一种智能行间中耕施肥施药机的控制电路及算法的制作方法

本发明涉及机电控制技术领域，具体地讲，涉及一种智能行间中耕施肥施药机的控制电路及算法。

背景技术：

现存的农业机械主要应用于单体种植面积大的区域，价格高昂，而且均需要人工驾驶，缺乏适用于小田块的自动化操作机械，针对其自身的设计缺陷，以及耕地表面的复杂情况，使这种小型的机械设备在耕种过程中使用效果并不好，究其原因，无外乎软硬件方面都存在问题，针对这些问题本发明立足根本，从软件和控制原理出发，设计了一种智能行间中耕施肥施药机的控制电路及算法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种智能行间中耕施肥施药机的控制电路及算法，设计合理，功能全面，可以满足市场需要。

本发明采用如下技术手段实现发明目的：

一种智能行间中耕施肥施药机的控制电路，包括MCU主控制器，其特征是：所述MCU主控制器分别连接电源隔离模块、稳压模块、电池检测模块、霍尔输入模块、发动机调速模块、档位选择模块、继电器控制模块、串口通信模块、红外传感器采集模块、网络通信模块，所述MCU主控制器以STM32F103ZET6为控制核心。

作为对本技术方案的进一步限定，所述电源隔离模块采用DC-DC的隔离电源来保护控制板内部，所述器件U1通过48-5V的DC-DC转换模块，输出一个5V的电源作为控制板内的信号电源，所述器件U5通过48-12V的DC-DC转换模块，输出一个12V的电源作为控制内的驱动电源，可以有效消除本装置电机产生的电磁干扰，适应比较恶劣的环境。

作为对本技术方案的进一步限定，所述稳压模块采用现有的电路，使用AMS1086将信号电源5V转换出一路3.3V电源给单片机以及一些传感器供电，使用LM7809将驱动电源转换出一路9V电源给路由器供电，信号电源使用自恢复保险丝，当短路过载时保护，使用TVS瞬态抑制器来抑制浪涌电压，通过电容网络进行滤波。

作为对本技术方案的进一步限定，所述电池检测模块采用CN1185芯片、74HC04芯片和光电耦合器，所述电池检测模块有4条检测类似回路，这里就介绍其中一条：所述CN1185芯片U2的引脚1串联电阻R58接于地，其并联支路串接电阻R57接于电压直流48V，同理，所述CN1185芯片U2的引脚3、引脚5、引脚7的并联支路接的电压值分别为直流36V、直流24V和直流12V，所述CN1185芯片的输出引脚CN1185_OUT1连接所述74HC04芯片的引脚1，所述74HC04芯片的引脚2连接所述光电耦合器的引脚2，所述光电耦合器的引脚1串接电阻R62接于+5V电源，所述光电耦合器的引脚4串接电阻R63接于+3.3V电源，所述光电耦合器的引脚3串接电阻R56接于地，其并联支路串接电容C59接于地，另外，所述光电耦合器的引脚3连接MCU主控制器的引脚26，同理，可得出其它几条电池检测支路。

作为对本技术方案的进一步限定，所述霍尔输入模块包括两个类似采集电路，这里只解释一条：所述霍尔元件的引脚1接于+5V电源，其并联支路串接发光二极管D13和电阻R136接于所述霍尔元件的引脚2，所述霍尔元件的引脚2串接电阻R130和电容C56接于地，所述霍尔元件的引脚3接于地，所述霍尔元件的输出信号线TIM_CH4接于所述MCU主控制器的引脚140。

作为对本技术方案的进一步限定，所述发动机调速模块采用光电耦合器和三极管，所述光电耦合器的引脚1串接电阻R94接于插座P31的插孔1，所述光电耦合器的引脚2接于插座P31的插孔2，所述光电耦合器的引脚3串接电阻R95和电阻R102接于地，其并联支路接于三极管Q1的基极，所述光电耦合器的引脚4接于+3.3V电源，其并联支路串接电阻R85和电阻R91接于所述MCU主控制器的引脚141，所述三极管Q1的集电极接于电阻R85与电阻R91之间，所述三极管Q1的发射极接于地，所述三极管Q1的集电极与输出信号线PE0_TIM 4_ETR之间串联电容C53。

