馬鈴薯播種機漏播檢測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

張育斌

摘 要：馬鈴薯作為我國四大農(nóng)作物之一，其種植面積和總產(chǎn)量均居世界第1位，而國內(nèi)外基于機械液壓設(shè)計的馬鈴薯播種機研究較多，但漏播情況較多，其漏播率高達(dá)7%。由此，本文研究一套基于STC89C52單片機的實時全局監(jiān)控馬鈴薯播種機漏播檢測預(yù)警系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)在人為模擬馬鈴薯播種機播種情況下，能夠自動識別漏播和缺種并進(jìn)行漏播率的計算，在連續(xù)漏播超標(biāo)情況下能自動報警，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)的推廣應(yīng)用可提高生產(chǎn)率和節(jié)約勞動力，推動馬鈴薯精密播種農(nóng)業(yè)的機電一體化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：精密播種機；漏播；預(yù)警系統(tǒng)；單片機

中圖分類號：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515016

隨著我國近年對精播機的先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)的引進(jìn)吸收以及對監(jiān)測系統(tǒng)研究投入不斷加大，在精密播種機監(jiān)測系統(tǒng)上的智能自動化研究己經(jīng)取得諸多成果，使播種機監(jiān)測系統(tǒng)朝著全自動化、高智能化和精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，從而實現(xiàn)高效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。

國內(nèi)學(xué)者李偉利用計算機視覺技術(shù)實現(xiàn)對精播種機的排種檢測，并提出以動態(tài)圖像亞拼接檢測的方法，解決直接通過種子粒間距而造成檢測播種精度低的難題[3]。熊瑛學(xué)者采用輸送帶上鋪砂原理設(shè)計研制了鋪砂型排種器試驗臺，利用砂層的緩沖作用防止種子著落時彈跳。并應(yīng)用機器視覺技術(shù)對排種圖像進(jìn)行了采集與處理，實現(xiàn)了自動的種子識別與粒距測量[4]。周利明針對播種機作業(yè)環(huán)境提出具有高抗塵性的電容檢測的新型測量方法，該方法克服光電法的抗塵土問題[5]。國內(nèi)近年在監(jiān)測系統(tǒng)方面發(fā)展己經(jīng)達(dá)到一定水平，但是在控制重播、漏播方面還未完善起來。今后的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計仍需繼續(xù)努力，不斷提高監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏度和精確度，進(jìn)一步提高播種機自動化、智能化水平。

通過以上研究現(xiàn)狀分析，主要是監(jiān)測播種過程的重播、漏播及故障報警等領(lǐng)域，且主要是針對芝麻、小麥、油菜籽、玉米等小粒種子的漏播監(jiān)控補償。本文選取馬鈴薯播種機進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)研究，解決馬鈴薯播種機的漏播預(yù)警問題，設(shè)計一套漏播預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)播種過程自動監(jiān)測及預(yù)警。

1 檢測預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)研制一套監(jiān)測馬鈴薯播種作業(yè)過程并能及時發(fā)現(xiàn)、排除各種故障、保證播種質(zhì)量的自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備的主要功能：監(jiān)視播種作業(yè)，發(fā)現(xiàn)在播種過程中種箱漏播等現(xiàn)象并及時發(fā)出預(yù)警[6-7]。

系統(tǒng)主要有這幾部分組成：電源模塊部分、主控模塊單元、信號輸入和輸出單元等組成。電源模塊主要為單片機、光電傳感器、顯示器、蜂鳴器等提供合適的電源；信號輸入單元主要完成排種信號、種勺到位情況信號以及種箱缺種信號的采集并將信號輸入到單片機內(nèi)部；主控單元主要完成采集數(shù)據(jù)的運算和處理，通過計算比較播種質(zhì)量各個指標(biāo)及時發(fā)出控制命令到執(zhí)行元件；信號輸出單元主要實時顯示播種質(zhì)量指標(biāo)，及漏播、重播等故障的及時報警提示等功能，見系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1。

2 檢測預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計

本預(yù)警系統(tǒng)硬件構(gòu)成，主要包括電源電路、傳感器設(shè)計及其電路、單片機及其外圍電路、LCD顯示電路、報警電路等。

2.1 單片機系統(tǒng)

