设计。系统主要由中央处理模块、传感器检测模块、GPS定位模块、无线数传模块、U盘数据存储模块、电源模块以及上位机远程监控模块等7部分组成。中央处理模块的主控芯片采用STC12C5A60S2单片机，主要负责采集和处理GPS定位模块以及传感器检测模块对插秧机的定位轨迹信息、发动机其他工况参数信息，并通过对GPS定位信息的分析处理完成插秧机作业面积的自动计算；无线数传模块主要负责完成与上位机之间的通讯工作；上位机远程监控模块负责通过GPRS组网技术与PC机相连，并能实现对插秧机远程启停动作。结果表明，该系统能实现对插秧机作业面积的自动测量，并能实现对插秧机作业面积的远程监测和启停动作。
关键词：插秧机；作业面积测量系统；电路设计
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）14-3517-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.048
Hardware Circuit Design of Rice Transplanter Automatic Measurement
System of Working Area
XIONG Zhong-gang，HE Juan， QU Xiang-jun，CHEN Lian-gui，YE Zhen-huan， AO Bang-qian
（College of Engineering， Zunyi Normal University， Zunyi 563002， Guizhou， China）
Abstract： Aiming to achieve operation area and boundary recognition， operation area real-time automatic measurement and data collection on rice transplanter， an automatic measurement system of working area used in rice transplanter had been designed.The system was composed of the central processing module， the sensors detecting module， the GPS positioning module， the wireless data transmission module， the U disk data storage module， the power supply module and the upper-computer controlling module.The central processing module， using MCU STC12C5A60S2， collected and processed data from GPS positioning module and sensor detecting module，and completed automatic calculation of transplanter working area by analyzing the GPS positioning information. The wireless data transmission module was used for communication with the upper-computer controlling module， which was connected to the host computer via GPRS network technology.And it can realize remote controlling start and stop action on rice transplanter. The result of the experiment showed that the automatic measurement of rice transplanter working area and start and stop action could be remote completed and remote drived by the system.
Key words：rice transplanter； operation area measurement system； hardware circuit design
随着现代信息技术的不断发展，插秧机、联合收割机及旋耕机等农业机械已逐步成为现代农业生产中不可或缺的工具。特别是联产承包责任制的实行，农户购买大型农业机械的可能性越来越小，农业机械跨区作业将成为必然[1，2]。农业机械跨区作业中，作业面积是一个很关键的数据，时常会出现由于难以准确测量作业面积而引起纠纷，是农业机械进行跨区田间作业计算工时和收费的主要依据。同时田块的大小直接决定了种子、化肥、农药等生产资料的投入量[3-5]。传统的农田面积大多使用皮尺、凭借经验或采用产量计费的方式，简单实用，但只适合于小面积的规则矩形田块[6，7]。为解决传统测量农田作业面积存在的问题，增强测量方式的普遍适应性，本研究设计了一套插秧机作业面积自动测量系统的硬件电路，能够实现任意形状插秧机作业面积的自动测量工作，并应用Visual Basic 6.0开发环境对插秧机远程上位机监控模块进行了开发[8]，实现远程参数的采集和控制机械的启停动作。