作为对本技术方案的进一步限定，所述档位选择模块采用AQW212芯片，档位选择电路上下两个AQW212芯片连接方式相同，所述AQW212芯片U8的引脚1和引脚3分别串接电阻R165和电阻R166接于+3.3V，所述AQW212芯片U8的引脚2和引脚4分别连接所述MCU主控制器的引脚75和引脚76， 所述AQW212芯片U8的引脚5和引脚7接于+5V电源，所述AQW212芯片U8的引脚5和引脚7分别串接电阻R162和电阻R161接于插座P32的插孔2，所述插座P32的插孔1和插孔3分别连接地和+5V电源，所述AQW212芯片U10的引脚2和引脚4分别连接所述MCU主控制器的引脚73和引脚74。

作为对本技术方案的进一步限定，所述继电器控制模块采用PC817光电耦合器、ULN2803芯片和1n4148，本继电器控制模块共有16路连接方式相同的控制支路，其中一路为：所述PC817光电耦合器GG6的引脚1接于+3.3V电源，所述PC817光电耦合器GG6的引脚2串接电阻R88接于所述MCU主控制器的引脚44，所述PC817光电耦合器GG6的引脚4串接电阻R84接于+12V电源，所述PC817光电耦合器GG6的引脚3串接电阻R92接地，其并联支路接于所述ULN2803芯片的引脚8，所述ULN2803芯片的引脚8连接所述继电器控制引脚ULN_K8, 所述继电器控制引脚ULN_K8串接发光二极管D4和电阻R78接于继电器线圈，其并联支路串接二极管D25接于继电器线圈。

作为对本技术方案的进一步限定，所述串口通信模块采用现有的电路，拥有两路串口通信接口，一路接433MHz无线模块，一路接超声波测距模块，采用MAX232通信接口，可以连接电脑，通过电脑进行调试、校准、设定参数等。

作为对本技术方案的进一步限定，所述红外传感器采集模块采用现有的电路，拥有四路红外传感器接口，使用PC817作为信号隔离的主芯片，使用一个0.1uf电容作为一个基本的滤波电路，然后将隔离后的信号输出给单片机。

作为对本技术方案的进一步限定，所述网络通信模块采用W5500作为网络通信的主控制芯片，改芯片内部集成TCP/IP协议，大大降低软件开发的难度，另外通信速度以及稳定性要远好于软件模拟的TCP/IP协议，使用内部集成隔离电感的网口，大大简化电路设计，以及减小PCB的尺寸。

本发明提出一种智能行间中耕施肥施药机的控制算法，所述算法的流程具体为：初始化单片机资源配置、传感器信号和内部数据默认值，读取默认的设置信息以及参数控制相关执行器到预设位置，实时监测控制箱传回的数据以及传感器信号，判断是否有传感器的信号，判断时候有控制箱传回的数据，若有信号也有数据，则解析来自控制箱的命令并控制相应的执行机构；若有信号无数据，则判断信号是否在正常的范围内，若在正常范围内，判断是否是电子罗盘的信号，若满足，则控制无线转台，保持无线CPE方向与预设的方向一致，以保证接收信号最强，若不满足，则判断是否有危险状态，若无危险状态，则对数据进行处理打包，若有危险状态，则停止机车，停止一切操作进入保护状态；若无信号无数据，则返回，实时监测控制箱传回的数据以及传感器信号，最后，将执行结果或者是通信数据发送给监控箱，继续检测，控制算法结束。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明电源隔离模块可以有效消除本装置电机产生的电磁干扰，使本装置更加适应恶劣的环境；使用霍尔传感器进行转速信号采集，能够很好的采集每个车轮的速度，并且有很好的抗干扰能力，通过阻容滤波网络，将信号整形优化，滤掉杂波；继电器控制模块使用16路控制模块，该器件开断和闭合的时间短，价格低，继电器控制端有指示灯，可以非常直观的观察继电器开断情况电池检测模块通过实时采集每一块电池的充放电的电压和电流来判断电池的状态，可以提高系统的稳定性和安全性，避免安全事故的发生和财产的损失；本控制算法可以有效解决装置运行不稳定、工作效率低的问题，从软件和控制原理方面将工作误差、通信不畅等问题的影响做到最小化处理。

