基于嵌入式技術的小麥自動播種機設計

游雨云

（上饒職業技術學院，江西 上饒 334109）

1 整體設計思路

小麥自動播種是農業生產中的關鍵作業項目。目前，市場上以機械排種器為主流農機設備，雖然能夠完成小麥的播種作業任務，但存在結構復雜、自動化程度和播種間距控制精度較低等問題。為有效解決上述問題，筆者設計了一種基于嵌入式單片機的自動化小麥播種機，具體設計思路如下。

以STM32F0為嵌入式自動播種系統的控制核心，外接播種運動電機帶動指夾式排種器運轉，實施自動化播種。播種作業的過程中，STM32F0實時采集和對比運動電機的轉速及播種間距測控模塊反饋回的種間距，并根據比較的結果實時調整輸出到播種運動電機上的電流和電壓值，使運動電機控制的排種作業頻率與測距模塊監測到的實際種距相互對應，實現小麥播種間距的恒定控制。系統外設播種參數數字化輸入控制和顯示模塊，實現對小麥播種間距、力度、頻度的輸入控制和對播種效果的監控。整個系統由嵌入式單片機通過程序編譯實現自動化播種控制，采用播種運動電機直接帶動排種器作業，省去常規小麥播種機由萬向傳動軸、鏈條、變速箱構成的傳動系統采購和安裝費用，具有一定的經濟性和應用性。如圖1所示，為本系統的整體設計結構圖。

圖1 小麥自動播種機整體設計結構圖

2 主要硬件選型及設計

2.1 核心控制模塊

本系統選用STM32F0單片機為核心控制器。STM32F0是一款基于ARMRCortex R-M0的32位單片機，具有功耗低、實時性能強、多種存儲容量、封裝多元化等特點，且該款單片機自帶CAN總線和USB2.0接口，能夠適應不同通信狀態下的數據通訊編程需要[1]。此外，由于STM32F0單片機本身采用DC1.8 V供電，并且擁有豐富的引腳和擴展功能，特別適合在數據微處理和高效運算的場合下應用。在本系統中，STM32F0單片機的主要功能為：1）通過程序編譯進行總控，實現對各模塊運行數據的實時計算；2）對播種電機轉速、指夾式排種器的工作狀態等輸出信號進行監控；3）對播種間距進行實時檢測，及時響應用戶的播種參數設置需求；4）對播種電機轉速反饋裝置的反饋信息進行運算，并將結果與播種間距檢測傳感器的采集結果進行對比，通過實時調整實現對小麥播種間距、力度等參數的精確控制。在外圍電路設計中需要首先建立起STM32F0單片機的最小電路，此外，由于該款單片機有豐富的端口資源，可根據具體的I/O設計需要自由分配引腳功能。

2.2 指夾式排種器模塊

指夾式排種器模塊是小麥自動播種的主要機械部件，本系統設計的指夾式排種器一周由18個指夾構成，在排種作業過程中，播種單體隨著地面形狀起伏，能夠有效地保障播種的深度和力度，整個模塊的作業速度能夠達到5 km/h~8 km/h，并保持播種性能的穩定[2]。為確保排種作業的連續性動能，選擇DC12 V直流電機作為動能提供源，并在電機上安裝了轉速信號檢測裝置，可實時檢測并向STM32F0單片機反饋排種器的實時速率，通過單片機的精確調控，實現對排種間距的有效控制。此外，用戶可根據排種的需求實時設置播種參數，對小麥播種的株距、力度等參數進行控制，以確保播種作業的質量。系統指夾式排種器模塊的設計構圖如圖2所示。

圖2 指夾式排種器模塊

2.3 播種間距監測模塊

播種間距監測模塊可實現對小麥自動播種過程中的株距實時監測，并將監測的結果反饋給STM32F0單片機，通過實時運算調整，確保小麥自動播種株距的均勻合理。本系統選用國內JCJM公司研發的U85-210224戶外激光測距模塊為硬件核心，該模塊采用激光測距原理，是一款小尺寸的精確測距模塊，能夠在0.03 m~10 m范圍內進行精確測距，測量精度達到±1 mm，測量的頻率為3 Hz，測量響應時間為0.3 s~4 s，能夠與單片機等微處理器連接工作，且擁有串口異步通信、UART兩種通信方式[3]，實際應用中便于與STM32F0單片機進行數據傳輸和通信。整個模塊具有測量效率高、響應時間短、數據精度高等優點，且模塊尺寸僅為41 mm*17 mm*7 mm，便于安裝在小麥自動播種機的設計集成電路板上。如圖3所示，為該模塊的實物外形圖。

圖3 播種間距監測模塊

2.4 播種運動電機控制模塊

播種運動電機控制模塊的功能為：提供小麥自動播種機運行的動能，并將動能實時反饋給STM32F0單片機，單片機接收到反饋信號后通過運算調整，確保播種機的運行速率與小麥排種模塊的作業頻率相一致，實現小麥自動播種的連續運行和排種作業精度。在綜合考慮控制精度、經濟性和實用性等多方面要素的基礎上，本系統選用伺服電機閉環控制方案，具體的控制方法為：選用伺服電機為小麥自動播種機的動力源，以伺服電機U/V/W三相電形成電控磁場[4]，通過交替電磁效應為播種機驅動輪供能，并通過自帶的編碼器采集驅動輪行進速率，將其反饋給STM32F0單片機進行設置值比對，并進行PID運算，實時調整驅動輪運行的速率。在上述控制過程中，伺服電機驅動器和編碼器脈沖之間構成了閉環反饋控制系統，再通過STM32F0單片機的反饋運算和PID調控，達到精準播種效果。

3 軟件程序編譯及試驗結果

3.1 系統軟件程序編譯思路

本系統采用C語言進行編程，具體的程序編譯思路為：1）啟動后系統進行自檢和初始化操作，包括開定時器和開中斷；2）播種間距監測模塊實時采集排種株距，播種機在DC12 V直流電機的帶動下實施自動排種作業，株距反饋值與排種直流電機的運轉速率通過單片機進行實時比對運算；3）同時播種運動電機帶動播種機前行，并通過電機上自帶的編碼器采集驅動輪行進速率，將其反饋給STM32F0單片機進行設置值比對運算；4）單片機根據反饋比對運算的數據進行實時調控，確保實現小麥自動播種株距和力度的精準控制。具體的程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統程序流程圖

3.2 試驗與結果分析

系統設計完成后，在寬100 m、長50 m的戶外試驗田進行自動播種試驗。試驗過程中，播種機運行速度設置為低檔8 km/h，播種株距設置為28 cm，采用2行播種機進行敞開式播種，在中間30 m內對5個種子株距進行連續測試，允許株距誤差為±1 cm，結果如表1所示。

表1 播種試驗結果

4 結語

試驗結果表明：設定小麥播種株距為28 cm時，播種的株距合格率達到100%，重播和漏播率為0，播種的自動化程度和間距精度更高，驗證了本系統的設計具有一定的實用性。隨著嵌入式技術的發展，基于嵌入式技術的農業生產設備必將越來越普及，不僅能夠大大提升播種作業的效率、精準性和自動化程度，對推動農業生產向自動化和智能化發展也將產生積極作用[5]。