基于單片機(jī)與DGUS顯示的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

孟鵬祥，耿端陽(yáng)，李玉環(huán)，王家政，孟凡虎

(山東理工大學(xué) a.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院；b．理學(xué)院，山東 淄博 255049)

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基于單片機(jī)與DGUS顯示的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

孟鵬祥a，耿端陽(yáng)a，李玉環(huán)a，王家政b，孟凡虎a

(山東理工大學(xué) a.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院；b．理學(xué)院，山東 淄博 255049)

針對(duì)當(dāng)前玉米播種機(jī)作業(yè)過程存在工況失檢、警示不夠直接等問題，開發(fā)了基于單片機(jī)控制和DGUS屏顯示的智能檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由MSP430單片機(jī)、DGUS顯示器，以及種箱存量監(jiān)測(cè)模塊、播量監(jiān)控模塊、作業(yè)面積統(tǒng)計(jì)模塊等組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視種箱內(nèi)種子的余量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示播種量和播種面積，且具有出現(xiàn)漏播及時(shí)報(bào)警等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該智能檢測(cè)系統(tǒng)可以完成排種器播量與作業(yè)面積的在線統(tǒng)計(jì)及種箱種子余量的影像監(jiān)測(cè)，且隨著作業(yè)距離的增加，播種量與作業(yè)面積的監(jiān)測(cè)誤差趨于減少，滿足現(xiàn)有播種機(jī)作業(yè)的技術(shù)要求，基本能實(shí)現(xiàn)對(duì)漏播現(xiàn)象的穩(wěn)定可靠報(bào)警。

播種監(jiān)測(cè)；漏播報(bào)警；DGUS屏；單片機(jī)

0 引言

精密播種技術(shù)是由播種機(jī)將種子精確地播到土壤中預(yù)定位置的一種播種方式，即滿足“三精確”要求：播種量精確、株距精確及播深精確[1]。目前，玉米精密播種機(jī)主要分為氣力式和機(jī)械式兩大類。這兩種播種機(jī)都存在作業(yè)過程不透明性問題，即播種機(jī)機(jī)手不能直接通過視覺看到種子在種箱、排種器和輸種管中的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，若播種機(jī)出現(xiàn)漏播或種箱缺種時(shí)，機(jī)手很難馬上發(fā)現(xiàn)。為此，許多地區(qū)采用播種機(jī)作業(yè)過程由第三方跟隨或者乘坐在播種機(jī)上，這樣不僅帶來(lái)安全問題，而且增加了作業(yè)過程的人力成本。另外，從當(dāng)前我國(guó)精密播種機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)玉米播種機(jī)在機(jī)械本體上與國(guó)際水平差距不大，但在智能監(jiān)控方面還有很大的差距。國(guó)內(nèi)雖然也有部分學(xué)者開始加強(qiáng)對(duì)播種過程的智能化監(jiān)控技術(shù)研究，但大都存在一定不足：①太陽(yáng)光線干擾，導(dǎo)致該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能正常工作；②虛警過高；③功能集成度不高。所以，開發(fā)可靠性好、抗干擾性強(qiáng)的播種工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，就成為提高播種機(jī)智能化水平的關(guān)鍵[2-4]。本文所述的基于單片機(jī)與DGUS屏的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以彌補(bǔ)目前國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的諸多不足為目的，采用激光傳感器對(duì)播種工況進(jìn)行檢測(cè)，并以霍爾傳感器作為作業(yè)速度的檢測(cè)單元、以單片機(jī)為控制單元，對(duì)上述傳感器發(fā)送的信息進(jìn)行處理和分析，將結(jié)果發(fā)送到DGUS屏；DGUS屏將結(jié)果顯示出來(lái)，同時(shí)影像系統(tǒng)將通過攝像頭將影像發(fā)送給DGUS屏，方便駕駛員了解種箱內(nèi)的情況，提高工作效率。

