檢測(cè)pcb和ic芯片的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，1990年被修改后成為ieee的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即ieee1149.1-1990。通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)具有jtag接口的芯片的硬件電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測(cè)。具有jtag口的芯片都有如下jtag引腳定義：tck測(cè)試時(shí)鐘輸入，為tap控制器和寄存器提供參考。tdi測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)tdi輸入jtag口；tdo測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)tdo從jtag口輸出；tms測(cè)試模式選擇，tms用來(lái)設(shè)置jtag口處于某種特定的測(cè)試模

40、式?？蛇x引腳trst測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。s3c44b0x具有相對(duì)應(yīng)的jtag功能，因此我們采用jtag進(jìn)行在線編程。并且采用byteblaster下載電纜進(jìn)行傳輸。目前jtag接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口。這里我們采用了為20針jtag接口。在設(shè)計(jì)中，并沒(méi)有直接將并口與s3c44b0x芯片的相關(guān)引腳相連接，而是使用了74hc244三態(tài)緩沖器芯片，進(jìn)行了隔離和驅(qū)動(dòng)。并且設(shè)置了兩個(gè)小燈，一個(gè)為電源指示燈，另一個(gè)為進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是的指示燈8。3.2.3 鍵盤以及l(fā)cd電路鍵盤電路以及l(fā)cd顯示電路在本系統(tǒng)中，充當(dāng)著輸入設(shè)備和顯示設(shè)備的重要功能。下面對(duì)其工作原理我們將做詳細(xì)

41、的介紹。3.2.3.1 鍵盤模塊電路本設(shè)計(jì)中采用了串行接口的鍵盤顯示專用芯片-ch451。它是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)、鍵盤掃描控制和p監(jiān)控的多功能外圍芯片。ch451具有64鍵的鍵盤掃描功能，如果應(yīng)用中只需要很少的按鍵，則可以在88矩陣中任意去掉不用的按鍵，在本電路中就只用到了45鍵盤。其連接電路如下圖3.7所示。圖3.7鍵盤連接電路ch451定期在顯示驅(qū)動(dòng)掃描過(guò)程中插入鍵盤掃描。如果ch451檢測(cè)到有效的按鍵，則記錄下該按鍵代碼，并通過(guò)dout引腳產(chǎn)生低電平有效的鍵盤中斷；在沒(méi)有檢測(cè)到新的有效按鍵之前，ch451不再產(chǎn)生任何鍵盤中斷。ch45不支持組合鍵，也就是說(shuō)，同一時(shí)刻，不能有兩個(gè)或者

42、更多的鍵被按下；如果多個(gè)鍵同時(shí)按下，那么按鍵代碼較小的按鍵優(yōu)先。3.2.3.2 lcd顯示電路本系統(tǒng)中液晶顯示部分采用了內(nèi)藏t6963c的液晶顯示模塊。內(nèi)藏t6963c的液晶顯示模塊上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了t6963c與行、列驅(qū)動(dòng)器及顯示緩沖區(qū)ram的接口，同時(shí)也已用硬件設(shè)置了液晶屏的結(jié)構(gòu)(單、雙屏)，數(shù)據(jù)傳輸方式，顯示窗口長(zhǎng)度、寬度等等。我們常用的液晶顯示模塊一般都是單屏結(jié)構(gòu)，因此我們這里只討論單屏結(jié)構(gòu)的液晶顯示模塊9。3.2.4 閥門以及傳感器連接電路圖本設(shè)計(jì)中用到了電磁閥、電動(dòng)閥以及各個(gè)相關(guān)傳感器，這里我們把壓力傳感器以及流量傳感器稱為系統(tǒng)的“感覺(jué)器官”，把電磁閥以及電動(dòng)閥稱作系統(tǒng)的“動(dòng)作器官”。(

