基于單片機的小麥播種機防擁堵系統的設計與研究

趙 娜， 張銀平， 刁培松， 杜瑞成， 刁懷龍

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博 255049)

通信作者：刁懷龍，碩士，講師，主要從事農機裝備、工業設計等科研工作。E-mail：sdddl@sina.com。

保護性耕作被稱為世界農業的一次革命，是農業部重點推廣的農業新技術[1]。免耕、少耕盡量減少土地耕作是保護性耕作的核心，其提倡將作物秸稈粉碎后直接進行耕作，以達到增加土壤肥力、蘊含水源、抵制風沙侵害的作用。與此同時，也可以減少播種中不必要的工序，降低勞動強度的同時增加農民的收入。

目前，免耕播種機被廣泛用于保護性耕作，因此，免耕播種機在殘茬覆蓋地作業的性能是否可行，已經成為影響免耕播種作業質量和生產效率的關鍵因素之一[2]。我國華北等地的播種模式多為一年兩茬，在秸稈殘茬多的地區種植小麥出現擁堵現象是不可避免的，因此，必須及時發現及清理擁堵才能有效提高小麥播種機的播種質量[3]。國內使用的玉米精密播種機絕大多數是機械式播種機，由于播種過程是后續跟進封閉作業，因此機手無法直觀地觀測到播種機的作業情況[4]。因此，本研究設計一種有效檢測小麥擁堵的系統，通過聲光警報提醒操作員，以免出現大面積的漏播現象。

1 系統的主要功能及原理

在小麥播種機的排種器內安裝5組紅外傳感器，由上及下排布，在小麥播種機的正常作業中，種子通過安裝在排種器兩側的紅外傳感器阻斷紅外傳感器的光速，從而產生一個低電壓信號，如果沒有阻斷則返回值為高壓信號，單片機通過分析返回的幾組高壓、低壓信號即可得到是否有種子通過。靠近開溝器的兩組紅外傳感器可以作為誤差校驗組，防止塵土干擾產生的誤報現象。

系統選用紅外二極管作為紅外發射接收元件，參考相關文獻[5-6]進行綜合分析，受光元件選用可靠性高的光敏二極管。同時，考慮到播種機在作業過程中塵土對紅外傳感器的影響，選用電壓放大器對電壓進行放大，可以有效提高防塵性能。

2 系統硬件設計

系統的硬件是整個檢測系統的基石，主要實現對信號的采集、分析、傳輸、顯示及警報功能。在設計中，采用AT89C52單片機為中央處理芯片，該芯片兼容CIP-51微控制器內核，可以實現數據的高速運行，其自帶8個8位I/O口，可以減少外部擴展，提高系統的穩定性及抗干擾性。采用迪文顯示屏實現對聲光報警的顯示功能，其采用M600內核，接口方式為RS232，與單片機連接簡單，可以提高信號遠距離傳輸的抗干擾性。

2.1 光電二極管電路的設計

紅外傳感器采集的信號必須經過放大、濾波、整形處理才能被單片機分析及應用。本研究的系統中應用LM339電壓比較器集成電路、紅外發光二極管和光敏三極管組成對射式光電耦合感器系統。LM339電壓比較器具有支持單、雙電源工作，工作電源電壓范圍寬等優勢，其內部裝有4個獨立的電壓比較器，使輸出端的電位更靈活[7]。試驗結果表明，本系統所用傳感器電路可以明顯提高抗塵性能。傳感器系統發射接收端電路如圖1所示。

本研究的系統可以通過三極管的導通來判斷是否有種子下落。當種子正常通過光電二極管光速時，阻斷光束，三極管截止，輸出端輸出低高壓信號，經過LM339電壓比較器，返回低電壓，通過濾波整形，變為標準的方波信號，由主控單片機進行分析及應用。

2.2 無線電路

本研究的系統采用nRF24L01芯片組成無線收發模塊，其系統由2塊芯片組成，一塊芯片用來發送信號，另一塊芯片用來監聽及接收信號。nRF24L01芯片可以自動重發丟失的數據包和產生應答型號，重發時間及重發次數可以通過軟件編程進行控制，在收到有效數據后，模塊可以自動發送應答信號，無須通過載波檢測另行變成，其內部的SPI接口可以直接連接單片機的I/O口進行數據的傳輸，避免由于距離遠造成信號丟失的現象發生[8]。無線模塊原理如圖2所示。