1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 樣機(jī)單體結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為該系統(tǒng)所用玉米播種機(jī)單體結(jié)構(gòu)。該單體包括種箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走輪、排種器、輸種管、開溝器、鎮(zhèn)壓輪及機(jī)架等部分。播種作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)外接220V電源供電，帶動(dòng)播種單體進(jìn)行播種作業(yè)，排種器由鎮(zhèn)壓輪傳動(dòng)。其各部件安裝位置如下：控制系統(tǒng)和顯示屏安裝于機(jī)架上；便攜式攝像頭安裝于種箱內(nèi)；播種檢測(cè)探頭安裝于排種器下端；霍爾傳感器安裝在模擬輪上，用于檢測(cè)機(jī)器的前進(jìn)速度。另外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶有變速調(diào)速器，可以控制播種單體的作業(yè)速度。

1.種箱 2.機(jī)架 3.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4.模擬輪 5.開溝器 6. 排種器 7. 鎮(zhèn)壓輪 8.輸種管

圖2為該單體樣機(jī)實(shí)物圖。該播種單體由前端機(jī)架上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，排種器選用勺輪式排種器，排種器傳動(dòng)方式采用地輪驅(qū)動(dòng)。

圖2 播種單體實(shí)物圖

1.2 控制系統(tǒng)組成及原理

該控制系統(tǒng)以MSP430G2553單片機(jī)為主控制核心，主要完成播種量、播種面積、作業(yè)速度和漏播報(bào)警等信息的處理；以迪文DGUS顯示屏為數(shù)據(jù)輸出設(shè)備，可以顯示上述參數(shù)和便攜式攝像頭獲取的圖像信息。其中，播種量主要由激光傳感器進(jìn)行檢測(cè)，行車速度主要由霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，所測(cè)數(shù)據(jù)通過單片機(jī)分析處理后發(fā)送到DGUS顯示屏上。當(dāng)播種機(jī)在一定時(shí)間或者距離內(nèi)出現(xiàn)漏播現(xiàn)象時(shí)，DGUS顯示屏發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 播種機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 播量測(cè)量原理

激光傳感器是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快、精度高、量程大，以及抗光、電干擾能力強(qiáng)等[3]。該設(shè)計(jì)中選用的是由激光發(fā)光管和激光接收管制備的檢測(cè)探頭，其檢測(cè)播種量的原理如下：在播種機(jī)正常工作過程中，當(dāng)種子通過排種器安裝的激光傳感器時(shí)，激光傳感器發(fā)出紅光束受到種子的遮擋即發(fā)出電信號(hào)，接收管返回低電平；當(dāng)沒有種子經(jīng)過時(shí)，返回值為高電平。單片機(jī)經(jīng)過比較電平值的高低即可判斷是否有種子通過，然后通過單片機(jī)計(jì)數(shù)器原理將播種量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并發(fā)送到顯示屏上。

2.2 播種面積測(cè)量原理

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理且可以將磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成高低電平輸出的一種磁場(chǎng)傳感器。霍爾傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)觸點(diǎn)、可靠性高、響應(yīng)快及靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今人們使用非常普遍的一種測(cè)速傳感器[4]。其測(cè)速原理為：傳感器模塊前端的探頭不停地檢測(cè)拖拉機(jī)前輪上貼的磁鋼，每經(jīng)過一個(gè)磁鋼，探頭周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化，傳感器將磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化以脈沖信號(hào)的形式輸出到單片機(jī)中；前輪旋轉(zhuǎn)1圈，傳感器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)與前輪上所貼的磁鋼數(shù)目是相同的；單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)，依據(jù)所測(cè)脈沖個(gè)數(shù)和定時(shí)時(shí)間就可以得到前輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以推算出拖拉機(jī)速度，也就得到了播種機(jī)相對(duì)地面的前進(jìn)速度。

試驗(yàn)過程中，設(shè)定行距為h，排種器調(diào)整株距為l，利用模擬輪的轉(zhuǎn)速確定機(jī)組前進(jìn)速度，模擬輪圓周方向均布磁鐵數(shù)量為z，模擬輪圓周直徑d， 設(shè)定單片機(jī)讀取霍爾傳感器的時(shí)間間隔為1s，則機(jī)組前進(jìn)速度與單位時(shí)間內(nèi)所測(cè)的脈沖數(shù)的關(guān)系為

其中，V為機(jī)組的前進(jìn)速度(m/s)；d為模擬輪直徑(m)；t為定時(shí)器T1的設(shè)定時(shí)間(s)；m為傳感器接收的脈沖數(shù)。

播種面積與機(jī)組前進(jìn)速度的關(guān)系為

S=∑(V·t·l·h)

