基于单片机的喷药系统设计

1、基于单片机的喷药系统设计摘要本设计的目的在于利用科学方法精确的处理农业生产中的喷药环节，提高农药利用率， 从而提高经济效益和效率问题。该系统以samsung公司arm7系列的s3c44b0x微处理器为核心，在ads1.2操作环境下，通过与gps和压力传感器、温度传感器以及电动调节阀和电磁阀构成的喷药执行机构进行信息交换，完成喷药功能和喷药系统调试。本课题完成了变量喷药系统的设计与调试。经过初步的实验表明，在系统工作压力保持在0.2mpa0.4mpa的时候，喷头可以达到较好的雾化效果。当压力变化的时候可以通过适当的调节电动阀来改变系统流量，以保持压力的动态平衡。关键词：喷药；s3c44b0x；精

2、确农业；gps；armbased on scm poles system designabstractthis design aims to use scientific means to precise processing agricultural production, improve the utilization rate of each link, thereby improving economy pesticide benefit and efficiency problem. the system poles control system on arm7 series wit

3、h the s3c44b0x microprocessor as the core, in ads1.2 operating environment, through with gps and pressure sensor, the temperature sensor and electric regulator and electromagnetic valve which poles of actuator exchange information, complete function and poles poles system commissioning. this topic c

4、ompleted the variables of design and commissioning of each system. after the preliminary experimental results show that the system work pressure kept in 0.2 mpa 0.4 mpa, nozzle can achieve better atomization effect. when the pressure changes through appropriate regulatory when electric valves to cha

5、nge the system, in order to maintain pressure flow dynamic balance.keywords ：poles; s3c44b0x; precision agriculture; gps; arm 目录摘要iabstractii目录iii1 绪论11.1 引言11.1.1 精确农业11.1.2 传统农业与精确农业的对比11.2 研究的目的和意义21.3 变量喷药系统的国内外研究现状31.3.1 国外研究现状31.3.2 国内研究现状41.4 课题的研究内容42 变量喷药控制系统总体方案52.1 变量喷药控制系统的总体结构52.1.1 控制系

6、统的总体结构框图52.1.2 控制系统各组成部分的功能52.2 控制系统的方案以及功能框图62.2.1 控制系统的方案选择62.2.2 控制系统功能框图72.3 控制系统结构框图83 系统硬件电路设计103.1 核心板电路的设计103.1.1 核心板电路结构框图103.1.2 核心板硬件电路的设计113.2 核心板外围电路的设计143.2.1 gps输入控制电路143.2.2 jtag调试电路153.2.3 键盘以及lcd电路163.2.4 阀门以及传感器连接电路图173.3 系统供电电源的设计183.4 喷药机的结构194 系统软件设计204.1 ads1.2集成开发环境204.2 处方图的

7、制作、坐标变换以及网格识别204.2.1 坐标变换以及网格识别204.2.2 处方图的制作214.3 系统软件流程设计214.3.1 主程序模块的软件设计224.3.2 gps信息的接收和解码软件设计224.3.3 键盘处理模块244.3.4 lcd显示和处理模块254.3.5 jtag下载调试模块254.3.6 处方图信息处理模块264.3.7 传感器信息控制以及读取模块265 实验调试与分析285.1 系统相关调试285.1.1 齿轮泵的调试285.1.2 在一定压力下的流量控制调试285.2系统传感器的标定30结论31致谢33参考文献341 绪论1.1 引言在20世纪的最后20年间，我国

8、农业生产发生了巨大的变化。农业生产的科技含量得到了很大的提高，常规技术与高新技术有了不少推广应用，传统粗放作业方式有了一些改变。精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。1.1.1 精确农业精准农业(精确农业，精准农作)(precision agriculture or preci

9、sionfarming)是近年来国际上农业科学研究的热点领域。精准农业的含义是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获得最高参量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。精确农业是信息农业的重要组成部分，其特点是应用地理信息系统将已有的土壤和作物信息资料整理分析，作为属性数据，并与矢量化地图数据一起制成具有实效性和可操作性的田间管理信息系统，在此基础上通过gis，gps，rs和自动化控制技术的应用，按照田间每一操作单元(位点)上的具体条件，相应调整投入物资的施入量，达到减少浪费、增加收入和保护农业资源和环境质

10、量的目的1。精准农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其核心是建立一个完善的农田地理信息系统，可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。1.1.2 传统农业与精确农业的对比精确农业是与传统农业相对而言的。所谓传统农业是指以满足经济体自身实物需要为价值取向、以粮食生产为主并兼营副业的农业生产方式。用著名发展经济学家舒尔茨(twschultz)的定义就是：“完全以农民世代使用的各种生产要素为基础的农业可称为传统农业”。精确农业与传统农业相比，精确农业有以下优

