基于單片機(jī)的小麥播種機(jī)防擁堵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

趙 娜， 張銀平， 刁培松， 杜瑞成， 刁懷龍

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博 255049)

通信作者：刁懷龍，碩士，講師，主要從事農(nóng)機(jī)裝備、工業(yè)設(shè)計(jì)等科研工作。E-mail：sdddl@sina.com。

保護(hù)性耕作被稱為世界農(nóng)業(yè)的一次革命，是農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)推廣的農(nóng)業(yè)新技術(shù)[1]。免耕、少耕盡量減少土地耕作是保護(hù)性耕作的核心，其提倡將作物秸稈粉碎后直接進(jìn)行耕作，以達(dá)到增加土壤肥力、蘊(yùn)含水源、抵制風(fēng)沙侵害的作用。與此同時(shí)，也可以減少播種中不必要的工序，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)增加農(nóng)民的收入。

目前，免耕播種機(jī)被廣泛用于保護(hù)性耕作，因此，免耕播種機(jī)在殘茬覆蓋地作業(yè)的性能是否可行，已經(jīng)成為影響免耕播種作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素之一[2]。我國華北等地的播種模式多為一年兩茬，在秸稈殘茬多的地區(qū)種植小麥出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象是不可避免的，因此，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)及清理擁堵才能有效提高小麥播種機(jī)的播種質(zhì)量[3]。國內(nèi)使用的玉米精密播種機(jī)絕大多數(shù)是機(jī)械式播種機(jī)，由于播種過程是后續(xù)跟進(jìn)封閉作業(yè)，因此機(jī)手無法直觀地觀測(cè)到播種機(jī)的作業(yè)情況[4]。因此，本研究設(shè)計(jì)一種有效檢測(cè)小麥擁堵的系統(tǒng)，通過聲光警報(bào)提醒操作員，以免出現(xiàn)大面積的漏播現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)的主要功能及原理

在小麥播種機(jī)的排種器內(nèi)安裝5組紅外傳感器，由上及下排布，在小麥播種機(jī)的正常作業(yè)中，種子通過安裝在排種器兩側(cè)的紅外傳感器阻斷紅外傳感器的光速，從而產(chǎn)生一個(gè)低電壓信號(hào)，如果沒有阻斷則返回值為高壓信號(hào)，單片機(jī)通過分析返回的幾組高壓、低壓信號(hào)即可得到是否有種子通過?？拷_溝器的兩組紅外傳感器可以作為誤差校驗(yàn)組，防止塵土干擾產(chǎn)生的誤報(bào)現(xiàn)象。

系統(tǒng)選用紅外二極管作為紅外發(fā)射接收元件，參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-6]進(jìn)行綜合分析，受光元件選用可靠性高的光敏二極管。同時(shí)，考慮到播種機(jī)在作業(yè)過程中塵土對(duì)紅外傳感器的影響，選用電壓放大器對(duì)電壓進(jìn)行放大，可以有效提高防塵性能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的基石，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、分析、傳輸、顯示及警報(bào)功能。在設(shè)計(jì)中，采用AT89C52單片機(jī)為中央處理芯片，該芯片兼容CIP-51微控制器內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速運(yùn)行，其自帶8個(gè)8位I/O口，可以減少外部擴(kuò)展，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗干擾性。采用迪文顯示屏實(shí)現(xiàn)對(duì)聲光報(bào)警的顯示功能，其采用M600內(nèi)核，接口方式為RS232，與單片機(jī)連接簡單，可以提高信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目垢蓴_性。

2.1 光電二極管電路的設(shè)計(jì)

紅外傳感器采集的信號(hào)必須經(jīng)過放大、濾波、整形處理才能被單片機(jī)分析及應(yīng)用。本研究的系統(tǒng)中應(yīng)用LM339電壓比較器集成電路、紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成對(duì)射式光電耦合感器系統(tǒng)。LM339電壓比較器具有支持單、雙電源工作，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)勢(shì)，其內(nèi)部裝有4個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，使輸出端的電位更靈活[7]。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)所用傳感器電路可以明顯提高抗塵性能。傳感器系統(tǒng)發(fā)射接收端電路如圖1所示。