其中，S為播種面積(m2)；t為定時(shí)器T1的設(shè)定時(shí)間(s)；h為播種行距(m)；l為播種株距(m)。

2.3 漏播報(bào)警檢測(cè)原理

采用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)時(shí)報(bào)警，播種過程中，當(dāng)出現(xiàn)漏播現(xiàn)象且漏播距離為L(zhǎng)時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)開始報(bào)警，則

其中，T為定時(shí)器報(bào)警時(shí)間(s)；L為報(bào)警最小行車距離(m)；V為機(jī)組的前進(jìn)速度(m/s)。

該方法具有測(cè)量準(zhǔn)確性高、及時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 電源模塊設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，由于各個(gè)模塊的供電電壓是不同的，顯示屏和攝像頭供電電壓為12V，而MSP430單片機(jī)供電電壓為3.3V，所以要對(duì)電源電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這里采用12V蓄電池對(duì)系統(tǒng)供電，并通過變壓芯片LM2576s將電平轉(zhuǎn)換成5V電壓，再通過LM1117將電壓轉(zhuǎn)換成3.3V，以滿足MSP430對(duì)供電電壓的要求。其電路圖如圖4所示。

圖4 直流電源模塊電路圖

2.4.2 單片機(jī)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)模塊主要由單片機(jī)和外圍電路組成。單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的主核心芯片，對(duì)傳感器采集的信息具有處理分析的功能，因此單片機(jī)選擇MSP430G2553。該芯片是美國(guó)德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的一種高性能16位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器，芯片內(nèi)置16位定時(shí)器， 16kB閃存， RAM內(nèi)存為512B[5]。其外圍電路主要包括外部時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口仿真下載電路，電路圖如圖5所示。

2.4.3 影像監(jiān)視模塊設(shè)計(jì)

目前，采集圖像的方法有單片機(jī)直接采集，DMA方式采集和間接采集。在該監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中，由于攝像頭CMOS芯片的時(shí)鐘速度較高，需要高速M(fèi)CU才可以直接控制，而MSP430G2553單片機(jī)為16位單片機(jī)，IO端口速度不能夠滿足需要，因此采用間接采集并顯示的方法，即將CMOS輸出的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到顯示屏進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)不經(jīng)過MCU。在該控制系統(tǒng)中，攝像頭采用AV接口，供電電源為12V，并帶有4個(gè)發(fā)光LED燈，可以為攝像圖像提供光源，使圖像顯示更加清晰。其顯示屏界面如圖6所示。

圖5 單片機(jī)系統(tǒng)與外圍電路圖

圖6 顯示屏視頻界面

2.4.4 車速檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，作業(yè)速度測(cè)量模塊采用了霍爾傳感器，主要檢測(cè)安裝于模擬輪上的磁鐵量。其傳感器硬件電路連接如圖7所示。

圖7 傳感器接線電路圖

2.4.5 播量檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中采用了激光傳感器和霍爾傳感器這兩種傳感器，激光傳感器主要檢測(cè)是否有種子排出，霍爾傳感器主要檢測(cè)安裝于模擬輪上的磁鐵量。其傳感器硬件電路連接如圖8所示。

圖8 傳感器接線電路圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)采用code composer studio 軟件進(jìn)行編寫，主要完成的內(nèi)容包括檢測(cè)并記錄排種器排出的種子粒數(shù)；檢測(cè)霍爾傳感器，并計(jì)算播種速度；漏播現(xiàn)象檢測(cè)，并發(fā)出聲音報(bào)警；單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到DGUS顯示屏。其軟件流程圖如圖9所示。

T0為定時(shí)器A0，T1為定時(shí)器A1，y為播種量值，S為播種面積值，m為磁鐵脈沖數(shù)值，L為報(bào)警最小行車距離值，V為機(jī)組前進(jìn)速度值。

圖9 控制系統(tǒng)軟件流程圖

Fig.9 Flowchart of the control system software

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

目前，該研究已經(jīng)完成了玉米播種機(jī)單體和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作，并對(duì)該單體進(jìn)行了前期的室內(nèi)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其工作性能的可靠性，測(cè)試各種相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

