基于單片機(jī)的玉米補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張亞芳　許光彬

摘要：通過對(duì)玉米播種機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)玉米播種機(jī)在播種過程中會(huì)出現(xiàn)漏種以及卡機(jī)的現(xiàn)象，導(dǎo)致播種的質(zhì)量無法得到有效保障。為了在玉米播種過程中有效地進(jìn)行播種量檢測(cè)和及時(shí)補(bǔ)種，開發(fā)了基于單片機(jī)的玉米補(bǔ)種系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為控制核心，通過安裝傳感器檢測(cè)車輪行進(jìn)狀態(tài)和玉米播種狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)異常后通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一格補(bǔ)種槽的角度，進(jìn)行玉米的補(bǔ)種，避免了后期人力進(jìn)行檢查以及補(bǔ)種，提高了生產(chǎn)效率。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性能滿足設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)種，單片機(jī)，自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9545（2023）03-0076-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.015

玉米是世界上分布最廣泛的糧食作物之一，在我國(guó)各地均有栽培。玉米的播種方式從最初的人工點(diǎn)播發(fā)展到用機(jī)械播種，工作效率顯著提高，也更加適用于大面積種植。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，精密播種成為當(dāng)前玉米播種技術(shù)的主要方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)播種量和株距的精確控制，具有節(jié)省種子提高產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)。在免耕且有秸稈覆蓋的地表施肥播種時(shí)，在免耕覆蓋地上使用時(shí)，其滑移率在20%以上，造成不排種肥不均勻或者排種不暢的問題。隨著國(guó)家對(duì)精密播種技術(shù)的推廣力度不斷加大，科研工作人員對(duì)精密播種中的電子監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。由于監(jiān)控系統(tǒng)不夠成熟，而且無法保證系統(tǒng)工作的可靠性，加之新技術(shù)成本太高，因此研究主要局限在監(jiān)控器的研究和試驗(yàn)上，在實(shí)際使用中沒有得到很多的推廣^[1]。精密播種的特點(diǎn)是單粒播種，具有省種的優(yōu)點(diǎn)，但是實(shí)際播種過程中容易造成實(shí)際播量與最優(yōu)播量的誤差，主要原因是播量分布不均勻、漏播的現(xiàn)象，從而對(duì)產(chǎn)量造成影響^[2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)漏播補(bǔ)償進(jìn)行相關(guān)研究并研制了精密播種機(jī)排種器自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)精密播種機(jī)的漏播情況進(jìn)行報(bào)警、計(jì)數(shù)等方面的監(jiān)控^[3]，但只能對(duì)漏播、少播實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，整機(jī)不能解決其他因素（例如：地況）及時(shí)協(xié)同其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效補(bǔ)償。該設(shè)計(jì)通過對(duì)玉米播種問題的影響因素分析，采用自動(dòng)控制原理的學(xué)科知識(shí)，結(jié)合單片機(jī)控制原理和電機(jī)控制原理，通過在車輪上加裝光柵碼盤，配合光電計(jì)數(shù)開關(guān)傳感器，實(shí)時(shí)采集車輛行駛的速度。然后在玉米下料導(dǎo)軌槽上增加紅外計(jì)數(shù)檢測(cè)開關(guān)，用來判斷檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)是否有玉米粒通過，在發(fā)現(xiàn)異常后通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一格補(bǔ)種槽的角度，進(jìn)行玉米的補(bǔ)種^[4]。實(shí)現(xiàn)在玉米播種機(jī)出現(xiàn)異常或未合理播種的情況下進(jìn)行有效檢測(cè)，并進(jìn)行補(bǔ)種的操作。該設(shè)計(jì)的玉米補(bǔ)種系統(tǒng)，能夠有效地提高玉米播種質(zhì)量，減少不必要的人工補(bǔ)種成本，并且系統(tǒng)采用商業(yè)化的51單片機(jī)系統(tǒng)，價(jià)格低廉，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值^[5]。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的玉米補(bǔ)種系統(tǒng)包括前端采集傳感器電路、數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)和動(dòng)作執(zhí)行電機(jī)系統(tǒng)，如圖1所示。

