CN203164717U - 一种智能化pwm间歇喷雾式变量喷施控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器，该变量喷施控制器由控制器主机板，电源，反相器，电磁阀驱动电路，模拟信号输出通道，车速检测装置，压力流量检测装置，人机对话装置组成。利用带有PWM信号输出功能的微控制器作为主控芯片，结合各个功能模块，实现传感器信号采集，喷杆压力快速稳定控制，多路PWM信号输出。控制器具有单机和联机两种工作模式，单机模式下，工作参数由人工通过人机对话接口输入；联机模式下，由上位机通讯设置。该喷施系统结构简单，适用性强，能够实现多个喷头的独立变量喷施，可以应用于农药和液体肥料的精确变量喷施。

Description

一种智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器

技术领域

本实用新型涉及一种智能化变量喷施控制器，具体说为一种智能化脉宽调制PWM间歇喷雾式变量喷施控制器，属于智能化农业机械领域。

背景技术

变量喷施是指农药设备根据农田内各个小区域中的作物病虫草害的具体情况，向受灾区准备的喷施所需用量的农药，根据每块区域的具体情况进行按需施药。变量喷施控制主要有变压式、农药原液变量注入式和PWM(脉宽调制)式三种实现方式。变压式通过调节喷雾压力来实现喷雾流量的改变；农药原液变量注入式通过向固定流量的载体液（一般是水）中注入不同量的农药原液来实现实际农药施用量的调节；而PWM式则通过改变喷头电磁阀的通断频率和占空比来调节喷头的实际喷雾量。变压式和农药原液变量注入式变量喷施技术在喷药量动态响应特性、流量调节性能和流量控制精度等方面存在技术缺陷；而PWM式变量喷施技术在这些方面具有更好的技术特性，且使用普通喷头即可在不改变雾滴粒径及喷雾模式的情况下实现大范围的流量调节，所以成为当前变量喷施技术的发展方向。

专利号为201120417294.X公开了一种变量喷雾控制器，主控制器模块采用AT89C52单片机。主控制模块根据计算单位面积的实际施药量与设定的单位面积施药量相比较的结果自动调节位于管道上的电动调解执行模块，从而引起回水管流量的变化，改变实际施药量。专利号为201120227494.9公开了一种液态肥变量施用控制器，采用单片机控制电动阀内部电机，将所需肥料和单位面积施用量事先编程存于计算机中，获取田间当前位置信息和当前机具行进速度，控制撒播施肥量。这两种均为变压式喷雾控制器。这两种喷雾控制器虽然能完成变量喷施的功能，但控制器在流量控制精度和流量调节性能方面还存在不足。不能达到喷雾精度预期的效果。

专利号为201010225458.9公开了一种农用多功能变量控制器，该控制器的中央处理器采用ARM7系列的S3C44BOX微处理器，该控制器为变压式变量控制器，主要为了克服在不同农作物耕作环节中频繁更换变量控制器的不足。虽为多功能变量控制器，但每种功能所实现的喷雾效果并没有改善现有喷雾特性的不足。

魏新华等发表在《农业机械学报》上的《PWM间歇喷雾式变量喷施控制器设计与测试》中，以DSP56F805数字信号控制器为核心，设计了一种PWM间歇喷雾式变量喷施控制器。该控制器中的PWM信号只能同相输出，沉积分布均匀性比较差，容易出现漏喷。

实用新型内容

为了克服现有技术中沉积分布均匀性比较差，容易出现漏喷的缺陷，本实用新型提供一种智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器。与上述变量喷施控制器相比较，本实用新型利用带有PWM信号输出功能的微控制器作为主芯片，内部集成PWM信号发生器，外接反相器，使相邻PWM信号分别以正、反相输出，具体技术方案如下：

