馬鈴薯播種機漏播檢測預警系統設計

張育斌

摘 要：馬鈴薯作為我國四大農作物之一，其種植面積和總產量均居世界第1位，而國內外基于機械液壓設計的馬鈴薯播種機研究較多，但漏播情況較多，其漏播率高達7%。由此，本文研究一套基于STC89C52單片機的實時全局監控馬鈴薯播種機漏播檢測預警系統。通過對系統進行測試，結果表明：系統在人為模擬馬鈴薯播種機播種情況下，能夠自動識別漏播和缺種并進行漏播率的計算，在連續漏播超標情況下能自動報警，系統運行穩定可靠，系統的推廣應用可提高生產率和節約勞動力，推動馬鈴薯精密播種農業的機電一體化發展。

關鍵詞：精密播種機；漏播；預警系統；單片機

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515016

隨著我國近年對精播機的先進監測技術的引進吸收以及對監測系統研究投入不斷加大，在精密播種機監測系統上的智能自動化研究己經取得諸多成果，使播種機監測系統朝著全自動化、高智能化和精準化的方向發展，從而實現高效率的農業生產[1-2]。

國內學者李偉利用計算機視覺技術實現對精播種機的排種檢測，并提出以動態圖像亞拼接檢測的方法，解決直接通過種子粒間距而造成檢測播種精度低的難題[3]。熊瑛學者采用輸送帶上鋪砂原理設計研制了鋪砂型排種器試驗臺，利用砂層的緩沖作用防止種子著落時彈跳。并應用機器視覺技術對排種圖像進行了采集與處理，實現了自動的種子識別與粒距測量[4]。周利明針對播種機作業環境提出具有高抗塵性的電容檢測的新型測量方法，該方法克服光電法的抗塵土問題[5]。國內近年在監測系統方面發展己經達到一定水平，但是在控制重播、漏播方面還未完善起來。今后的監控系統設計仍需繼續努力，不斷提高監控系統的靈敏度和精確度，進一步提高播種機自動化、智能化水平。

通過以上研究現狀分析，主要是監測播種過程的重播、漏播及故障報警等領域，且主要是針對芝麻、小麥、油菜籽、玉米等小粒種子的漏播監控補償。本文選取馬鈴薯播種機進行監控系統相關研究，解決馬鈴薯播種機的漏播預警問題，設計一套漏播預警系統實現播種過程自動監測及預警。

1 檢測預警系統方案設計

本系統研制一套監測馬鈴薯播種作業過程并能及時發現、排除各種故障、保證播種質量的自動監測系統。該系統具備的主要功能：監視播種作業，發現在播種過程中種箱漏播等現象并及時發出預警[6-7]。

系統主要有這幾部分組成：電源模塊部分、主控模塊單元、信號輸入和輸出單元等組成。電源模塊主要為單片機、光電傳感器、顯示器、蜂鳴器等提供合適的電源；信號輸入單元主要完成排種信號、種勺到位情況信號以及種箱缺種信號的采集并將信號輸入到單片機內部；主控單元主要完成采集數據的運算和處理，通過計算比較播種質量各個指標及時發出控制命令到執行元件；信號輸出單元主要實時顯示播種質量指標，及漏播、重播等故障的及時報警提示等功能，見系統設計方案如圖1。

2 檢測預警系統硬件設計

本預警系統硬件構成，主要包括電源電路、傳感器設計及其電路、單片機及其外圍電路、LCD顯示電路、報警電路等。

2.1 單片機系統

單片機是本預警系統的核心部件，主要完成漏播率的統計、播種面積的計算、LCD的操作、鍵盤操作的掃描以及報警裝置的驅動。傳感器用來采集種勺到位、薯塊有無、種箱種薯量的信息；鍵盤根據作業機具不同，用來調整播種前參數（株距、幅寬等）；LCD用來顯示播種面積、漏播率等數值；當漏播率超標或者種箱缺種時，報警裝置工作提示工作人員停車查看或補充種薯，預警系統的硬件如圖2所示。

