一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，包括控制单元，以及同所述控制单元相连接的外围部件和传感器组单元，具体包括CAN收发电路、RS232/RS485电路、车载电池、按键扫描、DC/DC隔离电源、XC2234L单片机、MultiCAN单元、UART单元、多路PWM生成器、放大保护隔离模块组及电磁阀组、压力传感器、速度传感器、流量传感器，所述多路PWM生成器分别和所述放大保护隔离模块组相连接，所述放大保护隔离模块组分别同电磁阀组相连接。本发明的控制器集数据采集与控制功能于一体，方便外接各类传感器，来检测农作物目标有无和特征的变化，从而因地制宜地变量施药，提高了农药有效使用率，降低了环境污染，为变量喷雾机的开发提供了技术支持。
【专利说明】一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种喷雾控制器，尤其是涉及一种车载变量喷雾独立喷嘴流量控制器。
【背景技术】
[0002]通常情况下，农作物在生长期间，会受到各种病虫害的侵害，因此喷雾施药是保证农作物健康生长的重要步骤。然而，传统的喷雾控制器，一般都是靠人工改变喷雾参数，其控制精度较低，造成农药的大量浪费，引起生态、环境污染等问题。
[0003]在农业电气自动化领域，精密变量喷雾作为一种先进的农业施药技术，能够根据农作物目标有无及特征的变化，选择性地喷雾施药，在农业中已逐步得到推广。该技术能降低农药的非靶标沉积、减少环境污染、提高农药的有效使用率，有利于构建资源节约型、环境友好型社会，是农业精细化、可持续化、科学化发展的要求和方向；然而，目前国内在精密变量喷雾领域仍缺乏便于操作的和实用化的变量对靶喷洒装置。
【发明内容】
[0004]为了实现变量对靶喷洒，本发明给出一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，它能够根据农作物目标有无和特征的变化，因地制宜地智能变量喷雾施药。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，包括控制单元，以及同所述控制单元相连接的外围部件和传感器组单元；所述控制单元用于对喷雾作业独立喷嘴流量的控制，内部包括集成单元，所述集成单元包括Multi CAN单元、UART单元、ADC转换单元、I/O接口、多路PWM生成器；所述外围部件包括CAN收发电路、RS232/RS485电路、按键扫描、DC/DC隔离电源、信号调理电路、I/O隔离电路、放大保护隔离模块组，所述外围部件用于为控制单元提供电源、数据通讯、信息指令的输入、以及对控制器的电路保护；所述传感器组单元包括压力传感器、速度传感器、流量传感器，分别用于检测喷雾机的喷雾作业压力、喷雾机行进速度和喷嘴总流量大小，便于喷雾作业者对其监控，保持系统喷雾压力、流量的正常。
[0006]所述控制单元分别通过按键扫描、DC/DC隔离电源和手动输入、车载电池相连接；所述Multi CAN单元与所述CAN收发电路相连接，所述UART单元与所述RS232/RS485电路相连接，所述压力传感器通过信号调理电路与所述ADC转换单元相连接，所述速度传感器、流量传感器通过I/O隔离电路与所述I/O接口相连接，所述多路PWM生成器分别和所述放大保护隔离模块组相连接，所述放大保护隔离模块组均同电磁阀组相连接，用于实现对电磁阀组工作状态的控制和保护。
[0007]进一步，所述控制单元为XC2234L单片机，具有四个串行接口，二通道CAN总线模块。该单片机工作温度范围宽，低功耗，还带有功能强大的外设集，可以降低CPU的负载，数据预处理功能强。
[0008]进一步，所述放大保护隔离模块组包括达林顿驱动电路、光电隔离器、MOSFET驱动电路、可恢复过流保护器、瞬态电压抑制电路，所述达林顿驱动电路连接光电隔离器，所述光电隔离器连接MOSFET驱动电路，所述MOSFET驱动电路连接可恢复过流保护器，所述可恢复过流保护器连接瞬态电压抑制电路，用于实现对各个电磁阀的实时控制和对电路的保护作用。