（1）前端采集傳感器電路。前端采集傳感器主要負(fù)責(zé)采集車輛的行進(jìn)速度和玉米的播種個(gè)數(shù)，行進(jìn)速度用來判斷單位播種長(zhǎng)度內(nèi)是否進(jìn)行了正常的播種。玉米播種個(gè)數(shù)檢測(cè)用來判斷播種的數(shù)量是否與設(shè)定的播種數(shù)量一致，如果有缺失則需要進(jìn)行補(bǔ)種。傳感器的整體穩(wěn)定性與采集的準(zhǔn)確性在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要，所以在車輛行駛速度的采集上，該設(shè)計(jì)放棄了結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的霍爾傳感器，因?yàn)榛魻杺鞲衅魅菀资盏酱艌?chǎng)的干擾，導(dǎo)致誤檢測(cè)，進(jìn)而選擇了穩(wěn)定性更好的機(jī)械式光柵碼盤加光電傳感器的形式^[6]。玉米計(jì)數(shù)采用紅外光電檢測(cè)開關(guān)，這種檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、價(jià)格低廉。前端采集電路中，光電傳感器安裝在排種盤壁處上。玉米精密播種機(jī)在播種作業(yè)過程中，如果檢測(cè)到有種子下落，紅外傳感器的發(fā)射器發(fā)出紅外光束會(huì)受到種子的遮擋導(dǎo)致接收器接收不到信號(hào)；如果沒有檢測(cè)到種子下落，接收器能夠接收發(fā)射器發(fā)出的紅外光束，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的捕獲、比較端口，從而實(shí)現(xiàn)了播種狀態(tài)的檢測(cè)。單片機(jī)計(jì)數(shù)器通過統(tǒng)計(jì)端口捕獲次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)^[7]。

（2）數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)中，采用STC89C51單片機(jī)作為控制核心，通過接收和處理前端采集傳感器的信號(hào)，判斷播種狀態(tài)是否正常，檢測(cè)播種過程中的漏播以及播種通道堵塞等情況，在發(fā)現(xiàn)異常后單片機(jī)控制核心對(duì)這些異常狀態(tài)進(jìn)行有效處理，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一格補(bǔ)種槽的角度，進(jìn)行玉米的補(bǔ)種，在單片機(jī)軟件開發(fā)中基于一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算算法，對(duì)于漏種進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于異常情況下的堵轉(zhuǎn)狀況啟動(dòng)聲光報(bào)警電路工作，提醒工作人員下車進(jìn)行檢查和維修，確保玉米播種機(jī)能夠有效工作以及玉米播種工作的高效性^[8]。

（3）動(dòng)作執(zhí)行電機(jī)系統(tǒng)。補(bǔ)種機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路中，在主排種裝置外增加一套獨(dú)立的補(bǔ)種裝置，如果檢測(cè)到漏播現(xiàn)象，單片機(jī)根據(jù)補(bǔ)種過程各動(dòng)作時(shí)間關(guān)系，適時(shí)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)種電機(jī)將待補(bǔ)的種子排出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)種。考慮到對(duì)電機(jī)角度控制有較高的要求，補(bǔ)種電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能夠有效地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而控制補(bǔ)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，玉米粒在轉(zhuǎn)動(dòng)輪上是等距離分布的，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度直接控制了補(bǔ)種的玉米的個(gè)數(shù)多少^[9]，因此可以精確控制補(bǔ)種系統(tǒng)排種裝置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。補(bǔ)種電機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)播種機(jī)的原有主播裝置檔位（株距）設(shè)置與主播器一致的不同的階梯轉(zhuǎn)速并由控制系統(tǒng)分級(jí)控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)的主要核心就是STC89C51芯片，采用的是四十引腳的DIP封裝，其核心電路設(shè)計(jì)如圖2所示。P0組引腳連接液晶屏LCD1602，P1組引腳連接步進(jìn)電機(jī)和聲光報(bào)警部分，紅外光電傳感器信號(hào)連接至P3中斷引腳。LCD1602顯示屏采用并行通訊，主要通過八個(gè)數(shù)據(jù)位來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并且配合讀寫控制引腳、使能控制引腳以及命令數(shù)據(jù)控制引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸?shù)絻?nèi)部的控制器，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣進(jìn)行實(shí)時(shí)的掃描顯示。

2.2電源電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)需要將拖拉機(jī)的12V電源降壓至5V供給單片機(jī)芯片，作為單片機(jī)的工作電源，因此選擇降壓電路。常見的電源轉(zhuǎn)換電路有LDO和DC-DC電路等。LDO即低壓差線性穩(wěn)壓器，僅能使用在降壓應(yīng)用中，有著穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快，輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是效率低，輸入輸出的電壓差不能太大，負(fù)載不能太大。DC-DC指直流電壓轉(zhuǎn)直流電壓，目前多指開關(guān)電源，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，可以輸出大電流，輸入電壓范圍較寬。綜上考慮，在實(shí)際應(yīng)用中選擇DC-DC電路作為電源電路，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示，主要由控制芯片、電感線圈、二極管、電容等構(gòu)成。