1 系统总体方案设计
系统主要由中央处理模块、传感器检测模块、GPS定位模块、GPRS无线数传模块、U盘数据存储模块、电源模块以及上位机远程监控模块等部分组成，其总体结构框图如图1所示。传感器检测模块主要由发动机机油温度检测单元、发动机机油压力检测单元、燃油油位检测单元、液压油油温检测单元和发动机转速检测单元等组成，主要用于采集插秧机工作时对发动机工况相关数据；中央处理模块以STC12C5A60S2为控制核心，主要对传感器检测模块和GPS定位模块采集来的信息进行分析处理后，通过GPRS无线数传模块将相关信息传到上位机，并将有效信息存储到U盘数据存储模块；远程监控管理者通过自主开发的上位机操作界面观察插秧机的作业面积、运行参数和作业位置等实时信息，并针对紧急情况下的需求发送机械启停命令。
2 下位机硬件电路设计
下位机硬件电路主要包括中央控制核心模块、传感器检测模块、GPS定位模块、GPRS无线通信模块、发动机点火/熄火模块、CAN总线模块以及电源模块。传感器检测模块主要完成插秧机发动机工况数据采集，GPS定位模块主要完成车体的运动轨迹定位工作，中央控制模块负责进行信息处理与分析，并完成机械作业区域的识别和面积计算工作，同时兼顾实现有效数据的远传工作。
2.1 核心模控制块电路设计
该系统主控电路如图2所示，包括中央控制单元、GPRS无线数传单元、GPS定位单元。该系统采用的是STC12C5A60S2单片机，是由宏晶科技（深圳）有限公司生产的一款增强型8051 CPU，1T单时钟/机器周期，工作频率是0～35 MHz，相当于普通8051单片机的0～420 MHz，即比普通单片机处理速度快8～12倍；单片机上集成了1 280字节RAM，60 kb的FLASH程序存储器空间，4个十六位定时器，2路十六位PCA和PWM，共有8路10位精度的ADC，转换速度高达50万次/s。系统由STC12C5A60S2单片机与各个硬件模块连接，控制各自工作，传感器模块将检测到的数据信息经由CAN总线传送到中央控制单元，与此同时，与GPS定位模块采用RS485进行通信，读取相关定位信息，然后经过相应坐标转换和处理后，完成相关区域识别和面积计算工作，并将定位信息、作业面积和传感器检测信息经由GPRS无线通信模块远程传输到上位机，同时通过单片机U盘数据存储模块完成有效信息的存储和读取工作。
2.2 传感器检测模块电路设计
传感器检测模块主要用来采集插秧机工作时发动机的相关工况参数。传感器检测模块采集的数据主要包括发动机机油温度、发动机机油压力、燃油油位、液压油油温和发动机转速等参数。中央主控芯片STC12C5A60S2通过下发采集命令采集各个传感器通过CAN总线上传的数据。该系统设计中分别选用的是ZS-6-01-10L霍尔传感器、半导体集成的两端式机油温度传感器AD590、应变式机油压力传感器BP800。
为得到更加准确的插秧机发动机转速传感器输出脉冲信号A0，首先使电路中信号A0经过限流电阻R9和电容C1组成的低通滤波电路后，经由LM339比较电路整形出需要的标准矩形脉冲，R11上拉电阻有效保证了高电平时的电压，整形电路输出的矩形脉冲经由光耦作用将其输入通道前端的现场的干扰信号和单片机隔离开，同时将信号转换成单片机可以识别的高低电平后送入I/O口，即图中的AD1端的网络接点（图3）。AD590温度传感器先将温度变化转换成电流变化，之后转换成单片机容易处理的0～5 V电压信号，具体电路如图4所示。
机油压力的检测采用应变式压力传感器BP800，通常是输出标准的电流信号，其电流信号范围为4～20 mA[9]。这种标准的接口，一般可以采取精密电阻转换成电压信号，然后直接送入中央处理单元的A/D转换端口，I/V转换电路如图5所示。
2.3 CAN总线模块电路设计
插秧机车载终端根据需求，需要具有与车载各发动机工况检测传感器进行可靠通信的功能，故通过扩展CAN总线接口实现该功能要求，从而达到双方数据和控制指令的传输。其接口的硬件电路主要由CAN总线控制器SJA1000T和CAN总线收发器PCA82C250组成，考虑到插秧机作业环境的复杂多变，为进一步增强总线的抗干扰能力，并没有直接将CAN总线控制器的TX0和RX0与CAN收发器的TXD1和RXD1相连，而是通过在其中间增加一个高速光耦合器6N137，转换速率高达10 Mbit/s，具体硬件电路如图6所示。
2.4 GPS定位模块电路设计
GPS定位模块即GPS接收机，通过它来实现插秧机的定位功能，其电路设计如图7所示。该系统设计中选用的是瑞士Ublox公司生产的NEO-6M-0-001的GPS接收机。该模块能支持AssistNow Online和AssistNow Offline等A-GPS服务，供电电压范围为2.7～3.6 V，当电压3.0 V时功耗小于120 mW，具有1个USB V2.0，全速12 Mbit/s，1个UART接口、1个DDC接口、1个SPI接口，跟踪灵敏度为-147 dBm。如图7中所示的引脚23是GPS定位模块的电源输入脚，与主控板中产生3.3 V电压接口连接，引脚22接了一个备用电池，在系统启动定位工作时，会立即给电池充电；为了增强GPS定位信号，外接了配套天线，当GPS接收到数据后通过解码经由引脚20 TXD_GPS_TTL通过RS485通信送到STC12C5A60S 2的串口上。