[0009]进一步，所述DC/DC隔离电源的型号为WRF1205P-3WR2，采用DIP小体积集成封装。
[0010]进一步，所述可恢复过流保护器的型号为0ZCC0075AF2B自恢复保险丝，采用PTC封装。
[0011]进一步，所述瞬态电压抑制电路采用SA系列型号为SA20A的TVS 二极管。它是一种高效能保护器件，具有体积小、功率大、价格低廉、响应速度快的优点。所以它能更好地实现PWM控制流量线性度，更好地配合电磁阀进行流量控制。
[0012]进一步，所述PWM生成器产生的控制信号包括流量控制的通道数、设置各个通道的PWM频率、相邻通道间的互补输出、PWM占空比更新周期。其中，流量控制的通道数、各个通道的PWM频率、相邻通道间的互补输出、PWM占空比更新周期等不但可以方便实现选择，而且该PWM生成器扩展性和灵活性较好。
[0013]进一步，所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器采用高集成度的贴片封装器件，电路板采用双面贴片设计，所述MOSFET采用了双N沟道S0-8封装，该封装具有更小的体积、较高的开关频率、超低导通电阻，能够适用于各种类型的电磁阀喷嘴驱动，其高频特性明显优于固态继电器驱动电磁阀特性，整个控制器具有高集成度，体积小，功耗低，防水抗震，通用性强等特点。
[0014]进一步，本发明的装置还包括中央控制器以及与所述中央控制器相连接的外围设备，所述中央控制器的外围设备包括机器视觉传感器、GPS、处方图、激光传感器，所述机器视觉传感器、GPS、处方图、激光传感器均和中央控制器相连接，所述中央控制器的外围设备用于获取喷雾作业场地目标的特征信息，控制器据此给出各个目标单元的喷药量；所述传感器组还包括超声波传感器和红外传感器，用于检测作物的有无和具体特征信息。
[0015]本发明的有益效果是，上述发明的车载变流量喷雾控制器各个部分可构成模块，根据应用场合和要求的不同，灵活改变模块数量，采用CAN组件或RS232/RS485实现各个模块单元的通讯。另外，该控制器可与不同类型、型号的电磁阀相连，实现变量喷雾施药，还可以应用于变量施肥等变量喷施场合，当中央控制器失效或异常时，可人工输入指令控制控制器，完成变量喷雾作业。该种基于PWM的控制系统响应时间较传统基于压力的控制系统的响应时间要快的多，以上这些使得系统具备很好的实用性、通用性、扩展性；此外，该控制器能根据农作物具体特征信息，对应地变量、精密喷洒，在保证农作物良好生长的前提下，减少了农药使用量，达到保护生态环境、节约资源的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器结构原理图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图进一步阐述本发明的【具体实施方式】。
[0018]如图1所示的一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，包括控制单元，以及同所述控制单元相连接的外围部件和传感器组单元；所述控制单元用于喷雾独立喷嘴流量的控制，内部包括集成单元，所述集成单元包括Multi CAN单元、UART单元、ADC转换单元、I/O接口、多路PWM生成器；所述外围部件包括CAN收发电路、RS232/RS485电路、按键扫描、DC/DC隔离电源、信号调理电路、I/O隔离电路、放大保护隔离模块组，用于为控制单元提供电源、数据通讯、信息指令的输入、对控制器的电路保护以及变量喷洒用到的电磁阀；
本发明的实施例中(见图1)采用20路PWM生成器、20组达林顿驱动电路、20组光电隔离器、20组MOSFET驱动电路、20组可恢复过流保护器、20组瞬态电压抑制电路用以连接20路电磁阀(Al?A20)。