2.3光電對(duì)射傳感器電路設(shè)計(jì)

光電傳感器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。實(shí)際使用中選用ITR9608光電對(duì)射傳感器，通過紅外光電效應(yīng)對(duì)開啟關(guān)斷信號(hào)量進(jìn)行采集。兩個(gè)二極管通過封裝進(jìn)行固定，形成頭對(duì)頭的結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)射光時(shí)，中間如果沒有障礙物遮擋，接收的二極管就能接收到光，內(nèi)部的PN結(jié)導(dǎo)通，配合使用光刪，可以完成更加準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)功能。發(fā)光二極管電路中通過1KΩ的電阻進(jìn)行限流，從而保證發(fā)光二極管正常工作，不被燒毀。接收二極管端接入10KΩ的上拉電阻，確保光敏二極管在沒有接受到光的情況下會(huì)被上拉成高電平，使得輸出為高電平，當(dāng)在有光的情況下光敏二極管導(dǎo)通，進(jìn)而輸出端被下拉到低電平，形成高低電平的變化。這樣的脈沖信號(hào)會(huì)傳到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)采集。考慮到接收二極管端的信號(hào)受到光敏二極管壓降的影響，低電平可能略高于零伏，高電平略低于輸入電壓，從而使得輸出的信號(hào)電壓不是很完美，因此后端增加比較器電路，可以有效保證波形更加清晰，使得輸出波形更加完整有效。

2.4步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖5所示，驅(qū)動(dòng)電路采用四個(gè)光耦形成通訊隔離，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，隔離驅(qū)動(dòng)回路將干擾源引入控制系統(tǒng)。大電流驅(qū)動(dòng)器采用IGBT搭建正反向電流驅(qū)動(dòng)電路，控制步進(jìn)電機(jī)的工作。步進(jìn)電機(jī)選擇12V供電電源的系統(tǒng)，可以直接使用拖拉機(jī)的12V電源輸出，不需要再額外增加電源，極為方便有效。28BYJ30-7A步進(jìn)電機(jī)能夠產(chǎn)生0.7 N.m的扭矩，符合轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)種輪盤的需求。當(dāng)單片機(jī)控制引腳輸入1，0，0，0時(shí)，U7導(dǎo)通，進(jìn)而Q4關(guān)閉，Q5導(dǎo)通，與Q4和Q5連接的步進(jìn)電機(jī)引腳為低電平；同理U10關(guān)閉，Q3導(dǎo)通，Q6關(guān)閉，與Q3和Q6連接的步進(jìn)電機(jī)引腳為高電平，以此類推，實(shí)現(xiàn)弱電信號(hào)控制強(qiáng)電動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的工作。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

玉米補(bǔ)種系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)思路是，首先通過車輪檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)車輪是否處于正常行駛狀態(tài)，當(dāng)車輪處于正常工作狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過0.5s對(duì)播種玉米數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并記錄，如果檢測(cè)到?jīng)]有玉米進(jìn)行播種，記錄漏播種子數(shù)，在程序設(shè)計(jì)中設(shè)置玉米漏種標(biāo)志位加一，程序主函數(shù)部分如圖7所示。當(dāng)檢測(cè)到玉米補(bǔ)種標(biāo)志位的數(shù)值≥3的時(shí)候，則認(rèn)為玉米播種機(jī)出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)通道堵塞或者輪盤卡死等現(xiàn)象，已經(jīng)不能正常進(jìn)行工作，此時(shí)開啟蜂鳴器和報(bào)警燈進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)停止進(jìn)行檢查或者安排維修人員進(jìn)行維修。整體的報(bào)警檢測(cè)以3次為一個(gè)周期，只要三次中的任何一次能夠檢測(cè)到有玉米粒流出，則認(rèn)為播種機(jī)器只是漏播，沒有出現(xiàn)通道堵塞或者輪盤卡死等嚴(yán)重現(xiàn)象，這時(shí)會(huì)將漏種標(biāo)志位清零，重新開始統(tǒng)計(jì)。在單片機(jī)數(shù)據(jù)端采用外部中斷的形式進(jìn)行車輪轉(zhuǎn)速和玉米計(jì)數(shù)傳感器的采集，這種方式可以保證采集的準(zhǔn)確性與有效性。顯示屏顯示播種數(shù)量、補(bǔ)種數(shù)量、當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)鐘，方便人機(jī)交互，觀察設(shè)備的工作狀態(tài)以及判斷玉米播種設(shè)備的整體工作效率等。該系統(tǒng)使用keil開發(fā)環(huán)境。