11、越性：1合理使用化肥，减少环境污染。目前传统农业施肥都是凭经验和主观意志行事，而精确农业则采用测土配方平衡施肥技术，它能根据不同地区、不同土壤类型以及土壤中各种养分的盈亏情况、作物类别及产量水平，从而做到科学施肥。2节约水资源，保证工业用水。水是农业的命脉，也是国民经济的基础。据统计，中国农业每年受旱面积约2-3亿亩，粮食减产2.5亿千克。而目前传统农业对灌溉水的利用率只有40%左右，浪费惊人。精确农业通过采用滴灌、微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。3节本增效，优质高产。精确农业采用精确播种、精确收获技术，并将精确种子工程与精确播种技术有机地结合起来

12、，使农业低耗、优质、高效成为现实。精确播种技术既可节约大量优良品种，又能使作物植株在田间获得最佳分布和深浅一致，为作物的生长、发育创造最佳环境，从而大大提高作物对营养和太阳能的利用率。4合理利用作物营养，保证产量和质量。精确农业通过采用先进的现代化高新技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采取相应的措施。采用计算机对作物生产环境温度、湿度、通风进行自动控制的工厂化农业，既可大量节约农业劳动力，又有保证作物营养的合理利用，降低成本，提高农作物的产量和质量2。1.2 研究的目的和意义我国是一个农业大国，农业在整个国民经济中占有重要的地位。改革开放以来，我国农业和农村经济取得了快速

13、的发展。精准农业的目的是实现农业现代化，改变农业的增长方式。传统农业由于差异性的存在，人们进行的物料投放和管理与作物生长实际需要可能相差甚远。精准农业是把大块农田再分为若干较小面积单位，作为分开管理单元，并认为在每个管理单元的一小块农田中具有基本相同的土壤和作物生长特性，依此作为农业物资投放决策和田间管理的依据，此种做法与传统的做法比较，物料投放的数量和位置的精度大大提高了，也可以说是在较高“精度”的条件下进行农业生产管理操作。农业问题是全球可持续发展的基本问题，一直是国际关注的焦点之一。“我国人口众多，耕地面积不足，人均粮食产量较低，利用仅占全球耕地面积7%的土地，养活占世界1/5的人口，取

14、得了举世瞩目的成就”。众所周知，我国已经加入了wto，而我国入世承诺中，植保机械被列入强制性产品(ccc)目录中，但就如何改变施药技术和植保机械落后的现状，至今还没有得到大家一致好评的切实可行措施。我国的农药生产技术处于国际先进水平，而我国植保机械和农药使用技术严重落后的现状与我国高速发展的农药水平极不相称，并已严重妨碍了农作物病虫草害的防治，带来了诸多的负面影响，如农药有效利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物灾害、操作者中毒等，造成了不应有的损失以及其他不良后果，已经到了一定要大家认真来关注和解决的程度。精准农业的目的是实现农业现代化，改变农业的增长方式。传统农业由于差异性的存在，

15、人们进行的物料投放和管理与作物生长实际需要可能相差甚远。精准农业是把大块农田再分为若干较小面积单位，作为分开管理单元，并认为在每个管理单元的一小块农田中具有基本相同的土壤和作物生长特性，依此作为农业物资投放决策和田间管理的依据，此种做法与传统的做法比较，物料投放的数量和位置的精度大大提高了，也可以说是在较高“精度”的条件下进行农业生产管理操作。农药、除草剂的大量施用，不但造成生产成本的提高和资金的浪费，而且直接危害人畜健康、污染农产品，污染环境和水质。因此需要能够根据田间杂草及病虫害分布实现精确定点喷药、减少成本和环境污染的自动控制施药机械与技术。一般认为精准农业是高技术农业，中国地块小，基础

16、设施差，发展精准农业是不切合实际的。其实，重要的是精准农业的思想：根据地块的差异进行精准管理，以充分发挥每一地块的潜力。小地块不影响信息的采集；卫星遥感将来可达13m的分辨率，信息的采集也可以人工进行gps定位。精准喷药是精准农业的重要支持系统。它不仅可以大大提高农药的利用率，达80%-90%(目前我国平均为40%)，提高水对农业的增产率20%-40%，而且可以提高水分的生产率。精准喷药，不仅要求采用高新喷药机械技术，如喷、滴、微、渗灌等机械设备(硬件)，而且需要从生物学角度、作物生长需水规律等农艺方面去探索，掌握喷药的量和度(软件)，最大限度地节水并限制农药的使用量，最大限度地实现科学喷药。

17、只有这样才能保证高产、优质、低耗，而又不破坏土壤理化结构，不污染环境。1.3 变量喷药系统的国内外研究现状1.3.1 国外研究现状精准农业发源于美国。据1997年对该国精准农业服务商和种子公司的调查显示：在他们的用户中有82进行土壤采样时使用gis，74用gis制图，38收割机带测产器，61采用产量分析，77采用精准农业技术。2000年使用精准农业技术便可达到90。近年来以航空为主的遥感技术开始在农田信息采集中应用，虽还处于起步阶段，但发展势头迅猛。精准农业在英国、德国、法国、荷兰、西班牙、澳大利亚、加拿大等发达国家也在迅速发展。不少发展中国家也在酝酿实施这一项目。世界各国对精准施药技术的发展

