专利名称：基于单片机的施药监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于农林业施药技术领域，涉及精准施药技术，具体涉及一种基于单片机的施药监测装置。
背景技术：
在现代农业生产中，化学防除发挥着重要的作用。据联合国粮农组织统计，由于使用化学农药，全世界每年挽回20% 25%的农产品，价值1000多亿美元。大体是投入一份农药可收回相当于农药4 5倍价值的农产品。我国每年因各种病虫草害损失粮食约4000 万吨，约占全国粮食总产量的8. 8%。而施药技术和施药机械的落后造成农药喷洒量可控性很差，一方面施药量偏少时不能有效控制病虫草害，另一方面施药量偏大时给农产品安全和生态环境带来巨大威胁。 近几年由于农药的大量使用对环境造成了极大的破坏。据美国康奈尔大学介绍，全世界每年使用的400余万吨农药，实际发挥效能的仅1%，其余99%都散逸于土壤、空气及水体之中。印第安纳大学对从赤道到高纬度寒冷地区90个地点采集的树皮进行分析，都检出DDT、 林丹、艾氏剂等农药残留。散逸于土壤、空气及水体之中的很多农药会长期存在，对生态环境造成极大的破坏。农药的过量使用也给农副食品和农作物安全带来巨大挑战。首先，农药会通过如下途径污染农副食品1)直接污染为防治农作物病虫害使用的农药会残留在作物上，直接污染食用作物；幻根部吸收污染喷洒农药后有40 60%的农药降落在土壤中，土壤中农药可通过植物的根系吸收转移至植物组织内部和食物中，土壤中农药污染量越高，食物中的农药残留量也越高；幻通过食物链污染农药对水体造成污染后，使水生生物长期生活在低浓度的农药中，水生生物通过多种途径吸收农药，通过食物链可逐级浓缩，尤其是一些有机氯农药和有机汞农药等，这种食物链的生物浓缩作用，可使水体中微小的污染而导致食物的严重污染。其次，农药的过量使用，会导致作物大面积中毒，甚至造成全面减产。为了达到精准按需喷药，在达到病虫草害防治目的的同时，大幅度减小农药残留， 需要两方面的研究1)对农药需求量的农艺方面的研究；2)施药技术和机械性能方面的研究。而这两方面的研究均离不开实时监测施药状态并对施药参量数据进行长期记录存储。施药状态数据实时监测长期记录非常重要，而国内大多数施药机不具有该项功能，严重制约着农艺研究发展、施药技术和施药机性能的改进，也不利于田间施药量的科学管理，致使农产品很难冲出国际上的绿色环保壁垒。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的施药监测装置，该系统可实时采集、显示并长期存储施药参量，不仅可以为施药机械操作人员提供实时数据，还可以为机械研发人员和农艺研究人员提供长期数据支持，而且具有可扩展性，并可将各施药参量存入SD卡中，同时传给上位机，具有测量精度高，相对误差小的特点ο为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是基于单片机的施药监测装置，包括安装于施药机主管道中的流量传感器和压力传感器，所述流量传感器和压力传感器的输出连接到单片机的输入，所述单片机通过MAX232 模块与上位计算机通信，所述单片机的处理结果通过IXD显示屏显示。所述的单片机为STC12C5A60S2，通过4*4矩阵键盘实现命令输入，连接SD存储卡实现数据储存，该型号单片机可预留传感器扩展接口，以支持传感器扩展，最多可支持8路模拟传感器和2路数字脉冲式传感器。所述单片机与IXD显示屏通过串行通信方式进行通信。该装置安装于携带施药机的拖拉机上，在拖拉机的前轮安装速度传感器，所述速度传感器的输出连接到所述单片机的输入。本实用新型与现有技术相比，具有以下优点1)可实时采集、显示并长期存储施药参量。2)预留扩展接口，支持传感器扩展，最多支持8路模拟传感器和2路数字脉冲式传感器，系统中采用的传感器可以根据需要来更换。3)测量精度高，相对误差小。4)操作方便，所用的4*4矩阵键盘完全满足常规指令输入。
