基于STM32微處理器的播種機工況故障采集系統設計

李卓然

(羅定職業技術學院 電子信息系，廣東 羅定 527200)

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基于STM32微處理器的播種機工況故障采集系統設計

李卓然

(羅定職業技術學院 電子信息系，廣東 羅定 527200)

隨著我國信息化水平的不斷提高，機械自動化、計算機控制系統和測試計量行業的不斷發展，使得智能控制被廣泛的應用到農業生產、工業生產和高等研究等各個領域。為此，基于STM32微處理器設計和研發了播種機工況故障采集系統。系統以STM32微處理器為核心，硬件部分主要包括信息采集、人機交互、智能控制、報警、自動補償和電機驅動等模塊，主要作用是完成對傳感器節點的數據采集、分析、處理和控制功能；軟件部分主要包括速度信息、播種量信息、漏播判斷、開溝器堵塞和種箱空檢測4個子程序。試驗結果表明：所選用的TAP-40LS40N1-D3傳感器能夠精準檢測到種子流、種箱排空、輸種管堵塞等信號；在一定干擾環境下，系統漏播報警的準確率均在97%以上，實現了播種機工況故障精確采集功能，且該系統穩定性高，錯誤率低，具有十分寬廣的應用前景。

STM32；播種機；工況故障采集；傳感器

0 引言

“十二五”期間，隨著工業化、城鎮化發展步伐的加快，給農業發展帶來較大的需求空間。近年來，我國經濟實力不斷增強，國家對農村農業的投入支持力度將不斷加大，20世紀以后，機械、電子等科學技術進步及其應用越來越廣泛，為農業發展提供了強大的技術支撐。播種是糧食種植生產的關鍵，播種的好壞直接關系到種子在田間的合理分布，而播種機的應用能夠節省播種時間、提高工作效率、實現作物穩產高產。本文基于STM32微處理器設計和研發了播種機工況故障采集系統，以STM32微處理器為核心，集成信息采集、人機交互、智能控制、報警、自動補償和電機驅動等多個模塊，可以實現對種子流、種箱排空、輸種管堵塞的檢測和判斷。

1 播種機系統功能與原理

播種機一般從穴粒數合格率、播種均勻度、粒距合格率、播深穩定性及種子破損率等幾方面考慮評價其播種的性能。根據以上指標，確定播種機工況故障采集系統的設計功能有以下幾點：

1)排種故障實時監測。通過傳感器對播種機漏播、堵塞進行實時判斷與檢測，當作業中發生故障時，系統就會判斷出故障形式及故障所在位置，并采取相應的措施。

2)播種參數實時監測。通過傳感器對株距、合格數、漏播數、作業面積、作業效率及前行速度等幾方面進行實時判斷與檢測。

3)速度采集。主要采集播種機在作業時的行進速度。

4)智能報警裝置。機器在作用中發生故障時，通過蜂鳴器進行報警，智能報警還能夠根據故障類型確定發生的具體位置并在人機交互界面進行實時顯示。

5)電機驅動。通過控制系統產生脈沖對排種器直流電機進行驅動，保證播種均勻度和播深穩定性。

6)漏播補償。當檢測到漏播時，再次對該穴位進行播種操作，避免后續農民自己補種。

1.1 排種故障監測

式中，δ為彌散圓的直徑，設f為透鏡的焦距，L為對焦距離，F為鏡頭拍攝的光圈數F=f/D,D是投影鏡頭光瞳的直徑.

播種機工況故障采集系統工作原理是利用傳感器實時檢測機器各部件運行狀態，發現故障，且能夠根據傳感器節點準確判斷故障位置。該系統在使用過程中，當發現播種實際的株距小于0.5Xr時，則自動判斷機器發生重播故障，并顯示該故障代碼并報警提示；當發現播種實際的株距大于0.5Xr時，則自動判斷機器發生漏播故障，并顯示相應故障代碼并報警提示；當開溝器處的傳感器長時間傳送信號給處理器，則表示播種通道發生堵塞。在裝載種子的箱子處也設有一傳感器，如果種子已經播種完，則會產生種箱為空的信號，此時為種箱空故障。系統對漏播和重播的判別主要是結合機器前行速度和正常株距設定值及漏播和重播實際落種的時間差綜合計算的。播種機工況故障采集系統的檢測原理如圖1所示。

圖1 播種機工況故障采集系統檢測原理圖

播種機在工作中，外槽輪隨著排種驅動軸旋轉，玉米種子在重力作用下被槽輪帶著旋轉，然后進入播種管道，種子在下落中經過種箱，堵塞兩個檢測傳感器。在正常情況下，種子會按照一定的時間間隔依次經過種子檢測傳感器，傳感器會產生一個脈沖信號，該信號轉化為TTL信號發送至處理器進行累加計算。系統根據漏播時間差設定漏播判定值，當定時時間到，若定時器沒有被初始化，處理器會產生一個溢出中斷，則判定播種系統發生漏播操作；當連續3次出現漏播現象時，發出報警，提醒工作人員注意。