18、潜力以及应用前景有着广泛共识，并将其作为发展农业高新技术应用的重要内容。1.3.2 国内研究现状我国从上世纪80年代便开展rs和gis，以及水稻、小麦、棉花、玉米等主要农作物生产管理的农业专家系统的应用研究，90年代部分成果已达到实践应用水平。我国于“七五”、“八五”期间，国家科委、农业部先后组织了一些农业专家系统(实质上是信息管理、数据库管理、计算机技术和农业专家技术综合运用的集合)及其工具开发研究，其中就包括针对作物病虫害防治的专家系统。1.4 课题的研究内容本课题的主要研究内容是进行面向精确农业变量喷药理论与技术的研究和探讨，将gps和es与自动控制单元(ics)应用在喷药机上。用gps

19、实现定位与导航，主控制中心管理田间病虫害信息，实现依喷药机所在操作单元位置和该单元的病虫害情况进行按需喷药。相关的控制系统主要分为四个部分：gps接受系统，变量控制中心，变量施肥执行系统和处方图。其研究内容如下：(1)全球定位系统(gps)；(2)变量控制中心；(3)空间数据采集与数据处理，其中包括病虫害信息采样与分析、田间操作单元划分与编码、变量喷药操作单元合并原则等；(4)田间病虫害信息数据库的建设与喷药决策；(5)决策数据存储与传送；(6)控制模型的建立；(7)喷药控制系统组成，其中涉及到数据融合技术的应用、操作单元识别运算、喷药决策信息提取及输出控制；(8)变量喷药应用的田间试验与喷药

20、量经济效益分析。2 变量喷药控制系统总体方案系统总体方案的设计直接关系到整个喷药机的性能问题，其好坏将直接影响到整个系统的质量和状态。本章将对总体方案的选择以及架构进行简要的介绍。2.1 变量喷药控制系统的总体结构2.1.1 控制系统的总体结构框图本系统的变量喷药系统的总体结构是由处方分析系统、gps接收系统、变量控制中心和变量喷药执行机构四部分组成。变量喷药系统的总体结构如图2.1所示。图2.1变量喷药系统总体结构2.1.2 控制系统各组成部分的功能处方分析系统：我们采用dacs系统对耕作地块进行网格划分，对每个网格的病虫害程度进行采样以及相应的病虫害分析，最后把这些信息储存在了处方图中。处

21、方图不同于单一的属性数据和空间数据，它是空间数据和属性数据的集成，处方图文件采用“ship”文件格式。为了提高查询速度和保持处方图的精度，对处方图按某一算法进行分区，同时为实现地图定位和处方量的查询，必须要使处方图的坐标系统和gps定位数据的坐标系统保持一致。控制中心：控制中心是变量喷药系统的“大脑”，它主要是一个应用软件。它把根据地块基础信息制作的田间决策处方图和来自gps的农机定位信息结合分析，提供最终的处方决策方案，即农机的实时喷药量等信息。gps接收系统：gps接收机在本系统中主要实现农机位置的定位，生成的田间决策处方图实施变量喷药。变量喷药过程中两次用到gps定位：一是对田间病虫草害

22、地理位置的确定，制作变量喷药处方图；二是进行变量喷药时，由gps测出喷药机械田间地理位置，根据变量喷药处方图，读取与田间地理位置相对应的病虫草害信息，发送喷雾指令，gps通过rs-232串行接口将定位信息传给控制器进行变量控制。变量喷药执行机构：变量喷药执行装置是变量喷药机的核心部件。进行喷药作业时，上位计算机根据gps信号判断喷药机所在网格的位置，结合控制中心中所存储的信息计算出当前位置所需的喷药量；然后再经rs-232接口传输到控制器中，控制器根据装备的地理位置、喷药机实时速度、回路压力以及前期工作的信息形成喷药指令的控制信号，由驱动电路控制变量喷药执行装备或控制脉动喷头的工作状态，以满足

23、变量喷药根据机器行走速度及地块信息调节喷药量的要求。在实际使用中是在喷药的农机上装载一个微型控制中心和gps，这三部分通过串口连接。处方分析系统生成变量喷药处方图，并通过存储介质导入控制系统，gps模块负责实时接收农机的位置信息并通过串口传入控制中心，控制中心在地图上显示农机当前位置，并根据相应的农机位置信息从喷药处方图中查找出当前位置需要喷洒的农药量，并将结果发送到进行变量作业的农机控制系统，控制农机的喷药量系统。喷药总体系统流程示意图如图2.2所示。图2.2处方图变量喷药系统流程图2.2 控制系统的方案以及功能框图2.2.1 控制系统的方案选择本控制系统进行控制方案确定的时候考虑了三种控制