3.2部分核心代碼設(shè)計(jì)

3.2.1主程序代碼部分 結(jié)合玉米補(bǔ)種系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)流程圖給出了軟件開發(fā)的主程序代碼，如圖7所示。LCD1602顯示屏軟件驅(qū)動(dòng)首先需要對(duì)控制的引腳進(jìn)行初始化，對(duì)于并行控制引腳采用整體初始化，有利于程序的簡(jiǎn)化和執(zhí)行效率，然后對(duì)顯示屏的對(duì)比度、顯示樣式等參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)置，設(shè)置完成后就可以將對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)寫入到顯示寄存器中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示^[8]。寫入數(shù)據(jù)包含橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和顯示數(shù)組三個(gè)參數(shù)。LCD1602顯示屏具有價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)，工作溫度范圍廣的特點(diǎn)，廣泛使用在工業(yè)控制中，具有現(xiàn)在彩屏所無法比擬的性價(jià)比^[9]。

3.2.2步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì) 該設(shè)計(jì)采用的是四線步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)采用脈沖交替動(dòng)作形成位移運(yùn)動(dòng)，一個(gè)脈沖循環(huán)周期產(chǎn)生六個(gè)有規(guī)律的脈沖，具體程序設(shè)計(jì)如圖8所示。

4系統(tǒng)仿真與測(cè)試

4.1繪制系統(tǒng)仿真電路

通過使用Proteu仿真軟件繪制系統(tǒng)仿真電路原理圖，考慮到部分實(shí)際元器件在仿真軟件中找不到模型，在仿真電路中使用了等效元件替換，對(duì)仿真結(jié)果沒有影響。其中電源電路部分使用LDO電路代替DC-DC電路， 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用三極管代替IGBT，光電傳感器信號(hào)使用脈沖信號(hào)源代替，具體仿真電路如圖9所示。

4.2系統(tǒng)測(cè)試

基于單片機(jī)的玉米補(bǔ)種系統(tǒng)已經(jīng)在Proteus軟件中進(jìn)行了仿真測(cè)試。首先在keil軟件中編寫源代碼，并編譯生成hex文件。在Proteus軟件中繪制好仿真電路后，雙擊AT89C52芯片，寫入生成的hex文件。點(diǎn)擊開始仿真按鈕，合上脈沖信號(hào)源開關(guān)，模擬正常播種，此時(shí)液晶顯示屏顯示“normal”字樣，表示正常，如圖9所示。同時(shí)記錄并顯示正常播種的粒數(shù)。斷開脈沖信號(hào)源開關(guān)，模擬漏播情況，當(dāng)發(fā)生漏播時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)種，當(dāng)連續(xù)漏播粒數(shù)達(dá)到3粒或6秒時(shí)，此時(shí)蜂鳴器和報(bào)警燈開始工作，進(jìn)行聲光報(bào)警，模擬玉米播種機(jī)出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)通道堵塞或者輪盤卡死等現(xiàn)象，已經(jīng)不能正常進(jìn)行工作，提醒操作人員及時(shí)停車進(jìn)行檢查或者安排維修人員進(jìn)行維修。

5結(jié)語

文章設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的玉米補(bǔ)種系統(tǒng)，采用先進(jìn)的單片機(jī)控制系統(tǒng)控制核心，可以實(shí)現(xiàn)玉米的智能檢測(cè)，進(jìn)而判斷播種過程中的漏播以及播種通道堵塞等情況，通過單片機(jī)處理核心對(duì)這些異常狀態(tài)進(jìn)行有效的處理，并基于一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算算法，對(duì)于漏種進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于異常情況下的堵轉(zhuǎn)狀況采用有效的報(bào)警裝置，提醒工作人員進(jìn)行維修檢查，確保玉米播種機(jī)能夠有效地完成玉米播種工作以及玉米播種工作的高效性。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及商業(yè)的可推廣性，在元器件選型上選擇了更加耐用且性價(jià)比高的元件，在控制系統(tǒng)的搭建上選擇了魯棒性好的步進(jìn)電機(jī)，并搭配有人機(jī)交互顯示屏，方便人員的操作以及學(xué)習(xí)使用，符合現(xiàn)在商業(yè)推廣的設(shè)備需求，并且能夠有效提高玉米的播種效果，具有極高的商業(yè)價(jià)值。

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（責(zé)任編輯 寧樊西）