種子在重力作用下，掉入開溝器時，堵塞檢測傳感器也會產生脈沖信號。當有堵塞發生時，則一直產生脈沖信號，信號轉化為TTL信號發送至處理器進行累加計算，同時調用堵塞中斷服務程序，發出報警，提醒工作人員注意。

當種箱中種子數量不足時，種箱檢測傳感器會產生一中斷信號，系統主程序會暫時中斷，去執行空箱服務中斷程序，并進行報警，提醒工作人員注意。

該播種機工況故障采集系統每一行都安裝了種流和堵塞兩種檢測傳感器，當發生播種故障時，系統會自動識別故障類型并判斷出故障點，且將故障信息以報警和屏幕顯示的方式提供給工作人員，以方便工作人員快速準確地解決故障，提高播種工作效率。

1.2 人機交互界面

圖2 工況故障采集系統的人機交互界面

操作界面主要有開關、電機、測速3個功能按鈕，負責系統的開關機、電機啟動和行進速度測量。“開關”是整個采集檢測的電源開關；“電機”是對電機進行啟動或者停止操作的按鈕；“測速”則是控制播種機測速傳感器的開關。在人機交互界面有個4×4的鍵盤，數字“0～9”主要用于數據的輸入；“L”“R”“U和“D”則用來控制顯示屏光標的上下左右移動；“del”用來進行刪除或者退格操作；“M”用來進入主菜單以及其他特定的功能。液晶顯示屏上主要是指示播種作業中的機器和工作狀態，主要包括株距、合格數、漏播數、作業面積和行進速度。當機器出現漏播、堵塞、空種問題時，系統屏幕就是出現相對應的故障標識符和位置。

2 播種機工況故障采集系統硬件設計

2.1 系統的硬件總體方案

播種機工況故障采集系統硬件平臺是整個系統重要部分之一，該系統硬件模塊主要包括：信息采集、人機交互、STM 32智能控制及電機驅動等模塊，這些模塊的主要作用是完成傳感器節點的數據采集、分析、處理和控制等功能。工況故障采集系統硬件框架圖如圖3所示。

圖3 工況故障采集系統硬件框架圖

信息采集中的傳感器主要有種箱、種子、堵塞和轉速等4種檢測傳感器，功能是采集機器工作狀態和轉速狀況信息，并經過STM 32核心處理器對信號進行運算處理；4×4矩陣鍵盤主要用于菜單選擇、數據參數信息的輸入；STM 32控制系統是播種機工況故障采集系統的核心，主要對采集到的信號進行進一步處理，并根據計算結果輸出相應工作指令給各執行器；電機驅動模塊根據系統指令驅動電機帶動主排種軸轉動，完成播種操作，并在漏播發生時帶動補播軸轉動，實現補種操作；報警模塊采用蜂鳴器的形式提醒工人員采取措施；顯示模塊主要是顯示機器工作狀態和故障信息。

2.2 信息采集模塊

播種機的工作環境復雜而多變，如果僅僅是靠駕駛員來觀察播種狀況，往往費時又費力，所以應該給播種機裝上具有“自我”識別能力的系統，能夠對播種信息進行實時采集監測。工況故障采集系統的重要部分是信息采集模塊，而信息采集的模塊的核心在于各類傳感器，另外就是信號采集的處理與優化電路。

本文研發和設計的工況故障采集系統與2BH-3播種機播種行相符合，共有3個播種行；每個播種行都裝配種子箱，并安裝空種、種子流、補種和堵塞傳感器。系統中共有整個系統12個傳感器，型號為TAP-40LS40N1-D3。傳感器信號采集處理電路圖4所示。

TAP-40LS40N1-D3傳感器輸出電壓信號經過轉化后發送給STM32微處理器進行處理，單片機可以接收的電壓信號。空種和堵塞兩種檢測傳感器電壓信號74LS21芯片相接，經與門處理后再輸送至STM32中斷引腳0，堵塞電壓信號接至STM32中斷引腳1，種子流檢測傳感器電壓信號接至計數器74LS590進行計數。

3 播種機工況故障采集系統軟件設計

3.1 系統軟件設計總體結構

播種機工況故障采集系統軟件設計主要有包括機器行進速度處理，漏播、堵塞、種箱空識別，控制程序驅動顯示模塊進行顯示與報警，計算播種作業面積和識別鍵盤模塊輸入的信息等。工況故障采集系統軟件功能結構框如圖5所示。