本研究的系統(tǒng)可以通過三極管的導(dǎo)通來判斷是否有種子下落。當(dāng)種子正常通過光電二極管光速時(shí)，阻斷光束，三極管截止，輸出端輸出低高壓信號(hào)，經(jīng)過LM339電壓比較器，返回低電壓，通過濾波整形，變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，由主控單片機(jī)進(jìn)行分析及應(yīng)用。

2.2 無線電路

本研究的系統(tǒng)采用nRF24L01芯片組成無線收發(fā)模塊，其系統(tǒng)由2塊芯片組成，一塊芯片用來發(fā)送信號(hào)，另一塊芯片用來監(jiān)聽及接收信號(hào)。nRF24L01芯片可以自動(dòng)重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包和產(chǎn)生應(yīng)答型號(hào)，重發(fā)時(shí)間及重發(fā)次數(shù)可以通過軟件編程進(jìn)行控制，在收到有效數(shù)據(jù)后，模塊可以自動(dòng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，無須通過載波檢測(cè)另行變成，其內(nèi)部的SPI接口可以直接連接單片機(jī)的I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，避免由于距離遠(yuǎn)造成信號(hào)丟失的現(xiàn)象發(fā)生[8]。無線模塊原理如圖2所示。

2.3 警報(bào)及顯示模塊

當(dāng)出現(xiàn)擁堵時(shí)，警報(bào)裝置啟動(dòng)，蜂鳴器開啟，考慮到播種環(huán)境吵雜，容易使操作員忽略，因此，添加燈光及顯示警報(bào)，方便操作員及時(shí)排除故障。其系統(tǒng)原理如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本研究系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括程序自檢、初始化模塊，無線傳輸模塊，防擁堵顯示及警報(bào)模塊等部分組成。

系統(tǒng)每次啟動(dòng)時(shí)都會(huì)進(jìn)入自檢、初始化模塊，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)及有效性，自檢完成后，系統(tǒng)的單片機(jī)I/O口、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行初始化設(shè)置，無線收發(fā)芯片完成配置，紅外傳感器模塊打開[10]。當(dāng)小麥播種機(jī)發(fā)生擁堵時(shí)，進(jìn)入警報(bào)模塊，實(shí)現(xiàn)聲光警報(bào)。主程序流程如圖4所示。

4 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，在山東理工大學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

4.1 防擁堵檢測(cè)

在小麥播種機(jī)的每個(gè)播種通道上都安裝上該裝置，人為地增加試驗(yàn)基地的秸稈覆蓋數(shù)量，使其產(chǎn)生擁堵，在試驗(yàn)過程中保證每次試驗(yàn)小麥播種機(jī)播種的面積相同，通過記錄聲光警報(bào)的次數(shù)和實(shí)際出現(xiàn)擁堵的次數(shù)，得到系統(tǒng)的誤差率。由表1可知，小麥播種機(jī)正常作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)的防擁堵準(zhǔn)確率達(dá) 97.7%，可見利用紅外傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥播種機(jī)防擁堵的檢測(cè)。

4.2 不同作業(yè)速度下的防擁堵測(cè)試

考慮到小麥播種機(jī)的性能可能會(huì)因作業(yè)速度不同而產(chǎn)生變化，為了更好地測(cè)試本研究系統(tǒng)的可靠性，選取不同的作業(yè)速度(3、5、7、9、11 km/h)對(duì)其進(jìn)行防擁堵試驗(yàn)。由表2可知，即使改變作業(yè)速度，系統(tǒng)的可靠性能并未受到影響，誤差率均可控制在2.5%以內(nèi)。

5 結(jié)論

本研究開發(fā)一種可以精確檢測(cè)小麥播種機(jī)作業(yè)過程中出現(xiàn)的擁堵問題的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過AT89C52單片機(jī)、無線傳輸芯片和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸及分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低，具有一定的通用性。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可靠性高，系統(tǒng)的防擁堵準(zhǔn)確率達(dá)97.7%；同時(shí)，不同作業(yè)速度下的誤差率均可控制在允許的范圍內(nèi)，表明該系統(tǒng)適用于不同型號(hào)的小麥播種機(jī)。

表1 系統(tǒng)的防擁堵誤差分析結(jié)果

表2 不同作業(yè)速度下的誤差分析

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