2.3 警報及顯示模塊

當出現擁堵時，警報裝置啟動，蜂鳴器開啟，考慮到播種環境吵雜，容易使操作員忽略，因此，添加燈光及顯示警報，方便操作員及時排除故障。其系統原理如圖3所示。

3 軟件設計

本研究系統的軟件采用模塊化設計，主要包括程序自檢、初始化模塊，無線傳輸模塊，防擁堵顯示及警報模塊等部分組成。

系統每次啟動時都會進入自檢、初始化模塊，保證數據的及時及有效性，自檢完成后，系統的單片機I/O口、定時器、計數器等進行初始化設置，無線收發芯片完成配置，紅外傳感器模塊打開[10]。當小麥播種機發生擁堵時，進入警報模塊，實現聲光警報。主程序流程如圖4所示。

4 結果與分析

為驗證系統的可靠性及穩定性，在山東理工大學性能實驗室進行模擬試驗。

4.1 防擁堵檢測

在小麥播種機的每個播種通道上都安裝上該裝置，人為地增加試驗基地的秸稈覆蓋數量，使其產生擁堵，在試驗過程中保證每次試驗小麥播種機播種的面積相同，通過記錄聲光警報的次數和實際出現擁堵的次數，得到系統的誤差率。由表1可知，小麥播種機正常作業時，系統的防擁堵準確率達 97.7%，可見利用紅外傳感器可以實現對小麥播種機防擁堵的檢測。

4.2 不同作業速度下的防擁堵測試

考慮到小麥播種機的性能可能會因作業速度不同而產生變化，為了更好地測試本研究系統的可靠性，選取不同的作業速度(3、5、7、9、11 km/h)對其進行防擁堵試驗。由表2可知，即使改變作業速度，系統的可靠性能并未受到影響，誤差率均可控制在2.5%以內。

5 結論

本研究開發一種可以精確檢測小麥播種機作業過程中出現的擁堵問題的系統，該系統通過AT89C52單片機、無線傳輸芯片和紅外傳感器實現信息的采集、傳輸及分析，系統結構簡單、制作成本低，具有一定的通用性。模擬試驗結果表明，該裝置可靠性高，系統的防擁堵準確率達97.7%；同時，不同作業速度下的誤差率均可控制在允許的范圍內，表明該系統適用于不同型號的小麥播種機。

表1 系統的防擁堵誤差分析結果

表2 不同作業速度下的誤差分析

參考文獻：

[1]宋 鵬，張俊雄，李 偉，等. 精密播種機工作性能實時監測系統[J]. 農業機械學報，2011，42(2)：71-74，79.

[2]王公堂，楊善迎. PIC16F873單片機在精密播種機上的應用[J]. 農機化研究，2007(3)：150-153.

[3]宋金虎，趙立燕，吳明清. 農業機械智能作業面積測量系統的研究設計[J]. 農業機械，2009(11)：92-94.

[4]楊景芝，付麗娟，李 平. 基于光電傳感器的精密播種機排種監測報警系統[J]. 現代電子技術，2007，30(7)：140-142.

[5]黃東巖，朱龍圖，賈洪雷，等. 基于GPS和GPRS的遠程玉米排種質量監測系統[J]. 農業工程學報，2016，32(6)：162-168.

[6]劉立晶，劉忠軍，李長榮，等. 玉米精密排種器性能對比試驗[J]. 農機化研究，2011，33(4)：155-157，194.

[7]趙 斌，匡麗紅，張 偉，等. 精播機施肥量實時測量系統試驗研究[J]. 廣東農業科學，2010，37(8)：226-228.

[8]Li S J，Zhu Y P. Application and demonstration of digital maize planting and management system[C]// Computer and Computing Technologies in Agriculture IV -，Ifip Tc 12 Conference，Ccta 2010. Nanchang：DBLP，2017：261-266.