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插秧機(jī)作業(yè)面積自動(dòng)測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2015-09-09 09:41熊中剛賀娟曲祥君等
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年14期
關(guān)鍵詞:插秧機(jī)電路設(shè)計(jì)

熊中剛 賀娟 曲祥君等

摘要:為實(shí)現(xiàn)對插秧機(jī)作業(yè)區(qū)域和作業(yè)邊界的自動(dòng)識別以及作業(yè)面積的實(shí)時(shí)自動(dòng)測量和其他相關(guān)數(shù)據(jù)采集,對插秧機(jī)作業(yè)面積自動(dòng)測量系統(tǒng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由中央處理模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、無線數(shù)傳模塊、U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊以及上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊等7部分組成。中央處理模塊的主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī),主要負(fù)責(zé)采集和處理GPS定位模塊以及傳感器檢測模塊對插秧機(jī)的定位軌跡信息、發(fā)動(dòng)機(jī)其他工況參數(shù)信息,并通過對GPS定位信息的分析處理完成插秧機(jī)作業(yè)面積的自動(dòng)計(jì)算;無線數(shù)傳模塊主要負(fù)責(zé)完成與上位機(jī)之間的通訊工作;上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)通過GPRS組網(wǎng)技術(shù)與PC機(jī)相連,并能實(shí)現(xiàn)對插秧機(jī)遠(yuǎn)程啟停動(dòng)作。結(jié)果表明,該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對插秧機(jī)作業(yè)面積的自動(dòng)測量,并能實(shí)現(xiàn)對插秧機(jī)作業(yè)面積的遠(yuǎn)程監(jiān)測和啟停動(dòng)作。

關(guān)鍵詞:插秧機(jī);作業(yè)面積測量系統(tǒng);電路設(shè)計(jì)

中圖分類號:TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: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

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展,插秧機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)及旋耕機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械已逐步成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的工具。特別是聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的實(shí)行,農(nóng)戶購買大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的可能性越來越小,農(nóng)業(yè)機(jī)械跨區(qū)作業(yè)將成為必然[1,2]。農(nóng)業(yè)機(jī)械跨區(qū)作業(yè)中,作業(yè)面積是一個(gè)很關(guān)鍵的數(shù)據(jù),時(shí)常會(huì)出現(xiàn)由于難以準(zhǔn)確測量作業(yè)面積而引起糾紛,是農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行跨區(qū)田間作業(yè)計(jì)算工時(shí)和收費(fèi)的主要依據(jù)。同時(shí)田塊的大小直接決定了種子、化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的投入量[3-5]。傳統(tǒng)的農(nóng)田面積大多使用皮尺、憑借經(jīng)驗(yàn)或采用產(chǎn)量計(jì)費(fèi)的方式,簡單實(shí)用,但只適合于小面積的規(guī)則矩形田塊[6,7]。為解決傳統(tǒng)測量農(nóng)田作業(yè)面積存在的問題,增強(qiáng)測量方式的普遍適應(yīng)性,本研究設(shè)計(jì)了一套插秧機(jī)作業(yè)面積自動(dòng)測量系統(tǒng)的硬件電路,能夠?qū)崿F(xiàn)任意形狀插秧機(jī)作業(yè)面積的自動(dòng)測量工作,并應(yīng)用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境對插秧機(jī)遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控模塊進(jìn)行了開發(fā)[8],實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)的采集和控制機(jī)械的啟停動(dòng)作。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由中央處理模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、GPRS無線數(shù)傳模塊、U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊以及上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊等部分組成,其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器檢測模塊主要由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度檢測單元、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力檢測單元、燃油油位檢測單元、液壓油油溫檢測單元和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測單元等組成,主要用于采集插秧機(jī)工作時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)工況相關(guān)數(shù)據(jù);中央處理模塊以STC12C5A60S2為控制核心,主要對傳感器檢測模塊和GPS定位模塊采集來的信息進(jìn)行分析處理后,通過GPRS無線數(shù)傳模塊將相關(guān)信息傳到上位機(jī),并將有效信息存儲(chǔ)到U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊;遠(yuǎn)程監(jiān)控管理者通過自主開發(fā)的上位機(jī)操作界面觀察插秧機(jī)的作業(yè)面積、運(yùn)行參數(shù)和作業(yè)位置等實(shí)時(shí)信息,并針對緊急情況下的需求發(fā)送機(jī)械啟停命令。