43、1)感覺(jué)器官流量傳感器采用了天津五環(huán)儀表廠的lwgy-10型液體智能渦輪流量計(jì)。其特點(diǎn)為：1、壓力損失小，葉輪具有防腐功能；2、具有較高的抗電磁干擾和抗震動(dòng)能力，性能可靠工作壽命長(zhǎng)；3、采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)，整機(jī)功能強(qiáng)，功耗低，性能優(yōu)越，具有非線性精度補(bǔ)償功能的智能顯示器。修正公式精度優(yōu)于0.02%；4、儀表系數(shù)可由按鍵在線設(shè)置，并可顯示在lcd屏上，lcd屏直觀清晰可靠性高；5、用eeprom對(duì)累積流量、儀表系數(shù)進(jìn)行掉電保護(hù)。保護(hù)時(shí)間大于10年。 (2)動(dòng)作器官本設(shè)計(jì)中所采用的為北京海林電氣設(shè)備有限公司的hl22020lce-110型電動(dòng)閥。需要的供電電源為ac220v，控制信號(hào)即

44、開(kāi)關(guān)信號(hào)為dc0-10v標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，基本控制原理為：閥門的開(kāi)度，在這里記為0-100%與控制信號(hào)成正向的線性關(guān)系開(kāi)度0對(duì)應(yīng)0v，開(kāi)度100%對(duì)應(yīng)10v，中間依次對(duì)應(yīng)。圖3.8電動(dòng)閥的連接電路圖電動(dòng)閥的連接電路際中電動(dòng)閥所需要的控制信號(hào)為連續(xù)的量，這里我們利用dac0832芯片來(lái)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并且經(jīng)過(guò)一個(gè)由運(yùn)放構(gòu)成的匹配電路，最后連接到電動(dòng)閥上，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥的控制。dac0832具有8位并行的芯片結(jié)構(gòu)、并且有中速(建立時(shí)間1us)、電流型、價(jià)格低廉(10-20元)等特點(diǎn)。在不要求多相d/a同時(shí)輸出時(shí)，可以采用單緩沖方式，此時(shí)只需一次寫操作，就開(kāi)始轉(zhuǎn)換，可以提高d/a的數(shù)據(jù)吞吐量。這里我們需要

45、dac0832所做的工作比較簡(jiǎn)單，所以采用了單緩沖工作方式。3.3 系統(tǒng)供電電源的設(shè)計(jì)電源是整個(gè)控制系統(tǒng)工作的動(dòng)力源，起著非同尋常的作用。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，多處需要不同的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，如核心芯片s3c44b0x的工作電壓為3.3v、adc0832的工作電壓為5.0v等等。在設(shè)計(jì)中電壓。此外我們?cè)O(shè)計(jì)了電源工作指示燈，電流增強(qiáng)輸出的正向電源電路，并且利用一個(gè)附加的功環(huán)境為田間，因此，我們因地制宜，直接使用采用拖拉機(jī)發(fā)電機(jī)輸出的12v電壓，進(jìn)行了一系列的電壓轉(zhuǎn)換。(1)s3c44b0x工作電源電路由于s3c44b0x工作所需電壓為3.3v在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體供電時(shí)我們只提供了5v電壓，所以要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)

46、換，轉(zhuǎn)我們也同時(shí)轉(zhuǎn)換得到了2.5v在通電時(shí)，小燈點(diǎn)亮，代表了電源轉(zhuǎn)換電路的正常工作。具體電路圖如圖3.9所示。圖3.9 s3c44b0x工作電源轉(zhuǎn)換圖(2)dc12v-dc5v電源變換電路首先，我們將拖拉機(jī)發(fā)電機(jī)輸出12v的直流電壓經(jīng)過(guò)7805電源轉(zhuǎn)換模塊降壓，整流、濾波和穩(wěn)壓后得到具有一定功率的5v的電源。三端穩(wěn)壓器件78xx/79xx系列三端穩(wěn)壓器件是最常用的線性降壓型dc/dc轉(zhuǎn)換器，78xx/79系列簡(jiǎn)單易用、價(jià)格低廉，直到今天還在大多電路中采用。78xx/79xx系列在降壓電路中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1、輸入輸出壓差不能太大，太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；2、輸出電流不能太大，

