YZPB—200B裝盤播種機(jī)精密播種檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高云　宋東方

摘要：為了提高精密播種的質(zhì)量，以C8051F系列單片機(jī)為主要核心部分，利用光電傳感器檢測(cè)播種機(jī)的行徑速度，并將速度傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過計(jì)算和分析來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確保種子剛好落入種穴中。結(jié)果表明，YZPB-200B裝盤播種機(jī)的空穴率低于2.4%，每穴1粒率達(dá)到89%，符合煙草種植的農(nóng)藝要求，所以該設(shè)計(jì)對(duì)滿足播種機(jī)播種裝置的一穴一種的要求。

關(guān)鍵詞：播種機(jī)；單片機(jī)；光電傳感器；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）06-1551-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.048

目前，中國(guó)煙草種植多采用包衣種子進(jìn)行育苗，包衣種子的精密播種直接影響煙苗的后期生長(zhǎng)，播種機(jī)的播種質(zhì)量是評(píng)定播種機(jī)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)。播種機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)采用全封閉形式，無法直觀地觀察播種情況，容易造成漏播和多播的情況。目前中國(guó)多使用氣吸式播種機(jī)，此播種機(jī)精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易堵塞氣孔。針對(duì)這一問題，本研究設(shè)計(jì)了YZPB-200B裝盤播種機(jī)，該播種機(jī)的播種裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳感器監(jiān)測(cè)播種機(jī)的前進(jìn)速度，單片機(jī)系統(tǒng)通過采集傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而控制步進(jìn)電機(jī)的速度，再通過步進(jìn)電機(jī)控制播種機(jī)的播種裝置進(jìn)行播種，實(shí)現(xiàn)精密播種的過程，保證每個(gè)包衣種子都能夠精確地落入種穴的中央；最后通過輔基裝置在苗盤上覆蓋一層均勻的土壤，確保煙苗的發(fā)芽率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

本研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)由2個(gè)單片機(jī)、光電測(cè)速傳感器、步進(jìn)電機(jī)、報(bào)警裝置、實(shí)時(shí)時(shí)鐘組成（圖1）。主單片機(jī)是根據(jù)對(duì)傳感器的測(cè)量結(jié)果來控制步進(jìn)電機(jī)的速度；從單片機(jī)主要是顯示數(shù)據(jù)、報(bào)警和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。2個(gè)單片機(jī)之間通過RS485通信線進(jìn)行連接。單片機(jī)通過對(duì)播種機(jī)前進(jìn)速度和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果出現(xiàn)漏種和多種現(xiàn)象就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過LCD顯示裝置顯示漏種率。

2 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為直線和角位移的執(zhí)行部件，必須通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連到直流電源上。該播種機(jī)使用芯片L297/L298構(gòu)成步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，芯片L297可以產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，構(gòu)成四線電機(jī)的高速度模式。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的核心部分是譯碼器，譯碼器主要進(jìn)行模式控制、方向控制和步進(jìn)式時(shí)鐘，芯片L298接受TTL邏輯電平信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)負(fù)載。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理如圖2所示，芯片L297是步進(jìn)電機(jī)控制器，主要用于四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該芯片可以通過達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)容量更大的步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)部只需要方向信號(hào)與模式信號(hào)，減弱了單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。芯片L298主要是用來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的集成電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用全橋方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于該驅(qū)動(dòng)方式是雙極性的，全部使用步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部定子繞組線圈，這樣可以發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選擇C8051F系列的單片機(jī)，可以兼容指令集，在數(shù)據(jù)采集等方面要優(yōu)于8位單片機(jī)，C8051F系列的單片機(jī)由于自帶USB的處理器，可以直接對(duì)USB進(jìn)行設(shè)計(jì)。主單片機(jī)原理如圖3所示。該系列單片機(jī)推出CIP-51的CPU運(yùn)行模式，在很大程度上提高了指令的運(yùn)行速度，將8位單片機(jī)推入一個(gè)高速時(shí)代。該系統(tǒng)中主單片機(jī)主要是完成傳感器和步進(jìn)電機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，采集光電傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)分析計(jì)算來控制步進(jìn)電機(jī)控制播種機(jī)的速度，分析并計(jì)算出播種機(jī)的工作情況，最后把結(jié)果送入從單片機(jī)中。

3.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)播種機(jī)的行徑速度使用光電轉(zhuǎn)速傳感器，主要組成部分是信號(hào)處理電路、光電元件以及光電碼盤。光電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理是當(dāng)光通過發(fā)光二極管照射到光敏三極管上時(shí)，光敏三極管中有光電流產(chǎn)生，光敏三極管導(dǎo)通，這時(shí)會(huì)生產(chǎn)一個(gè)脈沖信號(hào)，表示光電碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖數(shù)。車速?zèng)Q定脈沖頻率，如果此時(shí)車速是50 km/h，儀表驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速時(shí)600 r/min，那么光電碼盤每轉(zhuǎn)一圈輸出20個(gè)脈沖。光電傳感器測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常應(yīng)用在非接觸式測(cè)速場(chǎng)合。