图1为本实用新型的结构框图。图2为本实用新型的工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细说明。参见图1，本实用新型为一种基于单片机的施药监测装置，包括安装于施药机主管道中的流量传感器和压力传感器，所述流量传感器和压力传感器的输出连接到单片机的输入，所述单片机通过MAX232模块与上位计算机通信，所述单片机与LCD显示屏通过串行通信方式进行通信，处理结果通过LCD显示屏显示。本实用新型所用的单片机为 STC12C5A60S2，通过4*4矩阵键盘实现命令输入，通过连接SD存储卡实现数据储存，该型号单片机可预留传感器扩展接口，以支持传感器扩展，最多可支持8路模拟传感器和2路数字脉冲式传感器。该装置安装于携带施药机的拖拉机上，在拖拉机的前轮安装速度传感器，所述速度传感器的输出连接到所述单片机的输入。本实用新型的工作流程参见图2，主程序首先对系统进行初始化(其中包括串口初始化、IXD初始化等)，并调用显示子程序显示开机欢迎界面；其次启动A/D转换对传感器的模拟信号进行转换处理并暂时存储，对数字信号进行脉冲计数，将所得数据暂时存储； 然后判断是否有按键触发，如果有触发得到其键值并根据输入修改显示内容，无触发根据默认值显示；最后将数据打包通过串口发送给上位计算机。单片机实现的主要功能有(1) 对传感器采集来的数据进行处理，对于模拟量进行AD转换(AD转换通过单片机自身集成的转换模块来完成)，数字量进行脉冲计数，并求出其实际值；( 将所得各个结果在LCD上进行显示，单片机与LCD之间通过串行通信方式进行通信，LCD采用带中文字库的1观64显示器，是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；C3)通过键盘操作，控制LCD显示单片机的工作状态以及各传感器的数据采集状态。本实用新型中，单片机与上位机之间通过MAX232串行通信模块实现数据交换，其中MAX232芯片RlOUT与TlIN分别与单片机的RXD和T)(D连接，TlOUT与RlOUT分别与DB9 接口 3和2连接，然后通过串口线连接到PC机。为了验证系统设计的可行性和可靠性，根据上述设计，在搭建好施药监测装置平台的基础上，设计实施了速度、压力和流量等参量的监测试验，并对试验结果进行了分析。速度试验目的是测试系统对施药机械行走速度的测量值与实际速度值的误差。其中速度测量值来源于系统存储的数据；实际速度是根据秒表记录施药机械行驶80m距离的时间计算得出。试验在车载式施药机械上进行，采用E6B2-CWZ6C型旋转编码器来实时测量施药机械的行进速度信号，根据施药机械实际作业速度O 5km/h)，测量了施药机械在 0. 6 8km/h (校核前)和0. 8 6. 5km/h (校核后)范围内以不同显示速度通过80m距离的实际速度和系统测量速度。由于施药机械作业过程中，存在打滑现象，故需要对车速测量值进行修正，即根据校核前的误差，计算出修正系数，将修正系数输入程序中，采用测量结果乘以修正系数进行校核。试验结果如表1所示。由表1可知，系统校核前对速度测量的平均相对误差为3. 02%，其中相对误差绝对值最大为3. 59%，最小为2. 30% ；经过一次校核后，平均相对误差为2. 31%，相对误差绝对值最大为2. 90%，最小为0.86%。可见，经校核后，系统对速度的测量误差明显减小。压力试验的目的是测试系统测量的液体压力与实际液体压力之间的误差。其中测量值来源于系统存储的数据，实际压力值分别由下述两个试验装置上的压力表进行读取。 为提高测试精度，本设计的压力试验的高压部分(1. 1 4. 2MPa)在SYP-3型快速插接全功能液压气压教学试验平台上进行，低压部分(0. 2 1. OMPa)在国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心的温室喷灌控制设备上进行，采用PT500压力变送器实时测量液体压力信号。 试验过程中，通过控制泵出口液体的压力，以改变管道中液体的压力，从而获取不同的压力值。