47、1.5a是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會(huì)導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿；3、輸入輸出壓差也不能太小，大小效率很差。3.4 噴藥機(jī)的結(jié)構(gòu)本噴藥機(jī)是20馬力小四輪配套的小型植物保護(hù)機(jī)械，適用于全面噴、苗帶噴灑。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便、作業(yè)范圍廣，經(jīng)濟(jì)效益高。其主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)如下所示：外形尺寸：3000 6000 1390mm；掛接方式：后機(jī)械懸掛式；配套泵：xn-b型齒輪噴霧泵；幅寬：6m；噴嘴：德國(guó)人工合成塑料pomst110-05 10個(gè)；噴頭間距：500-600-700mm可調(diào)離地高度：400-800mm可調(diào)；班次生產(chǎn)率200畝/8小時(shí)。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如果說(shuō)硬件是控制系統(tǒng)的

48、“骨架”，那么軟件就是整個(gè)控制系統(tǒng)的“靈魂”，二者缺一不可。好的軟件系統(tǒng)可以對(duì)硬件部分的缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)和優(yōu)化，使系統(tǒng)能夠更好的完成目標(biāo)工作。下面在本章中我們將對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和軟件流程進(jìn)行介紹。4.1 ads1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ads1.2是一個(gè)使用方便的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，全稱是arm developer suite 1.2。它是由arm公司提供的專門用于arm相關(guān)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和調(diào)試的綜合性軟件，是一款較為成熟的版本。ads的前身是sdt，sdt是arm公司幾年前的開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件，目前sdt早已經(jīng)不再升級(jí)。在功能和易用性上ads1.2比較sdt都有提高，是一款功能強(qiáng)大又易于使用的開(kāi)發(fā)工具。ads囊括了一系列

49、的應(yīng)用，并且有相關(guān)的文檔和實(shí)例的支持。使用者可以用它來(lái)編寫和調(diào)試各種基于arm家族risc處理器的應(yīng)用。即ads1.2支持arm10之前的所有arm系列微控制器，支持軟件調(diào)試及jtag硬件仿真調(diào)試，支持匯編、c、c+源程序；具有編譯效率高，系統(tǒng)功能強(qiáng)等特點(diǎn)；可以在windows98、windows xp、windows 2000以及radhat linux上運(yùn)行。4.2 處方圖的制作、坐標(biāo)變換以及網(wǎng)格識(shí)別在進(jìn)行軟件編程之前有2個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題需要解決，它們是進(jìn)行軟件編程之前的前期準(zhǔn)備工作。這兩個(gè)問(wèn)題是坐標(biāo)變換、網(wǎng)格識(shí)別以及處方圖的制作。4.2.1 坐標(biāo)變換以及網(wǎng)格識(shí)別假設(shè)已經(jīng)知道了施肥點(diǎn)的經(jīng)度，緯

50、度信息(分成小數(shù)和整數(shù)部分)，已經(jīng)錄入了基點(diǎn)的經(jīng)度，緯度信息(分成正數(shù)和小數(shù)部分)，我們根據(jù)壟距的大小來(lái)設(shè)定長(zhǎng)度，計(jì)算出其在經(jīng)緯度方向上換算成的經(jīng)緯度數(shù)值(也分成整數(shù)和小數(shù)部分)，因此可以算出行列(經(jīng)緯)位置數(shù)值如下：行標(biāo)和列標(biāo)的算法不僅可以運(yùn)用在坐標(biāo)變換之中，而且還可以用于確定噴藥點(diǎn)的位置，可以通過(guò)讀文件得到噴藥點(diǎn)的藥量10。4.2.2 處方圖的制作目前精確農(nóng)業(yè)的變量噴藥主要有兩種方式，即基于處方圖和基于傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。本研究工作擬采用基于處方圖方式實(shí)施變量噴藥原因如下：(1)缺少即時(shí)監(jiān)測(cè)病蟲(chóng)害條件和作物條件的傳感器；(2)噴藥決策取決于事先計(jì)劃(如目標(biāo)產(chǎn)量和病蟲(chóng)害條等)；(3)實(shí)時(shí)