[0019]所述传感器组单元包括压力传感器、速度传感器、流量传感器，分别用于检测喷雾机喷雾作业压力、喷雾机的行进速度和喷嘴总流量大小。根据喷雾作业场地目标的具体情况信息及喷雾精度的要求，选择一种或者多种传感器，来检测喷雾目标的特征信息。单片机控制器根据目标检测传感器回传的目标具体特征信息，结合速度传感器检测到的喷雾机行进速度，生成不同占空比的PWM控制信号，压力传感器、流量传感器实时检测喷雾机的喷雾压力和喷嘴总流量大小，便于喷雾作业者对其监控，保持系统喷雾压力、流量的正常。
[0020]所述控制单元分别通过按键扫描、DC/DC隔离电源和手动输入、车载电池相连接；所述Multi CAN单元与所述CAN收发电路相连接，所述UART单元与所述RS232/RS485电路相连接，所述压力传感器通过信号调理电路与所述ADC转换单元相连接，所述速度传感器、流量传感器通过I/O隔离电路与所述I/O接口相连接，所述多路PWM生成器分别和所述放大保护隔离模块组相连接，所述放大保护隔离模块组均同电磁阀组相连接，用于实现对电磁阀组工作状态的控制和对电路的保护作用。
[0021]所述控制单元为XC2234L单片机，具有四个串行接口，二通道CAN总线模块。该单片机控制器为德国Infineon公司生产的汽车专用微控制器，正常工作温度范围为_40°C?1250C，低功耗，最高频率可达66MHz，还带有功能强大的外设集，可以降低CPU的负载。自带快速12位ADC转换单元，可提供数据预处理功能，转换时间低达1.2 μ S。
[0022]所述放大保护隔离模块组包括达林顿驱动电路、光电隔离器、MOSFET驱动电路、可恢复过流保护器、瞬态电压抑制电路，所述达林顿驱动电路连接光电隔离器，所述光电隔离器连接MOSFET驱动电路，所述MOSFET驱动电路连接可恢复过流保护器，所述可恢复过流保护器连接瞬态电压抑制电路，用于实现对各个电磁阀的实时控制和对电路的保护作用。
[0023]所述DC/DC隔离电源的型号为WRF1205P-3WR2，采用DIP小体积集成封装。该DC/DC隔离电源为广州全升阳科技有限公司生产，具有短路自保护功能，正常工作温度范围为-40°C?85°C，宽电压输入为9?18 VDC，输出电压为5 VDC0
[0024]所述可恢复过流保护器的型号为0ZCC0075AF2B自恢复保险丝，采用PTC封装。该可恢复过流保护器，为美国Bel Fuse有限公司生产，正常工作温度范围为_40°C?85°C，保持电流为0.75A，跳闸电流为1.5A，额定电压高达24V。
[0025]所述瞬态电压抑制电路采用SA系列型号为SA20A的TVS 二极管。该瞬态电压抑制电路为美国Littelfuse有限公司生产，可承受20V的反向电压，最大反向漏电流为I μ A，最大钳位电压为32.4V。
[0026]需要指出的是，控制系统中电磁阀反向电势抑制电路采用具有雪崩特性的TVS半导体二极管，取代常用的1Ν4007 二极管。相对而言，本发明中使用的瞬态电压抑制电路中采用的TVS 二极管，它是一种高效能保护器件，具有体积小、功率大、价格低廉、响应速度快的优点。TVS 二极管响应速度为PS级，当其两端受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极的电压钳位在一个安全值，反向漏电流典型值仅为几缪安，属于双极性器件，结合电磁阀本身特性，选则与之匹配的参数，故其能更好地实现PWM控制流量线性度，更好地配合电磁阀进行流量控制。
[0027]所述控制器的PWM生成器产生的控制信号由软件编程实现，扩展性和灵活性较好，可以方便选择流量控制的通道数、设置各个通道的PWM频率、相邻通道间的互补输出、PWM占空比更新周期等。
[0028]所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器采用高集成度的贴片封装器件，电路板采用双面贴片设计，所述MOSFET采用了双N沟道S0-8封装。本发明的流量控制器，采用MOSFET用作快速电子开关,它是由美国Internat1nal rectifier公司生产的，型号为IRF7103，采用N沟道的S0-8封装，体积小，开关频率高，导通电阻低。传统固态继电器的开关器件，由于其机械特性不能随电信号变化而快速动作，造成系统输出延时的问题，本发明中利用MOSFET快速开关的特性，能很好地解决这个问题。