2.5 发动机点火/熄火模块电路设计
当检测到发动机机油温度和机油压力对比正常预设值出现较大异常时，为及时保护发动机，可以对发动机进行熄火控制。本研究中插秧机采用的是电启动风冷4冲程2气缸OHV汽油发动机，发动机的启停电路如图8所示。
该模块的整个电路主要包括STC单片机处理器、达林顿管阵列芯片ULN2003、74LS05集电极开路输出的非门阵列、两个继电器、MAX485和MAX232通信芯片。采用RS485通信方式与下位机中央控制器进行连接，当在紧急情况下接收到来自上位机的点火/熄火命令后则完成相应动作。电路为提高单片机的驱动能力，采用非门电路以高电平的方式配合驱动ULN2003达林顿管阵列，这样ULN2003的驱动能力可以达到500 mA，从而可以大大提高单片机的驱动能力[4-7]。
2.6 GPRS无线通信模块
该系统主要通过GPRS无线通信模块，接入GPRS无线数传网络，将日期、机械作业时间、作业位置、作业面积以及产量等信息传送到上位PC机完成数据通信。本研究选择SIMCOM公司生产的 SIM300作为无线远程数据通信模块，该无线通信模块支持GSM和GPRS双模式通信，内嵌TCP/IP协议栈，能够在PCS1900、DCS1800和EGSM900 3个不同频段下工作。具体工作状态指示灯和通信硬件电路如图9所示。
SIM300要接入GPRS网络进行工作，就必须使用到SIM卡，与其操作相关的信号被直接引出到SIM300的SIM卡接口上，其中SIM_DATA作为与SIM卡的串行数据线，用于数据的输入输出，SIM_CLK为SIM卡提供操作时钟，SIM_RST引脚则用来输出SIM卡的复位信号，整个SIM卡部分的电路如图10所示。
2.7 电源模块
电源在整个电路设计中扮演着一个重要角色，使用稳定电源能使电路性能更加稳定可靠，整个系统采用5 V供电，对于该重要部分设计必须考虑到硬件系统对电源具有稳压和纹波小等要求，当然在有效保证电路电压稳定输入的前提下，低功耗也是现今设计非常关注的一个热点话题。因而针对系统要求，系统得到5 V电源部分采用的是ZA3020芯片实现的。为了使电路中5 V输出电源的纹波较小，因而在经过ZA3020转换后的电压输出端采用了一个22 μF和0.1 μF的电容，另外芯片的电源输入端也放置了一个10 μF和0.1 μF的滤波电容，从而有效减小输入端受到的干扰，使信号稳定可靠的输入。具体系统输入电源电压处理电路如图11所示。
GPS定位模块的工作电压是3.3 V，为有效保证车载电源断电后仍能正常工作，该设计中增加了一个备用充电电池，该备用电池充电所需电压是3.3 V，所以先将车体上12 V电源电压通过输入电压处理电路转换为5 V，然后通过REG1117-3.3降压芯片的处理，得到3.3 V电压，具体硬件电路如图12所示。
然而该系统设计中GPRS无线通信模块工作所需要的电压是4.2 V，选用的压降芯片是MIC29302BU，其可以通过使能引脚端和反馈电阻进行输出电压的控制，本设计中通过将使能端置高，设置反馈端R16和R17两个电阻比值来确定输出电压，具体硬件电路如图13所示。
当芯片1脚使能端置高，芯片导通开始工作，经由公式可以计算出输出端电压约等于4.2 V，该电压值即供给GPRS无线通信模块工作。
3 上位机远程监控模块电路设计
上位机远程监控模块的控制单元是上位机和下位机连接的桥梁，此处上位机是采用Visual Basic 6.0开发的PC机监控平台，另外主要应用单片机连接外设了U盘数据存储模块，主要通过GPRS无线组网技术实现数据交换和相应的控制命令，并通过AT指令发送相关控制和数据采集命令。相应的U盘数据存储模块电路设计原理图如图14所示。
信息的存储是面积测量系统的重要组成部分，主要包括对日期、机械作业时间、作业位置、作业面积以及产量等信息进行记录存储。有效存储这一系列信息可作为化肥、种子、农药等生产资料投入量的依据及农业生产管理的参考依据。当系统运行时，由于需要的有效数据量比较大，故为方便定位作业区域及边界等大量定位数据的存储，系统采用了单片机U盘数据存储模块电路。模块采用CH375单片机U盘读写芯片完成U盘到单片机的衔接，通过大容量RAM完成大容量数据缓存和传输，减少设备数据读写总时间，延长U盘寿命。
存储电路中采用5 V电压工作，为了内部电源节点进行有效退耦，改善USB传输过程中的电磁干扰，故在V3引脚外接0.01 μF电容，将CH375的TXD引脚直接接地可使CH375实行并口方式工作。设计中在RSTI引脚与VCC之间跨接了一个0.47 μF的电容，是为了在电源上电时，系统电路能够完成可靠复位并且有效减少外部产生的干扰。在U盘插入过程中，为了避免CMOS电路CH375出现大电流闩锁效应而损坏芯片，故在USB插座的电源上并联了储能电容C31缓解瞬时压降。
4 小结
整个系统设计为了具备强干扰性和可移植性，均采用模块化设计。为对系统设计的可行性和稳定性进行验证，进行了相关硬件测试工作，同时完成了基于Visual Basic 6.0开发的上位机远程监控软件，并结合硬件和软件设计进行了实地试验。插秧机在水泥地上模拟田间的作业轨迹，验证前面系统设计的可行性。试验结果表明，通过将系统显示的自动测量面积值与人工实际测量面积值进行对比分析，系统能够很好地完成作业区域自动识别和面积测量工作，并能远程实时采集插秧机发动机相关工况参数和控制发动机的启停。
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