51、監(jiān)測(cè)與控制設(shè)備目前不能滿足生產(chǎn)率要求。制作農(nóng)田電子地圖(這里稱為處方圖)是使用本噴藥機(jī)實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)技術(shù)時(shí)首先必須做的工作。其基本步驟是：首先帶著gps接收設(shè)備，繞農(nóng)田行走一周，獲得農(nóng)田邊界位置數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度等)。由于地形對(duì)作物分布、機(jī)器作業(yè)和水土流失等有著直接影響，因此，常常要獲取農(nóng)田地形參數(shù)。然后在實(shí)驗(yàn)室中，下載記錄的農(nóng)田邊界和地形等數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的軟件，便可以生成農(nóng)田電子地圖。在本系統(tǒng)中采用dcas系統(tǒng)對(duì)耕作地塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先將采樣得到的離散點(diǎn)邊界信息整合到一個(gè)圖里，然后利用軟件的相應(yīng)功能使其連續(xù)，最后根據(jù)算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這里我們把地塊劃分為40m*40m大小的網(wǎng)格。病蟲(chóng)害信息采樣

52、是目前獲取田間狀態(tài)信息的主要手段，是病蟲(chóng)害分布研究和變量噴藥決策的前提。只有獲得了足夠的農(nóng)田狀態(tài)信息，才有可能實(shí)現(xiàn)因地制宜和按需噴藥。土壤采樣需要gps和相應(yīng)的采樣導(dǎo)航軟件的支持。拖拉機(jī)進(jìn)入田間采樣時(shí)，在aggps132中，調(diào)出農(nóng)田采樣網(wǎng)格圖。拖拉機(jī)按照擬定的行車路線，依次駛向每個(gè)采樣網(wǎng)格的中心，到達(dá)網(wǎng)格中心時(shí)，拖拉機(jī)停止前進(jìn)，進(jìn)行病蟲(chóng)害采樣和包裝。aggps132可以記錄采樣點(diǎn)的實(shí)際位置，以提高噴藥量分布的分析精度。所獲取的病蟲(chóng)害樣本在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)化學(xué)分析，結(jié)合電子地圖制作相應(yīng)的噴藥量分布圖。為了方便使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析農(nóng)田內(nèi)的病蟲(chóng)害分布，并比較年際間的病蟲(chóng)分布變化，需要知道采樣點(diǎn)的位置坐標(biāo)。傳

53、統(tǒng)的采樣，由于沒(méi)有g(shù)ps的導(dǎo)航和定位，在大面積的農(nóng)田內(nèi)，難于滿足這一要求。而gps在病蟲(chóng)害采樣導(dǎo)航和定位中的應(yīng)用，可以為采樣點(diǎn)提供亞米級(jí)的定位精度，很好地滿足了這一要求。根據(jù)以上步驟即可完成變量噴藥處方圖的制作過(guò)程。4.3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)參考系統(tǒng)的硬件電路，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)大體可以分為：主程序模塊，gps信息的接收和解碼模塊、鍵盤處理模塊，lcd顯示和處理模塊、jtag下載調(diào)試模塊、處方圖信息處理模塊、傳感器信息讀取模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊等。4.3.1 主程序模塊的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)的主程序流程圖4.3.2 gps信息的接收和解碼軟件設(shè)計(jì)該部分的功能是使用cp

54、u和gps模塊進(jìn)行通信，獲得當(dāng)前的方位信息。在本系統(tǒng)中我們采用串口來(lái)對(duì)來(lái)自gps的信息進(jìn)行接受和解碼。下面對(duì)串口通信進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。眾所周知，每臺(tái)pc都配有串行端口，以便與外部串行設(shè)備之間進(jìn)行通信。串行端口的本質(zhì)功能是作為芯片和串行設(shè)備之間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從芯片經(jīng)過(guò)串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位將被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。gps提供串行通信接口，由rs232串口提供驅(qū)動(dòng)，來(lái)處理計(jì)算機(jī)與gps之間的數(shù)據(jù)輸入/輸出，另外還要處理串口進(jìn)入的不明數(shù)據(jù)。在串口初始化的時(shí)候，要根據(jù)設(shè)置參數(shù)對(duì)串口進(jìn)行正確的設(shè)置。arm帶有兩個(gè)自帶的串行口，各帶16字節(jié)的先入先出寄存器(fi