2 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件電路主要包括中央控制核心模塊、傳感器檢測模塊、GPS定位模塊、GPRS無線通信模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火/熄火模塊、CAN總線模塊以及電源模塊。傳感器檢測模塊主要完成插秧機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)采集,GPS定位模塊主要完成車體的運(yùn)動(dòng)軌跡定位工作,中央控制模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行信息處理與分析,并完成機(jī)械作業(yè)區(qū)域的識別和面積計(jì)算工作,同時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳工作。

2.1 核心??刂茐K電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主控電路如圖2所示,包括中央控制單元、GPRS無線數(shù)傳單元、GPS定位單元。該系統(tǒng)采用的是STC12C5A60S2單片機(jī),是由宏晶科技(深圳)有限公司生產(chǎn)的一款增強(qiáng)型8051 CPU,1T單時(shí)鐘/機(jī)器周期,工作頻率是0~35 MHz,相當(dāng)于普通8051單片機(jī)的0~420 MHz,即比普通單片機(jī)處理速度快8~12倍;單片機(jī)上集成了1 280字節(jié)RAM,60 kb的FLASH程序存儲(chǔ)器空間,4個(gè)十六位定時(shí)器,2路十六位PCA和PWM,共有8路10位精度的ADC,轉(zhuǎn)換速度高達(dá)50萬次/s。系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機(jī)與各個(gè)硬件模塊連接,控制各自工作,傳感器模塊將檢測到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由CAN總線傳送到中央控制單元,與此同時(shí),與GPS定位模塊采用RS485進(jìn)行通信,讀取相關(guān)定位信息,然后經(jīng)過相應(yīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和處理后,完成相關(guān)區(qū)域識別和面積計(jì)算工作,并將定位信息、作業(yè)面積和傳感器檢測信息經(jīng)由GPRS無線通信模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)缴衔粰C(jī),同時(shí)通過單片機(jī)U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成有效信息的存儲(chǔ)和讀取工作。

2.2 傳感器檢測模塊電路設(shè)計(jì)

傳感器檢測模塊主要用來采集插秧機(jī)工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)工況參數(shù)。傳感器檢測模塊采集的數(shù)據(jù)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、燃油油位、液壓油油溫和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。中央主控芯片STC12C5A60S2通過下發(fā)采集命令采集各個(gè)傳感器通過CAN總線上傳的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中分別選用的是ZS-6-01-10L霍爾傳感器、半導(dǎo)體集成的兩端式機(jī)油溫度傳感器AD590、應(yīng)變式機(jī)油壓力傳感器BP800。

為得到更加準(zhǔn)確的插秧機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號A0,首先使電路中信號A0經(jīng)過限流電阻R9和電容C1組成的低通濾波電路后,經(jīng)由LM339比較電路整形出需要的標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖,R11上拉電阻有效保證了高電平時(shí)的電壓,整形電路輸出的矩形脈沖經(jīng)由光耦作用將其輸入通道前端的現(xiàn)場的干擾信號和單片機(jī)隔離開,同時(shí)將信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識別的高低電平后送入I/O口,即圖中的AD1端的網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)(圖3)。AD590溫度傳感器先將溫度變化轉(zhuǎn)換成電流變化,之后轉(zhuǎn)換成單片機(jī)容易處理的0~5 V電壓信號,具體電路如圖4所示。

機(jī)油壓力的檢測采用應(yīng)變式壓力傳感器BP800,通常是輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號,其電流信號范圍為4~20 mA[9]。這種標(biāo)準(zhǔn)的接口,一般可以采取精密電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號,然后直接送入中央處理單元的A/D轉(zhuǎn)換端口,I/V轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

2.3 CAN總線模塊電路設(shè)計(jì)

插秧機(jī)車載終端根據(jù)需求,需要具有與車載各發(fā)動(dòng)機(jī)工況檢測傳感器進(jìn)行可靠通信的功能,故通過擴(kuò)展CAN總線接口實(shí)現(xiàn)該功能要求,從而達(dá)到雙方數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。其接口的硬件電路主要由CAN總線控制器SJA1000T和CAN總線收發(fā)器PCA82C250組成,考慮到插秧機(jī)作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變,為進(jìn)一步增強(qiáng)總線的抗干擾能力,并沒有直接將CAN總線控制器的TX0和RX0與CAN收發(fā)器的TXD1和RXD1相連,而是通過在其中間增加一個(gè)高速光耦合器6N137,轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10 Mbit/s,具體硬件電路如圖6所示。

