插秧机无线监控系统硬件电路的设计
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摘要：为实现插秧机的无人驾驶和数据采集，对插秧机的无线监控系统电路进行了设计。系统主要由中央处理单元、传感器检测单元、插秧机控制单元、无线数据传输单元及上位机控制单元等5部分组成。中央处理单元主控芯片采用STC12C5A60S2单片机，采集并处理传感器检测单元检测到的插秧机相关参数；插秧机控制单元依据中央处理单元的命令控制插秧机行驶与工作；无线数据传输单元用于与上位机控制单元通讯；上位机控制单元通过RS232与PC机相连。试验结果表明，通过此系统能远程实时采集插秧机的状态参数，并实现插秧机的遥控行驶。
关键词：插秧机；无线监控系统；电路设计
中图分类号：S223.91 文献标识码：A 文章编号：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
中国是世界上最大的稻米生产国与消费国，因此，水稻生产机械化与智能化在我国现代农业中占据了重要地位。插秧机由于具备节省秧苗、提高工作效率、减轻劳动强度、降低直接成本以及提高产量等优点，在水稻种植中得到广泛的应用[1-5]。为进一步提高工作效率，降低操作者劳动强度，设计了一套插秧机无线监控系统的硬件电路，能实现插秧机遥控驾驶与远程状态参数采集。
1 系统总体方案设计
系统主要由中央处理单元、传感器检测单元、插秧机控制单元、无线数据传输单元及上位机控制单元等5部分组成，其总体结构框图如图1。传感器检测单元由陀螺仪、电子罗盘与编码器等组成，主要用于采集插秧机工作中的相关数据；中央处理单元对传感器检测单元采集的信息进行处理分析后，通过无线数据传输单元将相关信息送入上位机控制单元；操作者通过与上位机控制单元相连的PC机操作界面观察插秧机行驶与工作的实时数据，并发送相关控制命令，经无线数据传输单元传输到中央处理单元，由插秧机控制单元控制插秧机的行驶与工作。
2 下位机硬件电路设计
下位机硬件电路主要包括中央处理单元、传感器检测单元与插秧机控制单元，传感器检测单元完成数据采集，中央处理单元进行信息处理与分析，插秧机控制单元控制插秧机的行驶与工作，其电路原理总图如图2所示。
2.1 中央处理单元电路设计
中央处理单元主控芯片采用STC12C5A60S2单片机，该单片机具有8个ADC转换通道，2路可编程PWM和4个16位定时器，因此能够实现多传感器的信号采集处理，该单元主要包括12 V转5 V及3.3 V的直流稳压电源、晶振电路和其他扩展电路。传感器检测单元将检测到的参数经由CAN总线[6，7]控制器传输给中央处理单元，同时中央处理单元根据传感器检测单元采集到的数据来控制插秧机的执行机构，并通过2.4 GHz的无线通讯模块与上位机进行数据通讯。中央处理单元电路图如图3。
2.2 传感器检测单元电路设计
传感器检测单元主要用来采集插秧机工作时的工况数据，以实时监测其各种工况信息。传感器检测单元采集的数据包括陀螺仪检测到的角速度及角加速度、电子罗盘检测到的航向角、编码器检测到的运动速度及行驶距离等参数[8-10]。插秧机系统数据的采集电路采用了CAN总线的结构，每个CAN节点的结构都由传感器、CAN总线控制器SJA1000以及收发器PCA82C250组成。中央处理单元中的主控芯片STC12C5A60S2单片机负责采集CAN总线上各个节点的数据，通过下发采集命令来采集各个传感器数据。陀螺仪在插秧机发生角度偏移时测量理论角度偏移量和实际角度偏移量的差值，并将该值经过单片机和CAN控制器传送给中央处理单元，由其计算出补偿值并进行误差补偿。后轮采用的光电编码器是一种将位移量转换成脉冲或数字量的传感器，当插秧机运动时其通过检测装置不断检测并输出脉冲信号，通过采集到的脉冲个数可计算出插秧机的行驶距离。图4为CAN总线通讯单元电路图，图5为后轮编码器数据采集模块电路原理图。
2.3 插秧机控制单元电路设计
插秧机控制单元主要用来驱动控制方向盘的步进电机、离合器的电动推杆、档位的电动推杆以及一个点火/熄火的模块。由于插秧机的转向是采用液压助力转向，所以在插秧机启动后的方向盘阻力矩很小，经试验步进电机产生的力矩完全能克服转向阻力矩。电动推杆自带位置传感器，能实时检测档位和离合器的位置。点火/熄火模块用来启动或关闭插秧机的发动机。插秧机控制单元电路图如图6。
3 上位机控制单元电路设计
上位机控制单元是连接上位机与下位机的桥梁，上位机采用的是PC机，必须通过串口与无线数据通讯模块进行数据交换才能实现对插秧机的控制。上位机控制单元主要由一个单片机和无线数据传输模块构成（图7），单片机通过RS232接口与PC机相连，使PC机通过RS232接口来发送命令和采集数据，以此实现PC机与下位机的协议通信。
4 小结
为验证系统的可行性与稳定性，在完成系统硬件电路并设计了基于Visual 2008的上位机监控软件后进行了相关试验，即通过PC机对水泥地面上的插秧机进行遥控驾驶操作并采集相关参数，试验结果表明，通过此系统能远程实时采集插秧机的状态参数，并实现了插秧机无线遥控行驶，系统稳定性好、可靠性高。
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