4.1 實(shí)測(cè)播種量和播種面積的結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)播種量、作業(yè)面積參數(shù)顯示的可靠性和準(zhǔn)確性，且由于勺輪式排種器在轉(zhuǎn)速為25～55r/min時(shí)，排種性能較好[6]，故將驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速器將速度調(diào)整在5km/h。該試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為：通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速器將播種單體作業(yè)速度控制在5km/h，排種器株距設(shè)置20cm，播種行距60cm，驅(qū)動(dòng)播種單體分別前進(jìn)20、40、60、80、100m，記錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示屏上的數(shù)據(jù)并人工統(tǒng)計(jì)播種單體實(shí)際播種量和計(jì)算播種面積。重復(fù)此試驗(yàn)3次得到試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 播種量準(zhǔn)確度測(cè)試

表2 播種面積準(zhǔn)確度測(cè)試

續(xù)表2

試驗(yàn)結(jié)果表明：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)播種量和作業(yè)面積的測(cè)量，其試驗(yàn)結(jié)果中不同作業(yè)距離下的播種量誤差百分比和播種面積誤差百分比是有所不同的，這是由于試驗(yàn)過程中樣本量選取差異導(dǎo)致的。樣本量作為決定誤差大小的一個(gè)重要因素，其呈現(xiàn)的規(guī)律為：設(shè)定作業(yè)距離越大，誤差百分比越低；作業(yè)距離越小，誤差百分比越高。其中，播種量誤差出現(xiàn)的原因可能為排種器充種多于1個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)種子同時(shí)落下所致。播種面積誤差出現(xiàn)的原因可能為播種機(jī)作業(yè)過程中速度不穩(wěn)定及行走輪出現(xiàn)打滑現(xiàn)象導(dǎo)致。

4.2 報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：在排種器正常播種的情況下，進(jìn)行人為控制種箱缺種和輸種管堵塞，觀察顯示屏是否發(fā)出“漏播”的語(yǔ)音報(bào)警，此試驗(yàn)重復(fù)100次，結(jié)果如表3所示。

表3 報(bào)警準(zhǔn)確性測(cè)試

在排種器正常工作狀態(tài)下，顯示屏正常顯示作業(yè)參數(shù)，不發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警；當(dāng)出現(xiàn)人為控制種箱缺種100次和輸種管堵塞100次，顯示屏發(fā)出“漏播”報(bào)警。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警可靠性為100%，報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合要求。

5 結(jié)論

1)本文研制的基于單片機(jī)與DGUS屏的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置通過激光傳感器采集播種機(jī)播種信息，通過霍爾傳感器采集作業(yè)速度信息，經(jīng)過單片機(jī)分析和處理，將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到DGUS顯示屏上，能夠?qū)崟r(shí)顯示播種量和播種面積。

2)采用激光傳感器進(jìn)行播種量檢測(cè)，能夠抵抗外界光線干擾；采用影像技術(shù)和DGUS屏顯示，結(jié)果直觀；采用漏播報(bào)警系統(tǒng)，減少虛警現(xiàn)象。

3)功能集成化程度高，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)播種量、播種面積、故障及種箱等參數(shù)。

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Research on the Monitoring System of the Precision Seeder Based on Single Chip Microcomputer and Display DGUS

Meng Pengxianga, Geng Duanyanga, Li Yuhuana, Wang Jiazhengb, Meng Fanhua

(a.School of Agricultural and Food Engineering; b.School of Science, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

In order to realize the corn planter seeding process of sowing condition real-time monitoring and improve the seeding quality of corn planter, we developed the corn planter condition monitoring system based on Devon DGUS display and MCU technology. The system mainly consists of MSP430 MCU, DGUS display, storage and monitoring module, the monitoring module, the operation area, and so on. It can monitor the seed of seed in real-time monitoring, real-time monitoring and display of the amount of seeding and sowing area and the timely warning and other functions. Finally, the intelligent detection system can finish the image monitoring of the online statistics, the monitoring error of the sowing amount and the operating area.

seeding monitoring; leakage alarm； display DGUS; single chip microcomputer

2015-12-17

山東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014GNC112004)

孟鵬祥(1991-)，男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)mengpengxiang@163.com。

耿端陽(yáng)(1969-),男，陜西澄城人，教授， (E-mail) dygxt@sdut.edu.cn。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)02-0171-05