2.4 GPS定位模塊電路設(shè)計(jì)

GPS定位模塊即GPS接收機(jī),通過它來實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的定位功能,其電路設(shè)計(jì)如圖7所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的是瑞士Ublox公司生產(chǎn)的NEO-6M-0-001的GPS接收機(jī)。該模塊能支持AssistNow Online和AssistNow Offline等A-GPS服務(wù),供電電壓范圍為2.7~3.6 V,當(dāng)電壓3.0 V時(shí)功耗小于120 mW,具有1個(gè)USB V2.0,全速12 Mbit/s,1個(gè)UART接口、1個(gè)DDC接口、1個(gè)SPI接口,跟蹤靈敏度為-147 dBm。如圖7中所示的引腳23是GPS定位模塊的電源輸入腳,與主控板中產(chǎn)生3.3 V電壓接口連接,引腳22接了一個(gè)備用電池,在系統(tǒng)啟動(dòng)定位工作時(shí),會(huì)立即給電池充電;為了增強(qiáng)GPS定位信號,外接了配套天線,當(dāng)GPS接收到數(shù)據(jù)后通過解碼經(jīng)由引腳20 TXD_GPS_TTL通過RS485通信送到STC12C5A60S 2的串口上。

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火/熄火模塊電路設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度和機(jī)油壓力對比正常預(yù)設(shè)值出現(xiàn)較大異常時(shí),為及時(shí)保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī),可以對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熄火控制。本研究中插秧機(jī)采用的是電啟動(dòng)風(fēng)冷4沖程2氣缸OHV汽油發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停電路如圖8所示。

該模塊的整個(gè)電路主要包括STC單片機(jī)處理器、達(dá)林頓管陣列芯片ULN2003、74LS05集電極開路輸出的非門陣列、兩個(gè)繼電器、MAX485和MAX232通信芯片。采用RS485通信方式與下位機(jī)中央控制器進(jìn)行連接,當(dāng)在緊急情況下接收到來自上位機(jī)的點(diǎn)火/熄火命令后則完成相應(yīng)動(dòng)作。電路為提高單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力,采用非門電路以高電平的方式配合驅(qū)動(dòng)ULN2003達(dá)林頓管陣列,這樣ULN2003的驅(qū)動(dòng)能力可以達(dá)到500 mA,從而可以大大提高單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力[4-7]。

2.6 GPRS無線通信模塊

該系統(tǒng)主要通過GPRS無線通信模塊,接入GPRS無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),將日期、機(jī)械作業(yè)時(shí)間、作業(yè)位置、作業(yè)面積以及產(chǎn)量等信息傳送到上位PC機(jī)完成數(shù)據(jù)通信。本研究選擇SIMCOM公司生產(chǎn)的 SIM300作為無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊,該無線通信模塊支持GSM和GPRS雙模式通信,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,能夠在PCS1900、DCS1800和EGSM900 3個(gè)不同頻段下工作。具體工作狀態(tài)指示燈和通信硬件電路如圖9所示。

SIM300要接入GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作,就必須使用到SIM卡,與其操作相關(guān)的信號被直接引出到SIM300的SIM卡接口上,其中SIM_DATA作為與SIM卡的串行數(shù)據(jù)線,用于數(shù)據(jù)的輸入輸出,SIM_CLK為SIM卡提供操作時(shí)鐘,SIM_RST引腳則用來輸出SIM卡的復(fù)位信號,整個(gè)SIM卡部分的電路如圖10所示。

2.7 電源模塊

電源在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中扮演著一個(gè)重要角色,使用穩(wěn)定電源能使電路性能更加穩(wěn)定可靠,整個(gè)系統(tǒng)采用5 V供電,對于該重要部分設(shè)計(jì)必須考慮到硬件系統(tǒng)對電源具有穩(wěn)壓和紋波小等要求,當(dāng)然在有效保證電路電壓穩(wěn)定輸入的前提下,低功耗也是現(xiàn)今設(shè)計(jì)非常關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)話題。因而針對系統(tǒng)要求,系統(tǒng)得到5 V電源部分采用的是ZA3020芯片實(shí)現(xiàn)的。為了使電路中5 V輸出電源的紋波較小,因而在經(jīng)過ZA3020轉(zhuǎn)換后的電壓輸出端采用了一個(gè)22 μF和0.1 μF的電容,另外芯片的電源輸入端也放置了一個(gè)10 μF和0.1 μF的濾波電容,從而有效減小輸入端受到的干擾,使信號穩(wěn)定可靠的輸入。具體系統(tǒng)輸入電源電壓處理電路如圖11所示。