55、fo)，最大波特率可達(dá)115 200bps。其中每個(gè)uart有7種狀態(tài)：溢出錯(cuò)誤、校驗(yàn)錯(cuò)誤、幀錯(cuò)誤、暫停態(tài)、接收緩沖區(qū)準(zhǔn)備好、發(fā)送緩沖區(qū)空、發(fā)送移位寄存器空。由于uart可以同時(shí)存在幾個(gè)中斷源申請(qǐng)中斷的情況，而uart的硬件僅指示出其中的一個(gè)中斷源，為減少多次進(jìn)入中斷而引起的開(kāi)銷，中斷中使用了while循環(huán)判斷uart的中斷是否處理完畢11。中斷服務(wù)程序流程圖如下圖4.2所示：圖4.2系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序流程圖串口的接收過(guò)程可采用查詢或中斷方式。但是查詢方式耗時(shí)較長(zhǎng)，有可能延長(zhǎng)20ms的程序運(yùn)行周期，不滿足實(shí)時(shí)性要求，所以選擇使用中斷方式以減少驅(qū)動(dòng)程序?qū)pu時(shí)間的占用。4.3.3 鍵盤處理模塊

56、在鍵盤處理模塊中，采用了中斷掃描方式。中斷掃描方式在沒(méi)有鍵按下時(shí)，cpu處理其他工作而不必進(jìn)行鍵盤的掃描；有鍵按下時(shí)，通過(guò)硬件電路向cpu申請(qǐng)鍵盤中斷，在鍵盤中斷服務(wù)程序中完成鍵盤處理，這樣可以提高cpu的工作效率。中斷掃描程序流程圖如右所示。在本系統(tǒng)中鍵盤與lcd顯示是配套使用的，即由鍵盤作為輸入設(shè)備，對(duì)lcd顯示進(jìn)行控制，比如進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)、坐標(biāo)和噴藥量修改等。硬件我們連接的是4*5的鍵盤，我們對(duì)其中的16個(gè)按鍵進(jìn)行了運(yùn)用，空余4個(gè)按鍵，一共以后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)使用。在實(shí)際應(yīng)用中，有些時(shí)候可能不小心按下了鍵盤的按鍵，而改變了系統(tǒng)的參數(shù)和狀態(tài)，使系統(tǒng)運(yùn)行不正常，這樣就會(huì)帶來(lái)麻煩和損失。為了避免

57、這一情況的發(fā)生，我們對(duì)鍵盤進(jìn)行了鎖定操作。在這種境況下，只有密碼輸入正確才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。在不需要鍵盤操作的時(shí)候，可以對(duì)鍵盤進(jìn)行鎖定，這樣就不會(huì)因?yàn)檎`操作而出現(xiàn)引起系統(tǒng)錯(cuò)誤運(yùn)行的情況。圖4.3為鍵盤解密和加密的流程圖。圖4.3鍵盤解密和加密的流程圖4.3.4 lcd顯示和處理模塊我們?cè)谟布羞x用t6963c液晶屏幕進(jìn)行顯示，采用間接控制方式對(duì)其進(jìn)行控制。這種方式是mpu通過(guò)i/o并行接口，按照模擬模塊時(shí)序的方式，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的控制。對(duì)于液晶的基本操作編程相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要：(1)進(jìn)行初始化，其中包括對(duì)文本顯示區(qū)域首地址和顯示寬度的設(shè)置、對(duì)圖形顯示區(qū)域首地址和顯示寬度的設(shè)置、光標(biāo)形狀設(shè)置、方式設(shè)置和開(kāi)關(guān)設(shè)置等；(2)讀狀態(tài)字子程序；(3)讀數(shù)據(jù)子程序；(4)寫指令和寫數(shù)據(jù)子程序。這些程序的編寫只要簡(jiǎn)單根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書的相應(yīng)設(shè)置編寫控制字即可。4.3.5 jtag下載調(diào)試模塊通過(guò)jtag接口可以進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)電路板及芯片的調(diào)試，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路板上的flash編程。它是通過(guò)現(xiàn)有的jtag邊界掃描口與arm cpu核