精密播種機終端及監(jiān)控系統(tǒng)設計

曹學自 李軍偉 王培金 高松

摘 ?要： 針對目前機械式播種機性能的不足，設計一款智能精密播種機及其監(jiān)控系統(tǒng)?；谕侠瓩C整機控制器和精密播種機終端以及監(jiān)控系統(tǒng)組成的CAN總線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)拖拉機整機運行信息和播種機播種信息的共享與交互。設計精密播種機終端的硬件電路并進行該系統(tǒng)控制算法的研究。設計開發(fā)的精密播種機的監(jiān)控系統(tǒng)，使得拖拉機整機運行信息以及播種機在進行播種作業(yè)時的各種信息得到及時顯示和監(jiān)控，提高播種機的工作效率以及整機智能化水平。

關鍵詞： 監(jiān)控系統(tǒng); 智能精密播種機; 信息顯示; 硬件設計; 終端設計; 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號： TN948.64?34; S223.2; TP277 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）20?0017?04

Design of intelligent precision seeder terminal and monitoring system

CAO Xuezi， LI Junwei， WANG Peijin， GAO Song

（School of Traffic & Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： In allusion to the performance?hungry problem existing in mechanical seeder， an intelligent precision seeder and its monitoring system are designed. The sharing and interaction of the whole tractor running information and the sowing information of the seeder are realized based on the CAN?bus communication network composed of the tractor complete machine controller， the precision seeder terminal and the monitoring system. The hardware circuit of the precision seeder terminal is designed and the control algorithm of the system is studied in this paper. The design and development of the precision seeder monitoring system can make the running information of the whole tractor and all kinds of information in the seeding operation process of the seeder displayed and monitored in time， which improves the working efficiency and the intelligence level of the seeder.

Keywords： monitoring system; intelligent precision seeder; ?information display; hardware design; terminal design; data processing

0 ?引 ?言

我國作為傳統(tǒng)的人口大國和農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的發(fā)展是我國糧食安全的根本保證，農(nóng)業(yè)機械化水平的提高對農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用[1]。由于機械制造水平以及電子科技發(fā)展水平的限制，導致我國在農(nóng)業(yè)智能化技術方面起步較晚，落后于發(fā)達國家[2]。傳統(tǒng)的拖拉機過于依靠人力，并且操作復雜，不僅使駕駛員勞動負擔加大，而且效率也很低。隨著科技水平的發(fā)展以及人民生活水平的提高，智能拖拉機越來越成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流，這也就促使了智能播種機的產(chǎn)生。

智能播種機在播種作業(yè)時系統(tǒng)工作是全封閉的，人們無法觀測具體的作業(yè)狀況，所以就需要將播種機的實時作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)信息采集并顯示出來，供駕駛員了解并掌握播種時的關鍵信息以便及時進行操控。

本文開發(fā)的智能播種機及其監(jiān)控系統(tǒng)的特點是：播種機在工作過程中，工作狀態(tài)依靠駕駛室內(nèi)終端顯示屏顯示，該顯示屏顯示的數(shù)據(jù)來源于與播種機控制器連接的傳感器和整機控制器（VCU）。播種機的傳感器主要提供播種機在播種過程中自身的狀態(tài)信息，整機控制器主要提供拖拉機整機運行時的狀態(tài)信息。

1 ?播種機監(jiān)控系統(tǒng)組成

播種機監(jiān)控系統(tǒng)主要由播種機終端控制器、顯示屏控制終端以及附加傳感器組成。播種終端需要的供電電壓為5 V，所以需要對12 V電源電壓進行降壓處理，得到5 V穩(wěn)壓電源。該播種機監(jiān)控系統(tǒng)主要通過顯示屏對播種面積、行駛速度、播種量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、PTO接合狀態(tài)、電瓶電壓、行駛方向以及漏播漏肥報警等信息進行顯示處理。播種機的信息來源不僅來源于與自身連接的傳感器，還通過CAN總線接收VCU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過CAN總線將得到的數(shù)據(jù)發(fā)往顯示屏。具體播種機的監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 ?監(jiān)控系統(tǒng)組成結構

2 ?播種機終端硬件設計

2.1 ?播種機終端硬件結構

智能播種機終端核心為MC9S12XEP100單片機，單片機與周圍硬件電路配合，能夠讓該系統(tǒng)與外部進行實時信息交互，提高該監(jiān)控系統(tǒng)工作效率。播種機終端硬件框圖如圖2所示。