GPS定位模塊的工作電壓是3.3 V,為有效保證車載電源斷電后仍能正常工作,該設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)備用充電電池,該備用電池充電所需電壓是3.3 V,所以先將車體上12 V電源電壓通過輸入電壓處理電路轉(zhuǎn)換為5 V,然后通過REG1117-3.3降壓芯片的處理,得到3.3 V電壓,具體硬件電路如圖12所示。

然而該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中GPRS無線通信模塊工作所需要的電壓是4.2 V,選用的壓降芯片是MIC29302BU,其可以通過使能引腳端和反饋電阻進(jìn)行輸出電壓的控制,本設(shè)計(jì)中通過將使能端置高,設(shè)置反饋端R16和R17兩個(gè)電阻比值來確定輸出電壓,具體硬件電路如圖13所示。

當(dāng)芯片1腳使能端置高,芯片導(dǎo)通開始工作,經(jīng)由公式可以計(jì)算出輸出端電壓約等于4.2 V,該電壓值即供給GPRS無線通信模塊工作。

3 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊的控制單元是上位機(jī)和下位機(jī)連接的橋梁,此處上位機(jī)是采用Visual Basic 6.0開發(fā)的PC機(jī)監(jiān)控平臺,另外主要應(yīng)用單片機(jī)連接外設(shè)了U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,主要通過GPRS無線組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和相應(yīng)的控制命令,并通過AT指令發(fā)送相關(guān)控制和數(shù)據(jù)采集命令。相應(yīng)的U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)原理圖如圖14所示。

信息的存儲(chǔ)是面積測量系統(tǒng)的重要組成部分,主要包括對日期、機(jī)械作業(yè)時(shí)間、作業(yè)位置、作業(yè)面積以及產(chǎn)量等信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。有效存儲(chǔ)這一系列信息可作為化肥、種子、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料投入量的依據(jù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的參考依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),由于需要的有效數(shù)據(jù)量比較大,故為方便定位作業(yè)區(qū)域及邊界等大量定位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),系統(tǒng)采用了單片機(jī)U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路。模塊采用CH375單片機(jī)U盤讀寫芯片完成U盤到單片機(jī)的銜接,通過大容量RAM完成大容量數(shù)據(jù)緩存和傳輸,減少設(shè)備數(shù)據(jù)讀寫總時(shí)間,延長U盤壽命。

存儲(chǔ)電路中采用5 V電壓工作,為了內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效退耦,改善USB傳輸過程中的電磁干擾,故在V3引腳外接0.01 μF電容,將CH375的TXD引腳直接接地可使CH375實(shí)行并口方式工作。設(shè)計(jì)中在RSTI引腳與VCC之間跨接了一個(gè)0.47 μF的電容,是為了在電源上電時(shí),系統(tǒng)電路能夠完成可靠復(fù)位并且有效減少外部產(chǎn)生的干擾。在U盤插入過程中,為了避免CMOS電路CH375出現(xiàn)大電流閂鎖效應(yīng)而損壞芯片,故在USB插座的電源上并聯(lián)了儲(chǔ)能電容C31緩解瞬時(shí)壓降。

4 小結(jié)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了具備強(qiáng)干擾性和可移植性,均采用模塊化設(shè)計(jì)。為對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)行了相關(guān)硬件測試工作,同時(shí)完成了基于Visual Basic 6.0開發(fā)的上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,并結(jié)合硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)。插秧機(jī)在水泥地上模擬田間的作業(yè)軌跡,驗(yàn)證前面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過將系統(tǒng)顯示的自動(dòng)測量面積值與人工實(shí)際測量面積值進(jìn)行對比分析,系統(tǒng)能夠很好地完成作業(yè)區(qū)域自動(dòng)識別和面積測量工作,并能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集插秧機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)工況參數(shù)和控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停。

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