[0029]本发明中的流量控制器可根据喷雾作业场地、作物的具体情况和信息，在单片机上外接中央控制器以及和中央控制器相连接的外围设备及传感器组，包括机器视觉传感器、GPS、由GPS获取的信息生成的处方图、激光传感器、超声波传感器、红外传感器。外接的中央控制器可与机器视觉传感器、激光传感器、GPS相连获取喷雾作业场地目标的特征信息，通过GPS测定喷雾作业场地的大小、形状，划分为若干个子部分，利用农业专家知识，对各子区域里的病虫害程度进行调查，系统根据以上信息，给出各个单元的喷药量，即生成喷雾处方图。中央控制器根据接收到的信息，生成主控指令，通过单片机的CAN收发电路、RS232/RS485电路将其传送给单片机控制器，单片机据此主控指令，生成相应独立喷嘴PWM变流量控制信号。
[0030]上述控制系统也可外接超声波传感器或红外线传感器，用于检测作物的有无。分别通过信号调理电路、I/O隔离电路，连接到单片机的ADC转换单元、I/O接口来获取喷雾作业场地目标的特征信息，单片机据此产生对应占空比的PWM信号。
[0031]所述电磁阀优选为美国Capstan Ag Systems公司所生产,它的开关频率较高、功耗低(6W)，设计引入了独特的电磁阀反向吸收电路，开关频率达到1Hz也能达到较好的流量控制线性度。
[0032]上述控制器可以外接各种传感器，包括用于感知被测目标特征以及喷雾过程中的各种实时参数的传感器。控制器片上具有可裁剪控制软件，通过上位机软件进行参数设置，根据所用电磁特性设定电磁阀开关频率，对各种传感器进行标定等功能。运行控制软件，根据传感器实时获取的各类数据信息，结合控制算法形成以目标对象特征为依据的流量控制决策，通过电磁阀驱动及保护电路，实现对独立喷嘴流量控制。
[0033]本发明的工作原理和工作过程为:通过DC/DC隔离电源的降压斩波电路，将车载电池提供的12V直流电源转换为隔离直流电源，进而向XC2234L单片机提供控制电压。系统可外接视觉传感器代替人眼，实时获取作业场地病虫草害信息，并传递给中央控制器。同样也可外接激光传感器，利用其精度高、扫描速度快等特点，结合速度传感器得到的速度信息、软件编程算法，得到被测目标的3D信息，再通过特征提取的方法重构得到作物的具体特征信息。如若对喷雾的精度要求不高，也可以使用超声波传感器或红外传感器来检测作物的有无，根据速度传感器检测车载喷雾系统的行进速度，压力传感器获得喷雾压力信息，结合喷嘴类型及流量控制模型实现各个喷嘴对应目标区域的流量独立控制，从而进行精度较低的粗略变量喷雾。综上，可根据喷雾场地具体情况，选择一种或多种传感器，准确得到作物的形状、大小、颜色、密度、空间位置等信息。
[0034]控制系统的压力传感器用来检测药箱的喷雾压力，通过信号调理电路和单片机的ADC转换单元将其传递给单片机。速度传感器、流量传感器实时检测喷雾机的行进速度和喷嘴喷药总流量信息，并通过I/O隔离电路和I/O接口传递给单片机控制器。XC2234L单片机根据传感器回传的喷雾压力、喷雾机行走速度、喷药流量信息及喷嘴类型，依据预先编写的控制程序及接受到的带有作物特征的信息，形成独立喷嘴的多路不同占空比的PWM信号。单片机生成的PWM信号经过达林顿驱动电路驱动、光电隔离器从而触发MOSFET导通，进一步实现对电磁阀导通控制。
[0035]当外接中央控制器时，它除了可以通过CAN总线进行通讯外，也可以通过RS232/RS485及单片机UART单元，实现与单片机不同需求的数据通信。一方面，中央处理器可根据作物具体特征信息向XC2234L单片机传递特定的喷洒主控指令，另一方面，XC2234L单片机将传感器采集数据信息传递给中央处理器，实现闭合的反馈控制，进而达到精密、对靶喷雾的目的。
