基于單片機的漏播檢測系統(tǒng)的集成電路研究

張 良，楊文彩，仲廣遠(yuǎn)，杜一帆，譙 睿，郎沖沖，闞成龍

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，昆明 650201)

0 引言

三七(PanaxNotoginseng)為傘形目五加科人參屬植物，別名田七、人參三七、金不換及盤龍七等。三七具有較高的藥用價值，近年來國內(nèi)外市場對三七的需求量逐年增大[1]。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營、專業(yè)化生產(chǎn)、機械化和自動化程度的不斷提高，工廠化育苗已成為先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)之一?；跇?biāo)準(zhǔn)化槽式育苗模式，課題組開發(fā)了三七槽式育苗精密播種機，目前已開發(fā)至三代播種樣機—2BQ-28型三七精密播種機(下面簡稱三七精密播種機)，整體播種效果良好，但在種子漏播檢測方面仍然存在不足。

三七精密播種機在播種環(huán)節(jié)中的漏播現(xiàn)象，造成育苗基質(zhì)中種子數(shù)量不足、種苗產(chǎn)量下降，現(xiàn)急需一套配套三七精密播種機的漏播檢測系統(tǒng)。漏播現(xiàn)象廣泛存在于農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)的播種環(huán)節(jié)，國外對播種質(zhì)量監(jiān)測的研究比較早。1986年，HaaseW.C.開發(fā)了名為Pioneerl的監(jiān)控系統(tǒng)，同時使用了排種傳感器和速度傳感器,可以對播種面積、播種工況、機器速度、各行播種量和粒距進(jìn)行監(jiān)測并進(jìn)行LCD顯示[2]。2000年，Miyazaki 大學(xué)的Nagata等研制了一款數(shù)字壓力傳感器，并且在大白菜、芥菜、菠菜種子的播種上實測了漏播檢測效果[3]。2016年，Umarkar等研究了基于Android應(yīng)用程序的智能農(nóng)業(yè)機器人，該機器人通過WiFi接口使用超聲波傳感器和數(shù)字指南針傳感器對種子播種和挖掘進(jìn)行自動的操作[4]。除此之外，蘇聯(lián)[5]等國家多名學(xué)者也有這方面的研究。近年來，關(guān)于漏播傳感監(jiān)測系統(tǒng)的研究也非常多。2010-2016年，丁幼春、廖慶喜、王雪玲等針對油菜精密播種機的田間漏播檢測方法進(jìn)行了研究，提出了以FS-11V光纖傳感器和霍爾轉(zhuǎn)矩傳感器為傳感檢測裝置的油菜小粒徑種子的漏播檢測方法，開發(fā)了一套油菜籽漏播螺管式補種器[6-9]。2017年，林宏等使用了基于Android和4G通信的技術(shù)并運用到漏播圖像采集與傳輸系統(tǒng)上[10]。除此之外，張石平等[11]、丁時峰等[12]、李雷霞等[13]、部占軍等[14]、張順[15]等都有相關(guān)方面的研究?，F(xiàn)在國內(nèi)外研究的漏播檢測系統(tǒng)，都不能適應(yīng)大棚作業(yè)下的三七精密播種機。為實現(xiàn)開溝、播種、覆土一體化作業(yè)，提高播種質(zhì)量與效率，有必要研發(fā)配套三七精密播種機的漏播檢測系統(tǒng)，來適應(yīng)三七精密播種機的大棚作業(yè)。

目前，三七精密播種機對種子漏播檢測機制尚不明確，缺乏相關(guān)研究。為此，本文設(shè)計一種基于單片機系統(tǒng)的集成漏播檢測系統(tǒng)，主要包括信號采集模塊、信號處理模塊、串口通信模塊、按鍵控制模塊及數(shù)據(jù)顯示模塊。工作時通過圓形設(shè)計紅外發(fā)射接收管360°檢測，傳感器信號通過LM393比較電路芯片輸送給新型STC12C4052單片機，經(jīng)過MAX3232串口通信，實現(xiàn)了對三七精密播種機的漏播檢測。

1 工作原理與方法

1.1 漏播檢測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

為了實現(xiàn)漏播檢測測系統(tǒng)的主要功能，使得系統(tǒng)更加完善以統(tǒng)籌全局，制定了技術(shù)路線圖，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 The technical route figure