一种智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器，由控制器主机板（25）、PWM组件A（14）、PWM组件B（15）、通讯接口（39）、人机对话接口（40）、人机对话装置（41）、电磁阀驱动电路（35）、模拟信号输出通道（36）、压力流量检测装置（38）车速检测装置（37）、电源（34）和反相器（13）组成；通讯接口（39）、人机对话接口（40）、PWM组件A（14）和PWM组件B（15）设置在控制器主机板内；模拟信号输出通道（36）、车速检测装置（37）、压力流量检测装置（38）、电源（34）分别与控制器主机板（25）相连接；人机对话接口（40）连接人机对话装置（41）；PWM组件A（14）和PWM组件B（15）连接电磁阀驱动电路（35）；PWM信号由控制器自动输出，各路PWM信号相互独立，可以具有不同的频率和占空比；控制器有单机和联机两种工作方式，单机模式下，工作参数通过人机对话接口（40）人工输入或设置，联机模式下工作参数通过通讯接口（39）由上位机设置；车速信号通过车速检测装置（37）实时检测获得，或通过通讯接口（39）由上位机输入；在每个喷杆分区支管路中装有流量传感器，进行喷头实时喷雾流量的分组监测，对实际喷雾流量进行分组闭环调控；其特征在于：在PWM组件A（14）和电磁阀驱动电路（35）之间设有反相器（13），经反相器（13）输出的反相PWM信号与PWM组件B（15）输出的正相PWM信号间隔排列，并依次连接电磁阀驱动电路（35），使相邻PWM信号分别以正、反相输出。

所述控制器主机板选用带有多路PWM信号输出功能的微控制器作为主控芯片，微控制器中针对各路PWM信号分别设有不同的控制寄存器，可以单独设置各路PWM信号的频率和占空比。

所述单机和联机工作模式通过一个二位转换开关进行切换，转换开关的公共端接地，两个触点端分别连接主控芯片的两个DI通道，并分别通过一个上拉电阻接高电平，主控芯片通过读取两个DI通道的状态确定当前工作模式设置。

所述车速检测装置由霍尔式接近开关、光电隔离器件、脉冲整形器组成。霍尔传感器采集拖拉机车轮转速信息和隔膜泵输入轴转速信息，输出两路脉冲信号，利用带有PWM信号输出功能的微控制器自带的正交解码器接收脉冲信号并测量脉冲频率。由于霍尔传感器输出的脉冲信号在传输过程中发生波形畸形，可通过施密特触发器SN74LVC14对脉冲进行整形，使DSP读取到比较理想的方波信号。

比例溢流阀控制电路：比例溢流阀是通过电磁铁直接产生推力作用在阀芯上，随着比例溢流阀的控制电压发生变化，电磁铁产生的推力就会随之变化。控制器信号范围对应阀芯位置从关闭到完全开通，从而可以得到连续变化的液压压力。控制器中，利用中央处理器的SPI接口功能，外接数模转换芯片，给比例溢流阀提供控制电压信号。

CAN总线收发电路：CAN总线采用多主结构，其各节点之间的数据通信实时性强，传输距离长，速度快，数据量大。CTM8251是CAN总线收发器的模块，该模块的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平。

本实用新型具有有益效果。本实用新型通过利用反相器的反相关系，相邻喷头反相互补，电磁阀启停时刻错开，抵消一部分液压冲击，并且总流量的变化幅度减小，有利于压力的稳定。喷头同时开，雾量较多，同时关，雾量较少，导致沉积分布均匀性比较差，设置反相器后，相邻喷头的雾滴沉积区域正好互补，使沉积分布更趋于均匀性，从而可以提高雾滴覆盖范围。

附图说明

图1为智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器结构示意图；

图2为智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器原理框图；

图中：1.高速开关电磁阀，2.比例溢流阀，3.霍尔传感器，4.固态继电器，5.集成电子单元，6.光电隔离，7.线驱动器A，8.D/A转换器，9.脉冲整形，10.电平转换器A，11.电平转换器B，12.电平转换器C，13.反相器，14.PWM组件A，15.PWM组件B，16.SPI串行外设接口，17.四元定时器组件，18.A/D转换器A，19.A/D转换器B，20.CAN组件，21.通用I/O接口，22.外部扩展总线，23.I/V变换电路，24.CAN收发器，25.控制器主机板DSP56F805，26.电平转换D，27.电平转换F，28.压力传感器，29.流量传感器，30.CAN接口，31.线驱动器B，32.键盘及多位开关，33.LCD接口，34.电源，35.电磁阀驱动继电器，36.模拟信号输出通道，37.车速检测装置，38.压力流量检测装置，39.通讯接口，40.人机对话接口，41.人机对话装置。