圖2 ?播種機終端硬件框圖

播種機對播種量及施肥狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集來源于傳感器，本文設計時選用激光傳感器作為檢測的傳感器，傳感器與單片機通過處理電路連接，可以根據(jù)采集到的波形對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，并將處理的結果通過報警和燈光指示裝置電路反饋到報警裝置和燈光指示裝置。播種機需要的其他數(shù)據(jù)，如車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等來源于VCU，播種機通過CAN總線與VCU通信來得到車輛在播種作業(yè)時的實時信息。電源電路用于單片機的供電，保證系統(tǒng)正常運行，中斷與定時系統(tǒng)用于對傳感器信號的處理。最后，播種機將處理后的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)往顯示屏。

2.2 ?播種機終端硬件電路設計

2.2.1 ?電源電路

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，單片機需要的供電電壓為5 V，蓄電池電源提供12 V電壓，所以需要一個電壓轉(zhuǎn)換電路將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓給單片機供電。圖3為電源電路圖。電路左端為起始端，端口處連接一個整流二極管D9，可以阻擋電流中混雜的交流電。SM8S33AHE為瞬態(tài)抑制二極管D2，簡稱TVS，它是一種二極管形式的高效能保護器件，可以吸收二極管兩極間的瞬態(tài)高能量，將兩極電壓箝穩(wěn)定在一個安全值，可以保護電路中的精密元器件[3]。電感L1和電容C9并聯(lián)成LC濾波電路，其作用是隔離負載與電源的噪聲。TPS5430是電壓轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電壓由R11和R12決定，本文將R11設計為10 kΩ，R12設計為3.24 kΩ，可以將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓輸出。

圖3 ?電源電路圖

2.2.2 ?CAN總線接口電路

圖4為CAN總線接口電路，包括CAN總線收發(fā)器（TLE6250G）以及CAN共模抑制器（ZJYS81）。在CAN_H和CAN_L與地之間并聯(lián)了一個47 pF的電容C64，可以過濾掉CAN總線上的高頻干擾信號，同時在CAN_H和CAN_L與地之間加了一個雙向瞬態(tài)抑制二極管D42，可以抑制總線上的瞬變電壓[4]。R63和R59構成CAN總線的終端電阻。

圖4 ?CAN總線通信硬件接口電路

2.2.3 ?播種和施肥檢測傳感器與單片機接口電路

本文在設計時，采用激光傳感器對播種與施肥進行檢測，電路圖如圖5所示。傳感器工作時，單片機通過in端輸出高電平信號，三極管導通，激光發(fā)射管D2發(fā)出光束;激光接收管D6收到激光發(fā)射管發(fā)出的激光后，三極管Q5導通，工作指示燈D5點亮，單片機通過out端采集到傳感器發(fā)出的電平信號，當正常施肥或者播種時，種子或者肥料會阻擋激光發(fā)射管發(fā)出的光束并使單片機接收的電平信號產(chǎn)生變化[5]。

圖5 ?傳感器與單片機接口電路

3 ?數(shù)據(jù)計算與處理

3.1 ?播種機播種量計算

本設計中，播種機的播種量由激光傳感器測量。激光傳感器能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，具有速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等特點[6]。播種機在播種時，種子通過激光傳感器會遮擋激光發(fā)射管發(fā)出的光束，激光傳感器向單片機輸出高電平。如果沒有種子經(jīng)過，那么傳感器輸出端向單片機輸出低電平。單片機接收到傳感器輸出的電平值，如果接收到高電平，就會觸發(fā)定時器輸入捕捉中斷，在中斷中設置一個變量，每次進入中斷就會使變量的值累加，變量的值就是播種量，然后單片機再將播種量發(fā)送到顯示屏上顯示[7?8]。

3.2 ?播種機漏播及肥料堵塞報警處理

播種機在正常播種過程中，播種與施肥是同步的，并且都由激光傳感器檢測是否出現(xiàn)播種故障。當正常播種時，播種機采集的傳感器的波形為規(guī)律的方波。單片機捕捉到方波上升沿觸發(fā)中斷時，通過CAN總線發(fā)出數(shù)據(jù)報文，點亮播種及施肥指示燈，當單片機捕捉到方波下降沿時，讓播種和施肥指示燈熄滅，并且計時器對高電平時間進行計時。理論上指示燈光處于閃爍狀態(tài)，實際上由于波形變化頻率過快，使得燈光閃爍過快，人眼察覺不到燈光的閃爍，所以給人以指示燈常亮狀態(tài)的現(xiàn)象。

當發(fā)生漏播或者肥料堵塞時，播種機在一段時間捕捉不到上升沿，使得單片機捕捉到的波形一直處于低電平狀態(tài)，同時，顯示屏操作界面收到播種機終端傳輸過來的報文數(shù)據(jù)讓播種指示燈和施肥指示燈熄滅，然后單片機定時器對傳感器信號處于低電平的時間進行計時，如果這段時間內(nèi)播種機行駛距離大于1.5倍的株距，播種機就會觸發(fā)報警功能，讓蜂鳴器報警[9?10]。報警檢測的判定關系式為：