單片機是本預(yù)警系統(tǒng)的核心部件，主要完成漏播率的統(tǒng)計、播種面積的計算、LCD的操作、鍵盤操作的掃描以及報警裝置的驅(qū)動。傳感器用來采集種勺到位、薯塊有無、種箱種薯量的信息；鍵盤根據(jù)作業(yè)機具不同，用來調(diào)整播種前參數(shù)（株距、幅寬等）；LCD用來顯示播種面積、漏播率等數(shù)值；當(dāng)漏播率超標(biāo)或者種箱缺種時，報警裝置工作提示工作人員停車查看或補充種薯，預(yù)警系統(tǒng)的硬件如圖2所示。

單片機控制模塊是整個預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分的核心，主要工作是完成信息采集、數(shù)據(jù)儲存與處理和控制信息輸出，單片機控制最小系統(tǒng)主要由單片機芯片、晶振電路、復(fù)位電路等組成，原理圖如圖3所示。

2.2 檢測電路設(shè)計

本文選用TCRT5000傳感器用于檢測種薯漏播和種勺到位，傳感器將檢測到的信息轉(zhuǎn)變成電信號通過傳輸通道傳輸給控制處理器，從而完成信息判斷。傳感器安裝在馬鈴薯播種機的排種管內(nèi)，利用紅外檢測的原理，當(dāng)種勺傳感器檢測到種勺到位時，種薯檢測傳感器檢測并判斷是否有種薯。有種薯時，紅外線被擋斷，傳感器發(fā)出高電平信號，表示當(dāng)前檢測位有種薯。當(dāng)馬鈴薯播種機的一行或者數(shù)行排種器發(fā)生連續(xù)漏播情況時，便立即聲光報警提示，因此傳感器的性能直接影響排種器的種薯檢測裝置的工作質(zhì)量水平，電路圖如4所示。

2.3 報警電路設(shè)計

馬鈴薯播種過程中，需要對出現(xiàn)的漏播、種箱缺種等狀況進(jìn)行報警提示，避免出現(xiàn)更多漏播狀況。馬鈴薯播種機出現(xiàn)漏播時，相對應(yīng)排種管的提示燈就會常亮或者不停閃爍，提示駕駛室操作人員，同時還進(jìn)行聲音報警提示。電路連接如圖5所示。

3 預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)

馬鈴薯精密播種機漏播監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在開機通電初始化后開始運行主程序。系統(tǒng)在主程序中調(diào)用各功能相應(yīng)子程序模塊，流程圖如圖6所示。

開機自檢完成對STC89C52單片機系統(tǒng)的初始化，使預(yù)警系統(tǒng)處于待機工作準(zhǔn)備。

調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序。馬鈴薯漏播監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)工作時，主程序通過對數(shù)據(jù)處理子程序的調(diào)用，完成對傳感器傳輸?shù)碾娖叫盘柕挠嬎闾幚?，并取得需要的播種參數(shù)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)先輸入的參數(shù)值進(jìn)行判斷，識別漏播等情況。

報警子程序調(diào)用。馬鈴薯播種機出現(xiàn)連續(xù)漏播等情況達(dá)到預(yù)警狀況，系統(tǒng)自動調(diào)用報警子程序進(jìn)行聲光報警提示。

顯示子程序調(diào)用。根據(jù)預(yù)先的功能菜單設(shè)置要求，該子程序包括各項播種數(shù)據(jù)顯示、漏播信息的顯示等，正常作業(yè)時顯示播種數(shù)據(jù)，漏播發(fā)生時顯示漏播信息。主要輸出參數(shù)有播種面積、漏播率、播完總價，其計算方式分別如下。

4 實驗與結(jié)論

當(dāng)幅寬、行株距、單價等參數(shù)調(diào)整設(shè)置好后，按下確認(rèn)鍵進(jìn)入播種監(jiān)測模式，開始統(tǒng)計一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，并計算播種面積、漏播率、價格。

通過仿真結(jié)果表明，馬鈴薯漏播預(yù)警系統(tǒng)軟件程序運行正常，各項功能都能實現(xiàn)。在手動設(shè)置缺種信號時，系統(tǒng)能夠檢測到種勺沒有種薯，并輸出顯示，連續(xù)漏播能正常聲光報警提示，播完結(jié)束可以顯示播種面積、播完總價、漏播率等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)工作性能符合檢測要求，可以廣泛用于農(nóng)業(yè)工程。

參考文獻(xiàn)

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