具体实施方式

结合附图及实施方式进一步说明该变量喷施控制器。

如图1所示，智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器由控制器主机板（25）、PWM组件A（14）、PWM组件B（15）、通讯接口（39）、人机对话接口（40）、人机对话装置（41）、电磁阀驱动电路（35）、模拟信号输出通道（36）、压力流量检测装置（38）车速检测装置（37）、电源（34）和反相器（13）组成；通讯接口（39）、人机对话接口（40）、PWM组件A（14）和PWM组件B（15）设置在控制器主机板内；模拟信号输出通道（36）、车速检测装置（37）、压力流量检测装置（38）、电源（34）分别与控制器主机板（25）相连接；人机对话接口（40）连接人机对话装置（41）；PWM组件A（14）和PWM组件B（15）连接电磁阀驱动电路（35）；在PWM组件A（14）和电磁阀驱动电路（35）之间设有反相器（13），经反相器（13）输出的反相PWM信号与PWM组件B（15）输出的正相PWM信号间隔排列，并依次连接电磁阀驱动电路（35），使相邻PWM信号分别以正、反相输出。根据图2所示，车速检测装置（37）由霍尔传感器（3），光电隔离（6），脉冲整形（9），电平转换器C（12）组成。压力流量检测装置（38）由I/V变换电路（23），压力传感器（28）和流量传感器（29）组成。模拟信号输出通道（36）包括集成电子单元（5）、D/A转换器（8）、电平转换器B（11）。通讯接口（39）连接CAN总线收发器（24），人机对话装置包括键盘及多位开关（32）、线驱动器（31）、LCD接口（33）。

如图2所示，数字信号控制器 DSP56F805（25）芯片集成PWM信号组件A（14）、PWM信号组件B（15）、SPI串行外设接口（16）、四元定时器（17）、A/D转换器（18，19）、CAN组件（20）、通用I/O接口（21）、外部扩展总线（22）。PWM组件A（14）连接反相器（13），和PWM组件B（15）一起连接电平转换器A（10），通过线驱动器A（7）和固态继电器（4）连接到高速开关电磁阀（1）。SPI串行外设接口（16）与电平转换器B（11）相连，通过D/A转换器（8）和集成电子单元（5）连接到比例溢流阀（2）。霍尔传感器（3）通过光电隔离（6）和脉冲整形（9），经过电平转换器C（12）连接到四元定时器（17）。压力传感器（28）和流量传感器（29）经过I/V变换电路（23）分别连接到A/D转换器A（18），A/D转换器B（19）。CAN收发器（24）分别于CAN组件（20）和CAN接口（30）相连。通用I/O接口（21）通过电平转换D（26）和线驱动器B（31）与键盘及多位开关（32）相连。外部扩展总线（22）通过电平转换F（27）与LCD接口（33）相连。

该智能型PWM变量喷施控制器的PWM信号由控制器自动输出，各路PWM信号相互独立，具有不同的频率和占空比。而且在PWM信号输出通道上加反相器，将奇数或偶数编号的PWM输出信号反相，从而使相邻喷头的PWM控制信号反相互补，使电磁阀启停时刻和喷头停喷时刻错开。

该智能化PWM变量喷施控制器有单机和联机两种工作方式。在单机模式下，工作参数通过人机对话接口由人工输入或设置，在联机模式下，工作参数通过通讯接口由上位机设置。PWM变量喷施控制器可与喷雾机车载电脑组成分布式控制系统。车载电脑作为上位机，通过GPS（全球定位系统）和GIS（地理信息系统）获取各作业区域的目标喷药量。PWM变量喷施控制器作为下位机，负责药液变量喷施过程的具体实现，上、下位机之间通过CAN总线或其他串行总线进行通讯。