24、方式：基于压力变化的变量喷药控制方式、注入式变量喷药控制形式以及脉冲电控变量喷药控制方式。由于基于压力变化的变量喷药控制方式通过改变系统压力控制药量的方法直接影响到雾滴的大小、漂移性以及分布均匀性，而这又是化学农药喷洒的重要标准；采用注入式变量喷药控制方式进行喷药时，农药由注入泵到达喷杆时间过长，导致传输延迟，从农药泵出到混合液进入喷杆需要几秒钟时间，而变量喷药又要求根据区块变化实时改变喷药量。因此，这里我们采用了脉冲电控变量喷药控制方式。脉冲电控变量喷药控制方式采用脉冲电控喷头，通过控制系统的脉冲宽度(pwm)和调节喷药脉冲宽度来实现喷药。喷药前，农药和溶剂在药箱内混合，在喷头入口处安装电磁

25、阀，喷头流量由电磁阀的间歇开闭来调节，流量改变由系统占空比来控制。在保持喷药压力恒定的条件下，可实现较大范围的变量控制，而且雾滴指标变化小，流速相应比传统基于压力变化调节方式快。在确定选择使用脉冲电控变量喷药控制方式的前提下，我们进一步对系统中的压力和流量传感器的控制方案进行了确定。控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，由于本系统相对复杂，变量太多，并且在实际测量中，压力和流量是一个实时变化的值，导致难以正确的描述系统的动态而其进行精确控制。考虑到到这一问题，我们选用了“模糊控制”，尝试着以模糊数学来处理这些控制问题3。2.

26、2.2 控制系统功能框图在2.2.1节中，我们已经讨论了实现所设计系统功能的几种合理方案。针对实际需求选择如下硬件：arm核心板控制模块含有核心芯片arm7系列的s3c44b0x芯片；含32768m晶振和复位电路；含电源指示灯，供电电源+3.3v；含rs232串口；含键盘，鼠标接口；含5v转3.3v和2.5v的电源转换电路；含有jatag接口；含有64megabit芯片的sdram扩展电路；含有sst39vf160芯片的flash rom扩展电路；选用trimble aggpstm132差分gps接收机设备作为位置，速度信号传感装置?发送的数据格式为字符串格式；数据中含经度，纬度坐标；数据中含

27、喷药机行进速度值大小；外围硬件电路含有电动阀和pwm控制的电磁阀；含有用于枢纽的泵；含有压力传感器和流量传感器以及相应的匹配电路；含有用于存储处方图信息的e2prom(24c256，32k)；arm developer suite 1.2集成开发工具arm公司推出的最新一代arm集成开发工具，英文简称：ads1.2；起源于arm sdt，支持汇编c、c+源程序；具有源文件编辑器语法高亮、编译效率高、系统库功能强、窗口驻留等现代集成开发环境的能。系统的功能框图如图2.3所示。图2.3系统的功能框图2.3 控制系统结构框图本系统是采用处方图以及gps信息结合进入控制中心分析后进行喷药控制，整个系统

28、为自动以及手动相结合的工作模式。本系统采用了反馈控制的形式使系统更加稳定；采用压力传感器来控制系统压力变化；采用流量传感器和比例阀辅助压力传感器使系统内部压力在某一地块保持压力基本不变；采用扇形喷头，弥补了传统锥形喷头的缺点，可以防止农药飘失的反飘和几乎无飘失，增加了电控的可靠性；采用了电机来保证隔膜泵的工作电压；采用了备用药箱，保证了药量的充足。本控制系统为一个反馈控制系统，控制的基本原理是根据系统输出变化的信息来进行控制。即通过比较系统行为(输出)与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路。

29、两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。本设计中，在某一网格中的压力信号值相当于一个给定的量，即喷药量一定，通过压力的变化值来改变比例阀的开度以及隔膜泵的转速来改变流量，达到压力恒定的目的。电动阀为系统的总开关量。控制核心为arm7系列的cpu s3c44b0x(硬件电路中介绍)，执行器为隔膜泵，被控对象为比例阀，检测装置为压力传感器和流量传感器，输出量就是系统的喷药量。3 系统硬件电路设计根据第二章所确定的系统功能框图，本章将详细介绍系统硬件部分电路的设计。本部分主要的设计内容是核心板以及相应的外围电路包括gps输入控制电路、jtag下载电路的设计，输入输出接口电路的设

30、计等；还包括所需要的各传感器和阀门的电路以及用于存储处方图信息的e2prom控制模块以及电源部分的电路设计等。下面我们将对这些内容进行介绍和说明。3.1 核心板电路的设计3.1.1 核心板电路结构框图核心板的结构框图如图3.1所示。图3.1核心板的结构框图cpu:s3c44b0x，8mhz外部晶振，内部倍频至64mhz；.ram:64mbit(4*1m*16bit)pc100/c133兼容sdram的l43l16064；.flash rom:sst39vf160 16mbit(1m*16bit)程序flash；.串行eeprom:at24c04 4kb eeprom，iic接口；.uart接口