單片機控制模塊是整個預警監測系統硬件部分的核心，主要工作是完成信息采集、數據儲存與處理和控制信息輸出，單片機控制最小系統主要由單片機芯片、晶振電路、復位電路等組成，原理圖如圖3所示。

2.2 檢測電路設計

本文選用TCRT5000傳感器用于檢測種薯漏播和種勺到位，傳感器將檢測到的信息轉變成電信號通過傳輸通道傳輸給控制處理器，從而完成信息判斷。傳感器安裝在馬鈴薯播種機的排種管內，利用紅外檢測的原理，當種勺傳感器檢測到種勺到位時，種薯檢測傳感器檢測并判斷是否有種薯。有種薯時，紅外線被擋斷，傳感器發出高電平信號，表示當前檢測位有種薯。當馬鈴薯播種機的一行或者數行排種器發生連續漏播情況時，便立即聲光報警提示，因此傳感器的性能直接影響排種器的種薯檢測裝置的工作質量水平，電路圖如4所示。

2.3 報警電路設計

馬鈴薯播種過程中，需要對出現的漏播、種箱缺種等狀況進行報警提示，避免出現更多漏播狀況。馬鈴薯播種機出現漏播時，相對應排種管的提示燈就會常亮或者不停閃爍，提示駕駛室操作人員，同時還進行聲音報警提示。電路連接如圖5所示。

3 預警監測系統軟件開發

馬鈴薯精密播種機漏播監測預警系統在開機通電初始化后開始運行主程序。系統在主程序中調用各功能相應子程序模塊，流程圖如圖6所示。

開機自檢完成對STC89C52單片機系統的初始化，使預警系統處于待機工作準備。

調用數據處理子程序。馬鈴薯漏播監測預警系統工作時，主程序通過對數據處理子程序的調用，完成對傳感器傳輸的電平信號的計算處理，并取得需要的播種參數數據，然后根據預先輸入的參數值進行判斷，識別漏播等情況。

報警子程序調用。馬鈴薯播種機出現連續漏播等情況達到預警狀況，系統自動調用報警子程序進行聲光報警提示。

顯示子程序調用。根據預先的功能菜單設置要求，該子程序包括各項播種數據顯示、漏播信息的顯示等，正常作業時顯示播種數據，漏播發生時顯示漏播信息。主要輸出參數有播種面積、漏播率、播完總價，其計算方式分別如下。

4 實驗與結論

當幅寬、行株距、單價等參數調整設置好后，按下確認鍵進入播種監測模式，開始統計一定時間內的脈沖數，并計算播種面積、漏播率、價格。

通過仿真結果表明，馬鈴薯漏播預警系統軟件程序運行正常，各項功能都能實現。在手動設置缺種信號時，系統能夠檢測到種勺沒有種薯，并輸出顯示，連續漏播能正常聲光報警提示，播完結束可以顯示播種面積、播完總價、漏播率等數據，系統工作性能符合檢測要求，可以廣泛用于農業工程。

參考文獻

[1] 馮全，栗震霄.免耕播種機高抗塵排種監測器的設計與試驗[J].農業機械學報，2006（37）： 68-78.

[2] 何玉靜，李勉.馬鈴薯穴播機排種器的主要技術特點[J].農機使用與維修，2007（3）：25-27.

[3] 李偉.基于計算機視覺的播種精度檢測技術研究[D].北京：中國農業大學，2004.

[4] 熊瑛.基于機器視覺的排種器性能檢測技術研究[D].長沙：湖南農業大學，2011.

[5] 周利明. 基于電容法的棉花產量和播種量檢測技術研究[D].北京：中國農業大學，2014.

[6] 龔長青，土清.單片機控制系統的硬件抗干擾研究[J].機械與電子. 2010（5）：98-99.

[7] 郭錐.基于單片機的膛壁溫度報警系統設計[D].南京：南京理工大學，2006.