[0036]根据本发明中设计的变流量控制系统及电磁阀开关特性，生成的PMW信号频率为1Hz,在不同喷雾压力下，对常用的各类喷嘴进行大量实验，实验数据分析得到独立喷嘴流量Q与之对应的控制信号PWM占空比DC的关系，可用数学上的线性回归方程来近似表示，具体关系如下:
Q=a*DC+b
其中，Q是喷嘴的流量(L/min)，DC是PWM信号的占空比(％)，a和b是校正系数，喷嘴类型不同、喷雾工作压力不同时，对应的校正系数a、b也不同。具体选取如下表:
￥嘴类型I喷雾压力(kpa)I线性回归方程
XR8002138_Q=0.0055*DC+0.0290
XR8002—207Q=0.0070*DC+0.0143
XR8002~276Q=0.0075*DC+0.0458
XR8002~345Q=0.0088*DC+0.0228
XR8003~207Q=0.0098*DC+0.0297
XR8004|207|q=0.0118*DC+0.0710
其中，XR8002、XR8003、XR8004是农业喷雾中常用的喷嘴。
[0037]由于光隔离器具备很强的抗干扰和共模抑制特性，使得其中的信号只能单向传输，故输入和输出间能相互隔离，彼此不受影响。电磁阀的动作是由输出的PWM信号电平的高低来决定，当PWM信号为高电平时，电磁阀打开；反之，电磁阀则关闭。需要指出的是，电磁阀触发瞬间，由于其电感特性，电路中会出现较大的反电动势，可能会大于MOSFET的漏源击穿电压，导致其损坏而失效，故在控制器中引入了瞬态电压抑制电路，利用TVS半导体二极管吸收反向浪涌电压。当发生过电压时，它能以非常快的速度(PS级)，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极的电压钳位在一个安全值，进而保护电路，PWM占空比较小、较大时，它都能控制流量输出具有较好的线性度。控制器中同时引入了可恢复过流保护器，其能在较短时间内响应电路的短路故障，避免MOSFET因短路故障而损坏失效。可恢复过流保护器与瞬态电压抑制电路协同作用，达到保护电路中电子器件正常工作的目的。
[0038]在实施本发明的过程中，控制器中引入手动输入的功能，当中央处理器失效或异常时，人工手动输入指令，通过按键扫描，将各个通道的PWM指令传递给单片机，实现独立流量控制的目的。XC2234L微控制器根据手动输入信息，结合传感器回传的喷雾作业场地信息、车载喷雾系统行进速度、药箱喷洒压力、流量信息、喷嘴类型等信息给出合理的喷洒方案，XC2234L单片机内部集成的20路PWM生成器，据此产生20路不同占空比的PWM信号。该控制器中的电磁阀触发电压为12V，故需通过达林顿驱动电路将产生的PWM信号放大12V，通过光电隔离器、MOSFET驱动电路、可恢复过流保护器、瞬态电压抑制电路将其传输到输出端，实现对各个电磁阀的实时控制，达到精密、对靶喷雾的目的。
[0039]手动输入，作为备用功能，它的引入显得尤为重要，使得控制器的设计更加完善。当遇到紧急情况时，比如喷雾作业者身体不适，需立即关闭所有电磁阀。该功能使得控制器的操作变得更加灵活，设计更加人性化，体现了以人为本的宗旨。
[0040]以上所述的车载变流量喷雾控制器各个部分可构成模块，根据应用场合和要求的不同，灵活改变模块数量，采用CAN组件或RS232/RS485实现各个模块单元的通讯。另外，该控制器可与不同类型、型号的电磁阀相连，实现变量喷雾施药，还可以应用于变量施肥等变量喷施场合，当中央控制器失效或异常时，可人工输入指令控制控制器，完成变量喷雾作业。该种基于PWM的控制系统响应时间较传统基于压力的控制系统的响应时间要快的多，以上这些使得系统具备很好的实用性、通用性、扩展性。