圖4 傳感器信號采集處理電路

圖5 工況故障采集系統軟件功能結構框圖

STM32微處理器資源分配主要有：T0用來計算速度脈沖數；T1用于做10ms基準時間發生器；INT0為種子箱空的外部中斷；INT1設定判斷堵塞定時器。

3.2 信息采集程序設計

信號采集系統部分的軟件設計主要包括速度信息、播種量信息、漏播判斷、開溝器堵塞和種箱空檢測等4個方面的子程序。

1)速度信息采集子程序。本系統利用脈沖對機器行駛速度進行計算，設定1s為時間間隔，車輪轉1圈共產生16個脈沖。速度采集以播種排種輪的轉速為依據，然后在進行行駛速度及播種面積的計算，具體計算公式為

(1)

其中，C為脈沖數；N1為被測目標轉動1周產生的脈沖數；D為被測目標直徑。速度信息采集子程序流程如圖6所示。

圖6 速度信息采集子程序流程圖

2)漏播判斷子程序。漏播判斷子程序以種子流檢測傳感器采集信息為數據來源，當在規定周期時間未采集到種子流數據信號時，則自動判定為漏播故障。漏播判斷子程序流程如圖7所示。

圖7 漏播判斷子程序流程圖

3)種箱空判斷子程序。當種箱空時，種箱上的位置傳感器會向主程序發出INT0中斷申請，主程序響應中斷后，種箱空標志位被置位，其程序流程如圖8所示。

圖8 種箱空判斷子程序流程圖

4 試驗與結果

為了驗證播種機工況故障采集系統的可行性和有效性，本文對該系統進行實際應用試驗，以驗證系統漏播報警的準確率及其穩定性。在試驗中，設定作業速度為6km/h左右，玉米種植株距為300mm，播種機安裝排種器為10孔輪式排種器，種床帶的速度為1.5m/s，每組試驗落種500粒。試驗因素水平如表1所示。實驗結果如圖9所示。

表1 試驗因素水平表

圖9 系統正確判斷實驗結果

試驗因素水平測試表明：在一定干擾環境下，系統漏播報警的準確率均在97%以上，基本達到預期目標，實現了播種機工況故障采集功能；且該系統穩定性高，錯誤率低，可以有效節省播種環節時間，降低生產成本，具有十分寬廣的實際應用前景。

5 結論

1)基于STM32微處理器設計和研發了播種機工況故障采集系統，系統以STM32微處理器為核心，硬件部分主要包括信息采集、人機交互、STM 32智能控制以及電機驅動等模塊，主要作用是完成傳感器節點的數據采集、分析、處理和控制功能；軟件部分主要包括速度信息、播種量信息、漏播判斷、開溝器堵塞和種箱空檢測4個子程序。

2)試驗結果表明：所選用的TAP-40LS40N1-D3傳感器能夠精準檢測到種子流、種箱排空、輸種管堵塞等信號；在一定干擾環境下，系統漏播報警的準確率均在97%以上，實現了播種機工況故障采集功能，且該系統穩定性高、錯誤率低，具有十分寬廣的應用前景。

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The Design of Seeder's Malfunction Collection System Based on STM32 Microprocessor

Li Zhuoran

(Department of Electronic Information， Luoding Polytechnic College, Luoding 527200,China)

Along with the constant improvement regarding the level of information in China as well as the continuous development of Mechanic automation,computer controlling system and measurement industry. The intelligence control has been applied extensively in agricultural production,industrial manufacturing, advanced study and the like.Consequently,the seeder's malfunction collection and processing system is designed and created on the basis of STM 32 microprocessor.With the STM32 serving as the fundamental part, the system's hardware primarily include information collection, interaction between users and machine, intelligence control, alarming, auto-compensation,motor drive and so forth, which perform functions such as collecting, analyzing, processing and controlling the data of sensor node.The software of the system chiefly incorporate four subroutines known as speed status,seeding rate, judgement of miss-seeding, the detection of opener's blocking and vacant seed case.The results of experiment indicate that the selected TAP-40LS40N1-D3 is able to detect the seed flow,vacant seed case as well as the blocking of seed tubes.The accuracy rate of miss-seeding alarm reaches more than 97% under certain interference environment, which achieves the precise malfunction collection of the seeder.Furthermore, the system possesses high stability with low error rate, which means a wide application prospect for it.

STM32; seeder; working condition of fault collection; sensor

2016-06-30

國家級大學生創新工程項目(2015-2017)

李卓然(1989-)，男，哈爾濱人，助教，碩士，(E-mail)714465653@qq.com。

S223.2;S24

A

1003-188X(2017)05-0215-06