附图说明

图1为本发明的原理方框图。

图2为电源隔离模块电路图。

图3为稳压模块电路图。

图4为电池检测模块一电路图。

图5为电池检测模块二电路图。

图6为霍尔输入模块电路图。

图7为发动机调速模块电路图。

图8为档位选择模块电路图。

图9为继电器控制模块一电路图。

图10为继电器控制模块二电路图。

图11为串口通信模块电路图。

图12为红外传感器采集模块电路图。

图13为网络通信模块电路图。

图14为MCU主控制器电路图。

图15为一种智能行间中耕施肥施药机的控制算法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1-图14，本发明包括一种智能行间中耕施肥施药机的控制电路，包括MCU主控制器，其特征是：所述MCU主控制器分别连接电源隔离模块、稳压模块、电池检测模块、霍尔输入模块、发动机调速模块、档位选择模块、继电器控制模块、串口通信模块、红外传感器采集模块、网络通信模块，所述MCU主控制器以STM32F103ZET6为控制核心。

所述电源隔离模块采用DC-DC的隔离电源来保护控制板内部，所述器件U1通过48-5V的DC-DC转换模块，输出一个5V的电源作为控制板内的信号电源，所述器件U5通过48-12V的DC-DC转换模块，输出一个12V的电源作为控制内的驱动电源，可以有效消除本装置电机产生的电磁干扰，适应比较恶劣的环境。

所述稳压模块采用现有的电路，使用AMS1086将信号电源5V转换出一路3.3V电源给单片机以及一些传感器供电，使用LM7809将驱动电源转换出一路9V电源给路由器供电，信号电源使用自恢复保险丝，当短路过载时保护，使用TVS瞬态抑制器来抑制浪涌电压，通过电容网络进行滤波。

所述电池检测模块采用CN1185芯片、74HC04芯片和光电耦合器，所述电池检测模块有4条检测类似回路，这里就介绍其中一条：所述CN1185芯片U2的引脚1串联电阻R58接于地，其并联支路串接电阻R57接于电压直流48V，同理，所述CN1185芯片U2的引脚3、引脚5、引脚7的并联支路接的电压值分别为直流36V、直流24V和直流12V，所述CN1185芯片的输出引脚CN1185_OUT1连接所述74HC04芯片的引脚1，所述74HC04芯片的引脚2连接所述光电耦合器的引脚2，所述光电耦合器的引脚1串接电阻R62接于+5V电源，所述光电耦合器的引脚4串接电阻R63接于+3.3V电源，所述光电耦合器的引脚3串接电阻R56接于地，其并联支路串接电容C59接于地，另外，所述光电耦合器的引脚3连接MCU主控制器的引脚26，同理，可得出其它几条电池检测支路。采用CN1185作为电池检测的主芯片，利用分压电阻网络，设置一个合适的电压阀值，当电源电压低于这个阀值时，通过74HC04非门，输出一个电平信号，控制光电耦合器，然后给单片机一个信号，这样既能检测电池，又能很好的实现隔离，使用数字电路来代替ADC采集，大大简化程序处理的难度，增强可靠性。

所述霍尔输入模块包括两个类似采集电路，这里只解释一条：所述霍尔元件的引脚1接于+5V电源，其并联支路串接发光二极管D13和电阻R136接于所述霍尔元件的引脚2，所述霍尔元件的引脚2串接电阻R130和电容C56接于地，所述霍尔元件的引脚3接于地，所述霍尔元件的输出信号线TIM_CH4接于所述MCU主控制器的引脚140，使用霍尔传感器进行转速信号采集，能够很好的采集每个车轮的速度，并且有很好的抗干扰能力，通过阻容滤波网络，将信号整形优化，滤掉杂波。

所述发动机调速模块采用光电耦合器和三极管，所述光电耦合器的引脚1串接电阻R94接于插座P31的插孔1，所述光电耦合器的引脚2接于插座P31的插孔2，所述光电耦合器的引脚3串接电阻R95和电阻R102接于地，其并联支路接于三极管Q1的基极，所述光电耦合器的引脚4接于+3.3V电源，其并联支路串接电阻R85和电阻R91接于所述MCU主控制器的引脚141，所述三极管Q1的集电极接于电阻R85与电阻R91之间，所述三极管Q1的发射极接于地，所述三极管Q1的集电极与输出信号线PE0_TIM 4_ETR之间串联电容C53。采集发动机霍尔信号，需要进行隔离，使用PC817作为光电隔离的主芯片，然后使用8050三极管，对信号进行整形放大，然后输出给单片机。