總體方案的設(shè)計需要考慮以下幾個關(guān)鍵技術(shù)：①測試分析漏播檢測系統(tǒng)是否能對不同傳感探頭進(jìn)行信號識別，是否能完成對多個傳感探頭的半雙工主從模式的信號采集，是否能對指定的傳感探頭進(jìn)行編碼識別; ②是否能通過濾波電路除去雜波對單片機的干擾；③是否能基于STC12C4052系列單片機開發(fā)平臺，將漏播檢測電路集成到PCB板，實現(xiàn)漏播檢測系統(tǒng)安裝一體化。

根據(jù)以上分析，漏播檢測系統(tǒng)的硬件組成框圖，如圖2所示。

圖2 漏播檢測系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.2 Loss sowing detection system hardware block diagram

漏播監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖，如圖3所示。

圖3 漏播檢測系統(tǒng)主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart of the loss sowing detection system

系統(tǒng)開始后，按鍵輸入，在矩陣鍵盤上輸入預(yù)設(shè)播種數(shù)量。系統(tǒng)開始啟動，傳感器檢測播種數(shù)量，信號通過比較電路反饋給單片機，判斷是否有固定頻率信號，在OLED顯示屏上顯示播種數(shù)、漏播數(shù)及漏播率作為人機交互界面，實現(xiàn)對漏播情況的檢測。

1.2 漏播檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 傳感器選型

1.2.1.1 傳感器檢測原理

本設(shè)計采用紅外傳感器。由于窩眼滾筒播種機行進(jìn)速度與排種頻率具有一致性，因此以機器正常工作時速度范圍為依據(jù)，計算出機器的排種頻率范圍；以播種合格率95%為標(biāo)準(zhǔn)，計算出堵種窩眼數(shù)量的上限。將上述計算值預(yù)設(shè)到漏播檢測系統(tǒng)中，在導(dǎo)種管上合適位置安裝傳感器，監(jiān)測播種機實際的排種情況。

1.2.1.2 漏播參數(shù)的計算

播種質(zhì)量的衡量主要通過以下幾個指標(biāo)：播種效率、播種合格率、行距合格率、株距合格率、種子破碎率、漏播率及漏播檢測精度等。漏播檢測系統(tǒng)的衡量指標(biāo)主要是漏播率的檢測，要求到達(dá)95%的漏播檢測精度。

1)窩眼堵種上限的確定。堵塞的窩眼數(shù)量上限用S表示，播種機導(dǎo)種管數(shù)量為28，窩眼滾筒單行1周的窩眼數(shù)量為24，漏播率不超過5%。

S≤28×24×(1-95%)=33.6

因此，播種機堵塞的窩眼數(shù)量不能超過33個，否則播種合格率一定達(dá)不到要求。對于傳感器的檢測來說，監(jiān)測窩眼滾筒旋轉(zhuǎn)1周所出現(xiàn)的信號斷點的數(shù)量，即為窩眼滾筒的堵種數(shù)量。

2)播種頻率范圍的確定。播種頻率用f表示，播種機窩眼滾筒線速度為S。由于播種機的行進(jìn)速度與窩眼滾筒轉(zhuǎn)動線速度具有一致性，根據(jù)效率最大化原則和精確農(nóng)業(yè)中適速播種原則，機器的前進(jìn)速度范圍為5～10m/min，種子行間距A為5cm，則f=S/A=1.67～3.33Hz。根據(jù)計算出的頻率范圍，可以對傳感器的選型提供依據(jù)。

1.2.1.3 傳感器分布方式

為了能全面檢測下落種子，本次設(shè)計選用的3對紅外傳感器對稱分布在內(nèi)徑為40mm孔的電路板上，紅外發(fā)射接收管的直徑為5mm，保證播種頻率在1.67～3.33Hz之間完全檢測。

1.2.2 漏播檢測模塊電路設(shè)計

1.2.2.1 串口通信電路設(shè)計

由于本設(shè)計采用傳感器直接與單片機通信，不同于同型機與機之間的通信，要對傳感器信號進(jìn)行信號調(diào)理識別處理。為了同時采集多個傳感器的信號并識別，本文采用RS-232通訊協(xié)議中MAX3232通訊芯片。該芯片能將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平，能實現(xiàn)單片機與多個傳感器之間串口通訊。Max3232通信電路如圖4所示。