该智能化PWM变量喷施控制器的车速信号通过车速检测装置实时检测获得，或通过通讯接口由上位机输入。霍尔传感器（3）采集拖拉机车轮转速信息和隔膜泵输入轴转速信息，输出两路脉冲信号，利用DSP56F805（25）自带的正交解码器接收脉冲信号并测量脉冲频率。对霍尔传感器（3）输出的脉冲信号进行整形，使DSP读取到比较理想的方波信号。根据设定的农药量和机组车速对喷雾流量进行实时调节，保持施药量的稳定。

该智能化PWM变量喷施控制器的施药量控制方法由分组监测功能和车速检测装置（37）组合完成。每个喷杆分区支管路上装有流量传感器，实行实时喷雾流量的分组监测。根据设定的农药量和机组车速对喷雾流量进行实时调节，对实际喷雾流量进行分组闭环调控，保持施药量稳定。

该智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器工作过程：通过人机对话接口（40）或通讯接口（39）接收各喷头设定的施药量，通过霍尔传感器（3）采集拖拉机车轮转速的脉冲信号，得到机组的前进速度，根据机组前进速度、各喷头当前喷施区域内的设定施药量计算各喷头的实时喷雾流量，进一步确定各喷头电磁阀的PWM控制信号频率和占空比，从而实现设定施药量的定量喷施；同时，每个喷杆分区支管路中的流量传感器对各喷杆分区的喷施总流量进行实时检测，并对各喷头电磁阀的PWM控制信号的占空比进行微调；同时对喷杆压力进行实时检测。根据设定的喷杆压力，通过比例溢流阀对喷杆进行实时调节，以实现喷杆压力的稳定控制。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本实用新型的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器，由控制器主机板（25）、PWM组件A（14）、PWM组件B（15）、通讯接口（39）、人机对话接口（40）、人机对话装置（41）、电磁阀驱动电路（35）、模拟信号输出通道（36）、压力流量检测装置（38）车速检测装置（37）、电源（34）和反相器（13）组成；通讯接口（39）、人机对话接口（40）、PWM组件A（14）和PWM组件B（15）设置在控制器主机板内；模拟信号输出通道（36）、车速检测装置（37）、压力流量检测装置（38）、电源（34）分别与控制器主机板（25）相连接；人机对话接口（40）连接人机对话装置（41）；PWM组件A（14）和PWM组件B（15）连接电磁阀驱动电路（35）；PWM信号由控制器自动输出，各路PWM信号相互独立，可以具有不同的频率和占空比；控制器有单机和联机两种工作方式，单机模式下，工作参数通过人机对话接口（40）人工输入或设置，联机模式下工作参数通过通讯接口（39）由上位机设置；车速信号通过车速检测装置（37）实时检测获得，或通过通讯接口（39）由上位机输入；在每个喷杆分区支管路中装有流量传感器，进行喷头实时喷雾流量的分组监测，对实际喷雾流量进行分组闭环调控；其特征在于：在PWM组件A（14）和电磁阀驱动电路（35）之间设有反相器（13），经反相器（13）输出的反相PWM信号与PWM组件B（15）输出的正相PWM信号间隔排列，并依次连接电磁阀驱动电路（35），使相邻PWM信号分别以正、反相输出。

2.如权利要求1所述的智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器，其特征在于：所述控制器主机板选用带有多路PWM信号输出功能的微控制器作为主控芯片，微控制器中针对各路PWM信号分别设有不同的控制寄存器，可以单独设置各路PWM信号的频率和占空比。

3.如权利要求1所述的智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器，其特征在于：所述单机和联机工作模式通过一个二位转换开关进行切换，转换开关的公共端接地，两个触点端分别连接主控芯片的两个DI通道，并分别通过一个上拉电阻接高电平，主控芯片通过读取两个DI通道的状态确定当前工作模式设置。

4.如权利要求1所述的智能化PWM间歇喷雾式变量喷施控制器，其特征在于：所述车速检测装置由霍尔式接近开关、光电隔离器件、脉冲整形器组成。

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