所述档位选择模块采用AQW212芯片，档位选择电路上下两个AQW212芯片连接方式相同，所述AQW212芯片U8的引脚1和引脚3分别串接电阻R165和电阻R166接于+3.3V，所述AQW212芯片U8的引脚2和引脚4分别连接所述MCU主控制器的引脚75和引脚76， 所述AQW212芯片U8的引脚5和引脚7接于+5V电源，所述AQW212芯片U8的引脚5和引脚7分别串接电阻R162和电阻R161接于插座P32的插孔2，所述插座P32的插孔1和插孔3分别连接地和+5V电源，所述AQW212芯片U10的引脚2和引脚4分别连接所述MCU主控制器的引脚73和引脚74。采用AQW212芯片作为隔离电子开关和电阻网络组成档位选择电路，利用电子开关，选择不同阻值的电阻进行串联并联组合，调处合适的档位，可以隔离干扰、响迅速（电子开关和电阻相应是微妙级）、控制简单（只需要四个引脚输出不同的电平组合即可）。

所述继电器控制模块采用PC817光电耦合器、ULN2803芯片和1n4148，本继电器控制模块共有16路连接方式相同的控制支路，其中一路为：所述PC817光电耦合器GG6的引脚1接于+3.3V电源，所述PC817光电耦合器GG6的引脚2串接电阻R88接于所述MCU主控制器的引脚44，所述PC817光电耦合器GG6的引脚4串接电阻R84接于+12V电源，所述PC817光电耦合器GG6的引脚3串接电阻R92接地，其并联支路接于所述ULN2803芯片的引脚8，所述ULN2803芯片的引脚8连接所述继电器控制引脚ULN_K8, 所述继电器控制引脚ULN_K8串接发光二极管D4和电阻R78接于继电器线圈，其并联支路串接二极管D25接于继电器线圈。采用PC817作为光电隔离主芯片，使用ULN2803作为继电器主驱动芯片（该芯片驱动能力强，抗干扰能力强，内部集成保护二极管），使用1n4148作为继电器释放反向电动势的主器件，该器件开断和闭合的时间短，价格低。继电器控制端有指示灯，可以非常直观的观察继电器开断情况。

所述串口通信模块采用现有的电路，拥有两路串口通信接口，一路接433MHz无线模块，一路接超声波测距模块，采用MAX232通信接口，可以连接电脑，通过电脑进行调试、校准、设定参数等。

所述红外传感器采集模块采用现有的电路，拥有四路红外传感器接口，使用PC817作为信号隔离的主芯片，使用一个0.1uf电容作为一个基本的滤波电路，然后将隔离后的信号输出给单片机。

所述网络通信模块采用W5500作为网络通信的主控制芯片，改芯片内部集成TCP/IP协议，大大降低软件开发的难度，另外通信速度以及稳定性要远好于软件模拟的TCP/IP协议，使用内部集成隔离电感的网口，大大简化电路设计，以及减小PCB的尺寸。

参照图15，本发明提出一种智能行间中耕施肥施药机的控制算法，所述算法的流程具体为：初始化单片机资源配置、传感器信号和内部数据默认值，读取默认的设置信息以及参数控制相关执行器到预设位置，实时监测控制箱传回的数据以及传感器信号，判断是否有传感器的信号，判断时候有控制箱传回的数据，若有信号也有数据，则解析来自控制箱的命令并控制相应的执行机构；若有信号无数据，则判断信号是否在正常的范围内，若在正常范围内，判断是否是电子罗盘的信号，若满足，则控制无线转台，保持无线CPE方向与预设的方向一致，以保证接收信号最强，若不满足，则判断是否有危险状态，若无危险状态，则对数据进行处理打包，若有危险状态，则停止机车，停止一切操作进入保护状态；若无信号无数据，则返回，实时监测控制箱传回的数据以及传感器信号，最后，将执行结果或者是通信数据发送给监控箱，继续检测，控制算法结束。