31、：2通道uart接口，波特率高达115200bps，juyou rs232电平转换电路，可接链接pc机；.lcd接口模块：20脚双排插针的lcd接口，可接1600*1600以下分辨率的单色或256色snt/dsnt型各种lcd屏，具有对比度调节电位器；.20pin的jtag标准接口；.4个可编程led指示灯；.4*5键盘；.复位电路以及按键。3.1.2 核心板硬件电路的设计核心板电路的核心芯片为功能强大的s3c44b0x芯片。s3c44b0x采用了arm7tdmi内核，0.25um工艺的cmos标准宏单元和存储编译器。它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。专为手持设

32、备和一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案。s3c44b0x处理器含有很多实用性功能，为了降低成本s3c44b0x提供了丰富的内部部件，包括：8kb cache，内部sram，lcd控制器，带自动握手的2通道uart，4通道dma，系统管理器(片选逻辑，fp/edo/sdram控制器)，代用pwm功能的5通道定制器，i/o端口，rtc，8通道10位adc，iic-bus接口，同步sio接口和pll倍频器。s3c44b0x通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的原件配置，从而最小化系统的成本。出于以上考虑我们选用了处理器s3c44b0x。以下我们仅对设计所使用

33、的部分进行介绍4。3.1.2.1 3c44b0x的晶振以及复位电路晶振电路用于向cpu及其他工作电路提供工作时钟。在s3c44b0x最小系统的时钟电路中，用到了有源晶振和无源晶振。连接无源晶振的时候是利用了cpu内部的时钟振荡电路，在cpu的引脚x1和x2之间连接一个晶体就可以产生稳定的时钟信号。系统采用有源晶振的情况下，电路连接和无源晶振有所不同。当然，若想得到更高的工作频率，就要借助于pll电路。复位电路的功能就是完成系统的上电复位和系统运行时候的按键复位功能。这是一个含有二极管的rc复位电路并设计有复位按键，实践证明这种简单的复位电路是可靠的。s3c44b0x的小系统电路要复杂于我们经常

34、所使用的51系列单片机，这里我们仅列出重要的晶振和复位电路。3.1.2.2 sdram、flash rom和e2prom的扩展电路 (1)利用l43l16064对sdram的扩展sdram(synchronous dram，同步动态随即存储器)是目前运用最为广泛的一种内存类型，其工作速度与系统总线速度是一致的。它具有大容量和高速度的特点，它的容量可以达到256m或者更多，工作速度可以达到100-200mhz以上，只是控制过程相对复杂。l43l16064是一种cmos类型的同步动态随机存取记忆体(sdram内存)，它以16进制的格式包含了67，108，864个记忆单元。它的特点是同正逻辑的电平保

35、持时钟的同步，减少了复杂性，并且与传统的dram相比，它使数据带宽的内存提高达5倍以上。图3.2 sdram的扩展电路(2)利用sst39vf160对flash rom进行扩展flash作为一种新型存储器，与eprom相比，具有更高的性能价格比，而且体积小，功耗低，可以擦写，因此使用比较方便。flash按照结构划分可以分为nor和nand两大类。在本系统中选用了nor型flash系列的sst39vf160芯片，这是因为nor型flash具有，体积小容量大、掉电数据不丢失、有独立的地址总线和数据线等的特点。sst39vf160是1m x16的cmos型多用途闪存(mpf)，它具有与sst公司专有

36、的高性能cmos super flash技术。当提供它以3.0-3.6v的电压时，芯片处于“写”的状态；当提供它以2.7-3.6v的电压时，它符合jedec标准，芯片处于存储的状态。sst39vf160与s3c44b0x的连接电路即flash rom的扩展电路如图3.3所示5。图3.3 flash rom的扩展电路(3)利用at24c256对e2prom来进行扩展本系统中采用24c256对来自处方图的信息进行存储。24c256是atmel公司生产的32kbyte串行电可擦的可编程存储器eerom，内部有256页，每一页为128byte，任一单元的地址为16位。它使用标准的2线接口通讯。工作电压

37、在1.8v-5.5v之间，这使它可以兼容大部分应用电压除此之外还支持i2c协议的串行e2prom6。24c256芯片的引脚排布和定义如下：图3.4 24c256芯片的引脚排布和意义3.1.2.3各个接口电路在实际的应用中，要根据实际的电路在核心板上扩展出相应的接口，以便于使用，我们扩展出了jtag、lcd以及用于连接gps数据的串行接口以及用于实验调试的ide接口电路。在这里我们仅给出ide接口电路，其它不再一一列举，而是与整体的电路放在一起进行介绍。3.2 核心板外围电路的设计3.2.1 gps输入控制电路我们采用串口来对gps采集到的数据进行传送。图3.5右侧上半部分电容c1，c2，c3，