[0041]以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.一种通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:包括控制单元，以及同所述控制单元相连接的外围部件和传感器组单元； 所述控制单元用于对喷雾作业独立喷嘴流量的控制，内部包括集成单元，所述集成单元包括Multi CAN单元、UART单元、ADC转换单元、I/O接口、多路PWM生成器； 所述外围部件包括CAN收发电路、RS232/RS485电路、按键扫描、DC/DC隔离电源、信号调理电路、I/O隔离电路、放大保护隔离模块组，所述外围部件用于为控制单元提供电源、数据通讯、信息指令的输入、以及对控制器的电路保护； 所述传感器组单元包括压力传感器、速度传感器、流量传感器，分别用于检测喷雾机喷雾作业压力、喷雾机的行进速度和喷嘴总流量大小； 所述控制单元分别通过按键扫描、DC/DC隔离电源和手动输入、车载电池相连接；所述Multi CAN单元与所述CAN收发电路相连接，所述UART单元与所述RS232/RS485电路相连接，所述压力传感器通过信号调理电路与所述ADC转换单元相连接，所述速度传感器、流量传感器通过I/O隔离电路与所述I/O接口相连接，所述多路PWM生成器分别和所述放大保护隔离模块组相连接，所述放大保护隔离模块组均同电磁阀组相连接，用于实现对电磁阀组工作状态的控制和保护。
2.根据权利要求1所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:所述控制单元为XC2234L单片机，具有四个串行接口，二通道CAN总线模块。
3.根据权利要求1所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:所述放大保护隔离模块组包括达林顿驱动电路、光电隔离器、MOSFET驱动电路、可恢复过流保护器、瞬态电压抑制电路，所述达林顿驱动电路连接光电隔离器，所述光电隔离器连接MOSFET驱动电路，所述MOSFET驱动电路连接可恢复过流保护器，所述可恢复过流保护器连接瞬态电压抑制电路。
4.根据权利要求1所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:所述DC/DC隔离电源的型号为WRF1205P-3WR2，采用DIP小体积集成封装。
5.根据权利要求3所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:所述可恢复过流保护器的型号为0ZCC0075AF2B自恢复保险丝，采用PTC封装。
6.根据权利要求3所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:所述瞬态电压抑制电路采用SA系列型号为SA20A的TVS 二极管。
7.根据权利要求1所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:所述多路PWM生成器产生的控制信号包括流量控制的通道数、设置各个通道的PWM频率、相邻通道间的互补输出、PWM占空比更新周期。
8.根据权利要求1所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于:所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器采用高集成度的贴片封装器件，电路板采用双面贴片设计，所述MOSFET采用了双N沟道S0-8封装。
9.根据权利要求1所述的通用变量喷雾独立喷嘴流量控制器，其特征在于: 还包括中央控制器以及与所述中央控制器相连接的外围设备，所述中央控制器的外围设备包括机器视觉传感器、GPS、处方图、激光传感器，所述机器视觉传感器、GPS、处方图、激光传感器均和中央控制器相连接，所述中央控制器的外围设备用于获取喷雾作业场地目标的特征信息，控制器据此给出各个目标单元的喷药量；所述传感器组还包括超声波传感器和红外传感器，用于检测作物的有无和具体特征信
肩、O
【文档编号】A01M7/00GK104190574SQ201410353467
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】刘慧 , 夏伟, 沈跃, 刘国海, 陈兆岭, 张瀚文, 吴翃轩 申请人:江苏大学