圖4 MAX3232通信電路Fig.4 MAX3232 communication circuit

1.2.2.2 紅外檢測電路設(shè)計

紅外檢測電路由紅外發(fā)射接收電路和電壓比較電路組成，如圖5所示。其中，每對紅外發(fā)射接收電路都是由1個紅外發(fā)射管和1個紅外接受管后接1個LM393雙電壓比較器集成電路。當(dāng)種子落下時，紅外發(fā)射管和接受管兩端的電壓變化通過LM393雙電壓比較器集成電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給單片機。

圖5 紅外檢測電路Fig.5 Infrared detection circuit

1.2.2.3 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)核心采用STC12C4052 單片機，為STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機。單片機系統(tǒng)電路包括按鍵電路、濾波、顯示電路及MAX3232串口電路等 ，傳感器信號通過比較電路輸出信號接單片機的 p3.2、p3.3、p3.7I/O口，程序通過串口通訊的方式傳輸給單片機。通過矩陣按鍵電路設(shè)定播種次數(shù)，按鍵啟動傳感器工作根據(jù)計算的播種頻率檢測漏播情況，并在OLED顯示屏上顯示播種數(shù)目、漏播個數(shù)及漏播率等。電路系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 單片機控制系統(tǒng)圖Fig.6 SCM control system diagram

1.2.2.4 漏播檢測系統(tǒng)集成

本次設(shè)計將漏播檢測系統(tǒng)集成在一塊8cm×8cm的PCB板上，極大地節(jié)約了空間。集成PCB板的特點：①體積小、質(zhì)量輕；②可靠性高，壽命長，安裝方便；③頻率特性好，速度快。配套2BQ-28三七精密播種機的圓形導(dǎo)種管，PCB板中心有1個直徑4cm的圓形孔對下落的三七種子進(jìn)行檢測。通過系統(tǒng)優(yōu)化的方法對PCB板的線路進(jìn)行如圖7所示的布局。主要元器件如表1所示。

圖7 漏播檢測系統(tǒng)PCB集成電路Fig.7 Loss sowing detection system PCB integrated circuits

表1 PCB板主要元件Table 1 PCB board main components

續(xù)表1

1.2.3 漏播檢測系統(tǒng)的安裝

漏播檢測系統(tǒng)的安裝位置如圖8所示。

1.機架 2.種子箱隔板 3.種子箱4.滾筒 5.檢測集成系統(tǒng) 6.導(dǎo)種管圖8 漏播檢測系統(tǒng)的安裝位置Fig.8 Location of the loss sowing detection system

2 實驗結(jié)果與分析

實驗室漏播檢測測試采用普通的三七種子，采用人工投種方式進(jìn)行檢測試驗,排種每穴為 1粒，每次試驗投種300粒 ,重復(fù) 3 次,取平均值；人工記錄播種數(shù)據(jù)，并與系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比，實驗結(jié)果如表2所示。其中，實際播種量為播種機充種不充分引起的。由表2可知,該檢測系統(tǒng)單粒監(jiān)測精度達(dá)到95.7%。

表2 漏播檢測實驗Table 2 Loss sowing detection test

3 結(jié)論

針對2BQ-28型三七精密播種機的漏播情況設(shè)計了一套便于安裝的漏播檢測集成系統(tǒng)。系統(tǒng)針對紅外二極管的指向特性，設(shè)計了信號轉(zhuǎn)換電路和濾波電路加強對信號采集的穩(wěn)定性，提高了漏播檢測精度。運用Altium Designer軟件設(shè)計出系統(tǒng)電路圖，并通過Keil和Proteus仿真軟件對程序設(shè)計和電路設(shè)計進(jìn)行驗證，提高了檢測電路的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。傳感器布局采用圓形結(jié)構(gòu)的設(shè)計，且將設(shè)計的檢測電路集成在傳感器布局的PCB板上，實現(xiàn)了檢測與安裝的一體化，既不影響對種子的檢測，同時也方便檢測系統(tǒng)的安裝。實驗結(jié)果表明：本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)95%以上的檢測精度，有應(yīng)用推廣價值。