38、c4及v+，v-是电源变换部分。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此vcc需要对“地”加去耦电容c5，其值为0.1uf。电容c1，c2，c3，c4都选用电解电容，电容值为1.0 uf(耐压值至少为16v以上)，这样可以提高抗干扰能力。连接时电容必须尽量接近器件，并且注意极性的连接。下面给出具体的gps控制电路图，如图3.6所示。图中gpe1、gpe2分别代表s3c44b0x芯片的rxd以及txd引脚，即与主芯片相连进行通讯，另一端t1out与来自gps的信号相连，r1in与计算机的串口相连。为了以后扩展的方便我们配置了两个串口，在本系统中只使用了一个，另一个备用7。图3.5 ide接口电路

39、图3.6 max232芯片引脚分布以及内部结构原理3.2.2 jtag调试电路jtag(joint test action group)是1985年制定的检测pcb和ic芯片的一个标准，1990年被修改后成为ieee的一个标准，即ieee1149.1-1990。通过这个标准，可对具有jtag接口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。具有jtag口的芯片都有如下jtag引脚定义：tck测试时钟输入，为tap控制器和寄存器提供参考。tdi测试数据输入，数据通过tdi输入jtag口；tdo测试数据输出，数据通过tdo从jtag口输出；tms测试模式选择，tms用来设置jtag口处于某种特定的测试模

40、式。可选引脚trst测试复位，输入引脚，低电平有效。s3c44b0x具有相对应的jtag功能，因此我们采用jtag进行在线编程。并且采用byteblaster下载电缆进行传输。目前jtag接口的连接有两种标准，即14针接口和20针接口。这里我们采用了为20针jtag接口。在设计中，并没有直接将并口与s3c44b0x芯片的相关引脚相连接，而是使用了74hc244三态缓冲器芯片，进行了隔离和驱动。并且设置了两个小灯，一个为电源指示灯，另一个为进行数据传输是的指示灯8。3.2.3 键盘以及lcd电路键盘电路以及lcd显示电路在本系统中，充当着输入设备和显示设备的重要功能。下面对其工作原理我们将做详细

41、的介绍。3.2.3.1 键盘模块电路本设计中采用了串行接口的键盘显示专用芯片-ch451。它是一个整合了数码管显示驱动、键盘扫描控制和p监控的多功能外围芯片。ch451具有64键的键盘扫描功能，如果应用中只需要很少的按键，则可以在88矩阵中任意去掉不用的按键，在本电路中就只用到了45键盘。其连接电路如下图3.7所示。图3.7键盘连接电路ch451定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。如果ch451检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并通过dout引脚产生低电平有效的键盘中断；在没有检测到新的有效按键之前，ch451不再产生任何键盘中断。ch45不支持组合键，也就是说，同一时刻，不能有两个或者

42、更多的键被按下；如果多个键同时按下，那么按键代码较小的按键优先。3.2.3.2 lcd显示电路本系统中液晶显示部分采用了内藏t6963c的液晶显示模块。内藏t6963c的液晶显示模块上已经实现了t6963c与行、列驱动器及显示缓冲区ram的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构(单、双屏)，数据传输方式，显示窗口长度、宽度等等。我们常用的液晶显示模块一般都是单屏结构，因此我们这里只讨论单屏结构的液晶显示模块9。3.2.4 阀门以及传感器连接电路图本设计中用到了电磁阀、电动阀以及各个相关传感器，这里我们把压力传感器以及流量传感器称为系统的“感觉器官”，把电磁阀以及电动阀称作系统的“动作器官”。(

43、1)感觉器官流量传感器采用了天津五环仪表厂的lwgy-10型液体智能涡轮流量计。其特点为：1、压力损失小，叶轮具有防腐功能；2、具有较高的抗电磁干扰和抗震动能力，性能可靠工作寿命长；3、采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越，具有非线性精度补偿功能的智能显示器。修正公式精度优于0.02%；4、仪表系数可由按键在线设置，并可显示在lcd屏上，lcd屏直观清晰可靠性高；5、用eeprom对累积流量、仪表系数进行掉电保护。保护时间大于10年。 (2)动作器官本设计中所采用的为北京海林电气设备有限公司的hl22020lce-110型电动阀。需要的供电电源为ac220v，控制信号即

44、开关信号为dc0-10v标准电压信号，基本控制原理为：阀门的开度，在这里记为0-100%与控制信号成正向的线性关系开度0对应0v，开度100%对应10v，中间依次对应。图3.8电动阀的连接电路图电动阀的连接电路际中电动阀所需要的控制信号为连续的量，这里我们利用dac0832芯片来进行数模转换，并且经过一个由运放构成的匹配电路，最后连接到电动阀上，来实现对电动阀的控制。dac0832具有8位并行的芯片结构、并且有中速(建立时间1us)、电流型、价格低廉(10-20元)等特点。在不要求多相d/a同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高d/a的数据吞吐量。这里我们需要