试验结果如表1所示。由表1可知，系统对压力测量的平均相对误差为0.8%，相对误差绝对值最大为6. 5%，最小为0。流量试验是测试系统测量的液体流量与实际流量的误差。其中实际流量由量筒测量得到，系统测量的流量值由存储的数据计算得到。试验在车载式施药机械上进行，采用LWGY-25型涡轮流量传感器来实时测量施药机械管道中液体的流量信号。根据施药量一般为750 15001/hm2以及施药机械实际作业速度和作业幅宽，估算出施药机械施药量为 60 180ml/s。本文选择在60 200ml/s施药量范围内进行系统监测验证试验。试验过程中分别测量在相同时间段内的实际流量和系统测量的流量。试验结果如表1所示。由表 1可知，在60 200ml/s的流量范围内，系统调试前对流量的测量值与实际流量值的平均相对误差为-0. 71%，其中相对误差绝对值最大为5. 13%，最小为0. 22%。综合以上实验，可证实本实用新型的测量精度高，相对误差小，采样周期为Is时， 速度经一次校核后平均精度达97. 7%，最大相对误差为2. 90%，最小为0. 86% ；压力测量平均精度达99. 2 %，相对误差绝对值最大为6. 5 %，最小为0 ；流量平均精度达99. 3%，相对误差绝对值最大为5. 13%，最小为0. 22%。本实用新型不仅能为施药机操作人员提供实时施药参量数据，还能将这些数据存储到SD卡上或传到上位机上进行存储，可以为施药机械的改进和农艺研究人员提供数据支持。同时，所用的单片机预留扩展接口，支持传感器扩展，最多支持8路模拟传感器和2 路数字脉冲式传感器，系统中采用的传感器可以根据需要来更换，方便了不同环境下的施药状态检测。表权利要求1.基于单片机的施药监测装置，其特征在于，包括安装于施药机主管道中的流量传感器和压力传感器，所述流量传感器和压力传感器的输出连接到单片机的输入，所述单片机通过MAX232模块与上位计算机通信，所述单片机的处理结果通过IXD显示屏显示。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的施药监测装置，其特征在于，所述的单片机为 STC12C5A60S2。
3.根据权利要求1所述的基于单片机的施药监测装置，其特征在于，所述的单片机预留有传感器扩展接口。
4.根据权利要求1所述的基于单片机的施药监测装置，其特征在于，所述的单片机连接有SD存储卡。
5.根据权利要求1所述的基于单片机的施药监测装置，其特征在于，所述单片机与LCD 显示屏通过串行通信方式进行通信。
6.根据权利要求1所述的基于单片机的施药监测装置，其特征在于，所述单片机通过 4*4矩阵键盘实现命令输入。
7.根据权利要求1所述的基于单片机的施药监测装置，其特征在于，该装置安装于携带施药机的拖拉机上。
8.根据权利要求7所述的基于单片机的施药监测装置，其特征在于，在所述拖拉机的前轮安装速度传感器，所述速度传感器的输出连接到所述单片机的输入。
专利摘要本实用新型为一种基于单片机的施药监测装置，包括安装于施药机主管道中的流量传感器和压力传感器，所述流量传感器和压力传感器的输出连接到单片机的输入，所述单片机通过MAX232模块与上位计算机通信，所述单片机的处理结果通过LCD显示屏显示；单片机通过4*4矩阵键盘实现命令输入，连接SD存储卡实现数据储存，单片机可预留传感器扩展接口，以支持传感器扩展；该系统可实时采集、显示并长期存储施药参量，不仅可以为施药机械操作人员提供实时数据，还可以为机械研发人员和农艺研究人员提供长期数据支持，而且具有可扩展性，并可将各施药参量存入SD卡中，同时传给上位机，具有测量精度高，相对误差小的特点。
文档编号G01L19/08GK202041806SQ201120051800
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者刘典, 刘遇哲, 吴婷婷, 唐辉, 张佐经, 张海辉, 朱瑞祥, 李卫, 王东, 翟长远, 胡瑾, 薛文斌, 马永兵, 黄胜 申请人:西北农林科技大学