3.3 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路采用LCD液晶顯示，LCD液晶顯示具有耗電省、集成度高、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類智能控制系統(tǒng)中和各類電子產(chǎn)品中。LCD液晶顯示模塊由三部分組成，分別是液晶顯示器、驅(qū)動(dòng)器以及控制器，需要根據(jù)播種機(jī)對(duì)系統(tǒng)的要求，顯示漏播率、播種量等數(shù)據(jù)，其硬件電路如圖4所示。

3.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路是整個(gè)系統(tǒng)重要的組成部分，電源電路功率的大小和性能是決定整個(gè)控制系統(tǒng)安全性和可靠性的重要指標(biāo)。為了保證電源電壓的穩(wěn)定性，硬件電路如圖5所示，將播種機(jī)電瓶輸出的12 V電壓通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成5 V穩(wěn)定電壓輸出。

3.5 外部時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

外部時(shí)鐘硬件電路如圖6所示，芯片DS1302不僅可以對(duì)電路提供時(shí)鐘信號(hào)，還可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于隨機(jī)存儲(chǔ)器中，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。芯片DS1302的SCLK、RST、I/O端口與CPU通信，保持同步通信，也可以采取一次傳送多個(gè)隨機(jī)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)和時(shí)鐘數(shù)據(jù)。

3.6 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路時(shí)用聲光報(bào)警電路，硬件電路如圖7所示。聲光報(bào)警電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、安裝方便等特點(diǎn)。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

播種機(jī)的煙種選擇包衣種子，種子個(gè)數(shù)為100個(gè)，平均直徑為2 mm。試驗(yàn)地塊的選擇及試驗(yàn)機(jī)的要求：①試驗(yàn)煙田土質(zhì)應(yīng)具有一定的代表性，有沙壤土、黏土、兩合土，煙田起埂長(zhǎng)度不小于100 m，煙埂尺寸滿足煙草農(nóng)藝的要求。②試驗(yàn)機(jī)具技術(shù)狀態(tài)良好，操作人員應(yīng)具有一定的操作技術(shù)基礎(chǔ)，并能按使用說明書的規(guī)定進(jìn)行調(diào)整使用和保養(yǎng)。試驗(yàn)過程中不得隨意停車和更換操作人員。③試驗(yàn)過程中不準(zhǔn)因換人而更換機(jī)具。

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了技術(shù)參數(shù)測(cè)定，測(cè)試播種率監(jiān)測(cè)軟件的模塊，每組都選用100粒煙苗包衣種子，對(duì)實(shí)際播種量分析得出播種監(jiān)測(cè)程序的精確度，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，該電容傳感器對(duì)播種裝置的檢測(cè)符合農(nóng)藝要求，合格率方面的檢測(cè)的平均值可以達(dá)到89%，漏播率小，減少重播的次數(shù)，因此該系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)一穴一種的效果，達(dá)到煙農(nóng)的要求。

5 小結(jié)

播種機(jī)精密播種是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的新方向，可以在不同農(nóng)田按需播種，提高農(nóng)作物的后期生長(zhǎng)情況。該系統(tǒng)通過在不同的農(nóng)田進(jìn)行試驗(yàn)分析和改進(jìn)，達(dá)到煙農(nóng)的預(yù)期目標(biāo)，符合農(nóng)藝要求，但有些方面還有待提高。如下面兩點(diǎn)：

1）光電傳感器的采集信號(hào)的實(shí)時(shí)性還有待于提高，單片機(jī)收集信號(hào)以及控制步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有待于提高，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮抗干擾技術(shù)和電磁兼容技術(shù)。

2）步進(jìn)電機(jī)的輸入電壓是30 V，播種機(jī)的電瓶電壓是12 V，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要進(jìn)一步改進(jìn)外部電路，充分實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張傳斌，張 燕.氣吸式煙草精量裝盤播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47（2）：152-157.

[2] 張傳斌，吳亞萍.煙草裝盤播種機(jī)用精量穴播排種器的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（10）：161-164.

[3] 陳紹斌.精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2007.

[4] 周曉艷，朱天貴.精密播種系統(tǒng)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，1995（4）： 48-50.

[5] 周利明，張小超.基于電容測(cè)量的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（11）：37-39.

[6] 陳 進(jìn)，李耀明，王希強(qiáng)，等.氣吸式排種器吸孔氣流場(chǎng)的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（9）：59-62.

[7] 王朝輝，馬 旭，賈瑞昌.工作參數(shù)對(duì)超級(jí)稻育秧播種部件吸種性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（8）：88-91.

[8] 何 堤，謝宇峰，陳立東.氣吸式排種器排種質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006，28（1）：175-176.