45、dac0832所做的工作比较简单，所以采用了单缓冲工作方式。3.3 系统供电电源的设计电源是整个控制系统工作的动力源，起着非同寻常的作用。在本系统的设计过程中，多处需要不同的电压来驱动，如核心芯片s3c44b0x的工作电压为3.3v、adc0832的工作电压为5.0v等等。在设计中电压。此外我们设计了电源工作指示灯，电流增强输出的正向电源电路，并且利用一个附加的功环境为田间，因此，我们因地制宜，直接使用采用拖拉机发电机输出的12v电压，进行了一系列的电压转换。(1)s3c44b0x工作电源电路由于s3c44b0x工作所需电压为3.3v在设计系统的总体供电时我们只提供了5v电压，所以要进行电压转

46、换，转我们也同时转换得到了2.5v在通电时，小灯点亮，代表了电源转换电路的正常工作。具体电路图如图3.9所示。图3.9 s3c44b0x工作电源转换图(2)dc12v-dc5v电源变换电路首先，我们将拖拉机发电机输出12v的直流电压经过7805电源转换模块降压，整流、滤波和稳压后得到具有一定功率的5v的电源。三端稳压器件78xx/79xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型dc/dc转换器，78xx/79系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。78xx/79xx系列在降压电路中应注意以下事项：1、输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；2、输出电流不能太大，

47、1.5a是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；3、输入输出压差也不能太小，大小效率很差。3.4 喷药机的结构本喷药机是20马力小四轮配套的小型植物保护机械，适用于全面喷、苗带喷洒。该机结构简单，操作方便、作业范围广，经济效益高。其主要规格和技术参数如下所示：外形尺寸：3000 6000 1390mm；挂接方式：后机械悬挂式；配套泵：xn-b型齿轮喷雾泵；幅宽：6m；喷嘴：德国人工合成塑料pomst110-05 10个；喷头间距：500-600-700mm可调离地高度：400-800mm可调；班次生产率200亩/8小时。4 系统软件设计如果说硬件是控制系统的

48、“骨架”，那么软件就是整个控制系统的“灵魂”，二者缺一不可。好的软件系统可以对硬件部分的缺陷进行弥补和优化，使系统能够更好的完成目标工作。下面在本章中我们将对系统的开发环境和软件流程进行介绍。4.1 ads1.2集成开发环境ads1.2是一个使用方便的集成开发环境，全称是arm developer suite 1.2。它是由arm公司提供的专门用于arm相关应用开发和调试的综合性软件，是一款较为成熟的版本。ads的前身是sdt，sdt是arm公司几年前的开发环境软件，目前sdt早已经不再升级。在功能和易用性上ads1.2比较sdt都有提高，是一款功能强大又易于使用的开发工具。ads囊括了一系列

49、的应用，并且有相关的文档和实例的支持。使用者可以用它来编写和调试各种基于arm家族risc处理器的应用。即ads1.2支持arm10之前的所有arm系列微控制器，支持软件调试及jtag硬件仿真调试，支持汇编、c、c+源程序；具有编译效率高，系统功能强等特点；可以在windows98、windows xp、windows 2000以及radhat linux上运行。4.2 处方图的制作、坐标变换以及网格识别在进行软件编程之前有2个关键的问题需要解决，它们是进行软件编程之前的前期准备工作。这两个问题是坐标变换、网格识别以及处方图的制作。4.2.1 坐标变换以及网格识别假设已经知道了施肥点的经度，纬

50、度信息(分成小数和整数部分)，已经录入了基点的经度，纬度信息(分成正数和小数部分)，我们根据垄距的大小来设定长度，计算出其在经纬度方向上换算成的经纬度数值(也分成整数和小数部分)，因此可以算出行列(经纬)位置数值如下：行标和列标的算法不仅可以运用在坐标变换之中，而且还可以用于确定喷药点的位置，可以通过读文件得到喷药点的药量10。4.2.2 处方图的制作目前精确农业的变量喷药主要有两种方式，即基于处方图和基于传感器的实时检测与控制。本研究工作拟采用基于处方图方式实施变量喷药原因如下：(1)缺少即时监测病虫害条件和作物条件的传感器；(2)喷药决策取决于事先计划(如目标产量和病虫害条等)；(3)实时

51、监测与控制设备目前不能满足生产率要求。制作农田电子地图(这里称为处方图)是使用本喷药机实现精确农业技术时首先必须做的工作。其基本步骤是：首先带着gps接收设备，绕农田行走一周，获得农田边界位置数据(经度、纬度等)。由于地形对作物分布、机器作业和水土流失等有着直接影响，因此，常常要获取农田地形参数。然后在实验室中，下载记录的农田边界和地形等数据，使用相应的软件，便可以生成农田电子地图。在本系统中采用dcas系统对耕作地块进行网格划分。首先将采样得到的离散点边界信息整合到一个图里，然后利用软件的相应功能使其连续，最后根据算法进行网格划分，这里我们把地块划分为40m*40m大小的网格。病虫害信息采样