式中：v為播種機行駛速度（單位：km/h）;t為播種機漏播或者肥料堵塞時單片機定時器定時時間（單位：s）;h為當前播種作業(yè)狀態(tài)下播種機設置的株距（單位：cm）。

3.3 ?播種面積計算

播種機在播種作業(yè)時，播種機的幅寬是固定的，所以播種機的播種面積與車速和播種時間有關，即播種面積為：

式中：s為播種面積（單位：m2）;v為播種機行駛速度（單位：km/h）;t為播種機工作時間（單位：s）;l為播種機幅寬（單位：m）。

4 ?監(jiān)控終端設計

本文設計的操作面板集多種功能于一體，配有電源（ON/OFF）、暫停以及鍵盤和其他操作按鈕。電源按鈕可以控制面板的開關，并且重復按下可以對開關狀態(tài)進行切換。播種機在拐彎或者掉頭時可以按下暫停按鈕讓操作面板暫停工作。面板綠色區(qū)域可以對播種機正常作業(yè)過程中有關株距、行距、播種量、播種面積等信息進行顯示。操作面板M鍵可以彈出菜單，利用方向鍵以及數(shù)字鍵進行各種參數(shù)設置，例如報警預定值、播種株距和播種行距等，DEL為刪除和退出鍵。

該面板左側(cè)設有發(fā)動機轉(zhuǎn)速顯示儀表、車輛行駛里程和行駛速度的指示窗口。播種機在進行播種作業(yè)時，播種機終端可以提取VCU發(fā)送過來的報文數(shù)據(jù)，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輛里程和車速進行顯示。此外，還可以通過“前進”指示燈和 “后退”指示燈以及“PTO”指示燈指示播種機的行駛方向以及PTO的接合狀態(tài)。界面上的“播種”指示燈和“施肥”指示燈用來顯示播種機播種和施肥時的工作狀態(tài)。該操作面板還有“報警”提示功能，當發(fā)生種子漏播以及肥料堵塞時，操作面板的“播種”指示燈以及“施肥”指示燈會熄滅，同時右上角的蜂鳴器進行報警，報警音量可以通過M鍵彈出菜單進行設定。

圖6為終端顯示屏界面在運行時顯示的播種機作業(yè)時的狀態(tài)信息。

首先按下ON/OFF按鈕啟動操作界面，同時“電源”指示燈亮。播種機工作時，播種機終端將VCU發(fā)送過來的報文數(shù)據(jù)以及從傳感器接收的播種和施肥的信息通過CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)給顯示屏操作界面給予顯示。由報文數(shù)據(jù)可以得到此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 235 r/min，車輛行駛里程為824 547.13 m，行駛車速為21.5 km/h，并根據(jù)面積計算公式得到播種機在工作100 s時的播種面積為7 746.19 m2，播種量為3 021粒，同時點亮“播種”和“施肥”指示燈。播種機在工作狀態(tài)下，PTO接合，并且車輛向前行駛，顯示屏點亮“PTO”指示燈和“前進”指示燈。播種機的行距與株距通過M按鈕彈出設置界面進行設置，在播種過程中為一個定值。按下暫停按鈕后，顯示屏操作界面暫停工作，維持當前界面的顯示狀態(tài)并且“暫?！敝甘緹袅?。

圖6 ?操作面板運行驗證示意圖

由運行結果可以看到，本文設計的人機界面能夠配合CAN網(wǎng)絡將需要的數(shù)據(jù)完美顯示，使得駕駛員能夠及時掌握播種機的實時信息，本文對整個監(jiān)控系統(tǒng)的設計符合設計要求。

5 ?結 ?語

本文設計的智能精密播種機終端及監(jiān)控系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)機械式播種機的不足，使得播種機作業(yè)時的信息能夠及時捕捉并進行監(jiān)控。播種機在進行播種作業(yè)時的實時信息通過構建的拖拉機整機控制器、播種機終端以及監(jiān)控系統(tǒng)間的CAN總線通信網(wǎng)絡進行傳輸。以CAN總線為基礎的數(shù)據(jù)信息傳輸模式更加具有實時性，抗干擾能力更強，保證了播種機在進行播種作業(yè)時信息的實時性與有效性。播種機終端以及監(jiān)控系統(tǒng)中各個模塊電路相互配合，再加上以CAN總線為基礎的數(shù)據(jù)信息傳輸模式使得整個播種機監(jiān)控系統(tǒng)效率更高，功能更加全面，駕駛員能夠全面掌握播種機的實時信息，讓人機交互更加完善，彌補了傳統(tǒng)機械式播種機性能的局限。

注：本文通訊作者為李軍偉。

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