YZPB—200B裝盤播種機精密播種檢測系統設計

高云　宋東方

摘要：為了提高精密播種的質量，以C8051F系列單片機為主要核心部分，利用光電傳感器檢測播種機的行徑速度，并將速度傳送給單片機，單片機通過計算和分析來調節步進電機的轉速，確保種子剛好落入種穴中。結果表明，YZPB-200B裝盤播種機的空穴率低于2.4%，每穴1粒率達到89%，符合煙草種植的農藝要求，所以該設計對滿足播種機播種裝置的一穴一種的要求。

關鍵詞：播種機；單片機；光電傳感器；步進電機

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1551-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.048

目前，中國煙草種植多采用包衣種子進行育苗，包衣種子的精密播種直接影響煙苗的后期生長，播種機的播種質量是評定播種機性能的主要標準。播種機在進行作業時采用全封閉形式，無法直觀地觀察播種情況，容易造成漏播和多播的情況。目前中國多使用氣吸式播種機，此播種機精度高，但結構復雜，容易堵塞氣孔。針對這一問題，本研究設計了YZPB-200B裝盤播種機，該播種機的播種裝置由步進電機驅動，傳感器監測播種機的前進速度，單片機系統通過采集傳感器的數據進行分析而控制步進電機的速度，再通過步進電機控制播種機的播種裝置進行播種，實現精密播種的過程，保證每個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，確保煙苗的發芽率。

1 系統總體設計思路

本研究設計系統由2個單片機、光電測速傳感器、步進電機、報警裝置、實時時鐘組成（圖1）。主單片機是根據對傳感器的測量結果來控制步進電機的速度；從單片機主要是顯示數據、報警和實時時鐘。2個單片機之間通過RS485通信線進行連接。單片機通過對播種機前進速度和步進電機的轉速進行實時監測，如果出現漏種和多種現象就會發出報警信號，并通過LCD顯示裝置顯示漏種率。

2 步進電機

步進電機是將電脈沖信號變換為直線和角位移的執行部件，必須通過步進電機驅動器連到直流電源上。該播種機使用芯片L297/L298構成步進驅動器，芯片L297可以產生四相驅動信號，構成四線電機的高速度模式。步進電機驅動器的核心部分是譯碼器，譯碼器主要進行模式控制、方向控制和步進式時鐘，芯片L298接受TTL邏輯電平信號以及驅動負載。步進電機驅動器原理如圖2所示，芯片L297是步進電機控制器，主要用于四相步進電機驅動，該芯片可以通過達林頓管驅動容量更大的步進電機，內部只需要方向信號與模式信號，減弱了單片機程序設計的復雜性。芯片L298主要是用來對步進電機的集成電路進行驅動，使用全橋方式進行驅動，由于該驅動方式是雙極性的，全部使用步進電機的內部定子繞組線圈，這樣可以發揮步進電機的最大優勢。

3 系統硬件設計

3.1 單片機系統設計

該系統選擇C8051F系列的單片機，可以兼容指令集，在數據采集等方面要優于8位單片機，C8051F系列的單片機由于自帶USB的處理器，可以直接對USB進行設計。主單片機原理如圖3所示。該系列單片機推出CIP-51的CPU運行模式，在很大程度上提高了指令的運行速度，將8位單片機推入一個高速時代。該系統中主單片機主要是完成傳感器和步進電機之間的數據傳輸，采集光電傳感器的測量數據，通過單片機分析計算來控制步進電機控制播種機的速度，分析并計算出播種機的工作情況，最后把結果送入從單片機中。

3.2 傳感器系統設計

該系統播種機的行徑速度使用光電轉速傳感器，主要組成部分是信號處理電路、光電元件以及光電碼盤。光電轉速傳感器的工作原理是當光通過發光二極管照射到光敏三極管上時，光敏三極管中有光電流產生，光敏三極管導通，這時會生產一個脈沖信號，表示光電碼盤每轉過一個角度就會產生相應的脈沖數。車速決定脈沖頻率，如果此時車速是50 km/h，儀表驅動軸轉速時600 r/min，那么光電碼盤每轉一圈輸出20個脈沖。光電傳感器測量精度高，結構相對簡單，在實際應用中經常應用在非接觸式測速場合。

3.3 顯示電路設計

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、抗干擾性能好等優點，廣泛應用于各類智能控制系統中和各類電子產品中。LCD液晶顯示模塊由三部分組成，分別是液晶顯示器、驅動器以及控制器，需要根據播種機對系統的要求，顯示漏播率、播種量等數據，其硬件電路如圖4所示。

3.4 電源電路設計

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

3.5 外部時鐘電路設計

外部時鐘硬件電路如圖6所示，芯片DS1302不僅可以對電路提供時鐘信號，還可以將數據儲存于隨機存儲器中，在自動控制系統中應用廣泛。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隨機存儲器數據和時鐘數據。

3.6 報警電路設計

報警電路時用聲光報警電路，硬件電路如圖7所示。聲光報警電路具有結構簡單、成本較低、安裝方便等特點。

4 試驗數據分析

播種機的煙種選擇包衣種子，種子個數為100個，平均直徑為2 mm。試驗地塊的選擇及試驗機的要求：①試驗煙田土質應具有一定的代表性，有沙壤土、黏土、兩合土，煙田起埂長度不小于100 m，煙埂尺寸滿足煙草農藝的要求。②試驗機具技術狀態良好，操作人員應具有一定的操作技術基礎，并能按使用說明書的規定進行調整使用和保養。試驗過程中不得隨意停車和更換操作人員。③試驗過程中不準因換人而更換機具。

對樣機進行了技術參數測定，測試播種率監測軟件的模塊，每組都選用100粒煙苗包衣種子，對實際播種量分析得出播種監測程序的精確度，試驗結果如表1所示。由表1可以看出，該電容傳感器對播種裝置的檢測符合農藝要求，合格率方面的檢測的平均值可以達到89%，漏播率小，減少重播的次數，因此該系統能夠比較準確實現一穴一種的效果，達到煙農的要求。

5 小結

播種機精密播種是現在農業技術領域的新方向，可以在不同農田按需播種，提高農作物的后期生長情況。該系統通過在不同的農田進行試驗分析和改進，達到煙農的預期目標，符合農藝要求，但有些方面還有待提高。如下面兩點：

1）光電傳感器的采集信號的實時性還有待于提高，單片機收集信號以及控制步進電機數據的準確性有待于提高，在電路設計中應考慮抗干擾技術和電磁兼容技術。

2）步進電機的輸入電壓是30 V，播種機的電瓶電壓是12 V，所以在設計電路時需要進一步改進外部電路，充分實現農機的自動化控制。

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