52、是目前获取田间状态信息的主要手段，是病虫害分布研究和变量喷药决策的前提。只有获得了足够的农田状态信息，才有可能实现因地制宜和按需喷药。土壤采样需要gps和相应的采样导航软件的支持。拖拉机进入田间采样时，在aggps132中，调出农田采样网格图。拖拉机按照拟定的行车路线，依次驶向每个采样网格的中心，到达网格中心时，拖拉机停止前进，进行病虫害采样和包装。aggps132可以记录采样点的实际位置，以提高喷药量分布的分析精度。所获取的病虫害样本在实验室经过化学分析，结合电子地图制作相应的喷药量分布图。为了方便使用统计学方法分析农田内的病虫害分布，并比较年际间的病虫分布变化，需要知道采样点的位置坐标。传

53、统的采样，由于没有gps的导航和定位，在大面积的农田内，难于满足这一要求。而gps在病虫害采样导航和定位中的应用，可以为采样点提供亚米级的定位精度，很好地满足了这一要求。根据以上步骤即可完成变量喷药处方图的制作过程。4.3 系统软件流程设计参考系统的硬件电路，系统软件设计大体可以分为：主程序模块，gps信息的接收和解码模块、键盘处理模块，lcd显示和处理模块、jtag下载调试模块、处方图信息处理模块、传感器信息读取模块、执行机构控制模块等。4.3.1 主程序模块的软件设计系统的主程序流程图如图4.1所示。图4.1系统的主程序流程图4.3.2 gps信息的接收和解码软件设计该部分的功能是使用cp

54、u和gps模块进行通信，获得当前的方位信息。在本系统中我们采用串口来对来自gps的信息进行接受和解码。下面对串口通信进行简单的介绍。众所周知，每台pc都配有串行端口，以便与外部串行设备之间进行通信。串行端口的本质功能是作为芯片和串行设备之间的编码转换器。当数据从芯片经过串行端口发送出去时，字节数据被转换为串行的位。在接收数据时，串行的位将被转换为字节数据。gps提供串行通信接口，由rs232串口提供驱动，来处理计算机与gps之间的数据输入/输出，另外还要处理串口进入的不明数据。在串口初始化的时候，要根据设置参数对串口进行正确的设置。arm带有两个自带的串行口，各带16字节的先入先出寄存器(fi

55、fo)，最大波特率可达115 200bps。其中每个uart有7种状态：溢出错误、校验错误、帧错误、暂停态、接收缓冲区准备好、发送缓冲区空、发送移位寄存器空。由于uart可以同时存在几个中断源申请中断的情况，而uart的硬件仅指示出其中的一个中断源，为减少多次进入中断而引起的开销，中断中使用了while循环判断uart的中断是否处理完毕11。中断服务程序流程图如下图4.2所示：图4.2系统的中断服务程序流程图串口的接收过程可采用查询或中断方式。但是查询方式耗时较长，有可能延长20ms的程序运行周期，不满足实时性要求，所以选择使用中断方式以减少驱动程序对cpu时间的占用。4.3.3 键盘处理模块

56、在键盘处理模块中，采用了中断扫描方式。中断扫描方式在没有键按下时，cpu处理其他工作而不必进行键盘的扫描；有键按下时，通过硬件电路向cpu申请键盘中断，在键盘中断服务程序中完成键盘处理，这样可以提高cpu的工作效率。中断扫描程序流程图如右所示。在本系统中键盘与lcd显示是配套使用的，即由键盘作为输入设备，对lcd显示进行控制，比如进行开关机、坐标和喷药量修改等。硬件我们连接的是4*5的键盘，我们对其中的16个按键进行了运用，空余4个按键，一共以后对系统进一步优化时使用。在实际应用中，有些时候可能不小心按下了键盘的按键，而改变了系统的参数和状态，使系统运行不正常，这样就会带来麻烦和损失。为了避免

57、这一情况的发生，我们对键盘进行了锁定操作。在这种境况下，只有密码输入正确才能对系统进行设置。在不需要键盘操作的时候，可以对键盘进行锁定，这样就不会因为误操作而出现引起系统错误运行的情况。图4.3为键盘解密和加密的流程图。图4.3键盘解密和加密的流程图4.3.4 lcd显示和处理模块我们在硬件中选用t6963c液晶屏幕进行显示，采用间接控制方式对其进行控制。这种方式是mpu通过i/o并行接口，按照模拟模块时序的方式，间接实现对液晶显示模块的控制。对于液晶的基本操作编程相对简单，只需要：(1)进行初始化，其中包括对文本显示区域首地址和显示宽度的设置、对图形显示区域首地址和显示宽度的设置、光标形状设置、方式设置和开关设置等；(2)读状态字子程序；(3)读数据子程序；(4)写指令和写数据子程序。这些程序的编写只要简单根据产品说明书的相应设置编写控制字即可。4.3.5 jtag下载调试模块通过jtag接口可以进行嵌入式系统电路板及芯片的调试，也可以实现对电路板上的flash编程。它是通过现有的jtag边界扫描口与arm cpu核