基于單片機的玉米補種系統設計

張亞芳　許光彬

摘要：通過對玉米播種機的實際生產過程進行研究，發現玉米播種機在播種過程中會出現漏種以及卡機的現象，導致播種的質量無法得到有效保障。為了在玉米播種過程中有效地進行播種量檢測和及時補種，開發了基于單片機的玉米補種系統。該系統采用STC89C51單片機作為控制核心，通過安裝傳感器檢測車輪行進狀態和玉米播種狀態，在發現異常后通過步進電機驅動器電路驅動步進電機轉動一格補種槽的角度，進行玉米的補種，避免了后期人力進行檢查以及補種，提高了生產效率。測試結果表明，系統的準確性和穩定性能滿足設計需求。

關鍵詞：補種，單片機，自動化

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：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，在我國各地均有栽培。玉米的播種方式從最初的人工點播發展到用機械播種，工作效率顯著提高，也更加適用于大面積種植。隨著科學技術的進步，精密播種成為當前玉米播種技術的主要方式，實現了對播種量和株距的精確控制，具有節省種子提高產量的優點。在免耕且有秸稈覆蓋的地表施肥播種時，在免耕覆蓋地上使用時，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。隨著國家對精密播種技術的推廣力度不斷加大，科研工作人員對精密播種中的電子監控技術進行研發。由于監控系統不夠成熟，而且無法保證系統工作的可靠性，加之新技術成本太高，因此研究主要局限在監控器的研究和試驗上，在實際使用中沒有得到很多的推廣^[1]。精密播種的特點是單粒播種，具有省種的優點，但是實際播種過程中容易造成實際播量與最優播量的誤差，主要原因是播量分布不均勻、漏播的現象，從而對產量造成影響^[2]。目前，國內外對漏播補償進行相關研究并研制了精密播種機排種器自動監控系統，實現了對精密播種機的漏播情況進行報警、計數等方面的監控^[3]，但只能對漏播、少播實現監控，整機不能解決其他因素（例如：地況）及時協同其他機構進行有效補償。該設計通過對玉米播種問題的影響因素分析，采用自動控制原理的學科知識，結合單片機控制原理和電機控制原理，通過在車輪上加裝光柵碼盤，配合光電計數開關傳感器，實時采集車輛行駛的速度。然后在玉米下料導軌槽上增加紅外計數檢測開關，用來判斷檢測時間點是否有玉米粒通過，在發現異常后通過步進電機驅動器電路驅動步進電機轉動一格補種槽的角度，進行玉米的補種^[4]。實現在玉米播種機出現異常或未合理播種的情況下進行有效檢測，并進行補種的操作。該設計的玉米補種系統，能夠有效地提高玉米播種質量，減少不必要的人工補種成本，并且系統采用商業化的51單片機系統，價格低廉，具有很高的實際應用價值^[5]。

1系統結構設計

基于單片機的玉米補種系統包括前端采集傳感器電路、數據控制處理系統和動作執行電機系統，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責采集車輛的行進速度和玉米的播種個數，行進速度用來判斷單位播種長度內是否進行了正常的播種。玉米播種個數檢測用來判斷播種的數量是否與設定的播種數量一致，如果有缺失則需要進行補種。傳感器的整體穩定性與采集的準確性在整個系統中至關重要，所以在車輛行駛速度的采集上，該設計放棄了結構更加簡單的霍爾傳感器，因為霍爾傳感器容易收到磁場的干擾，導致誤檢測，進而選擇了穩定性更好的機械式光柵碼盤加光電傳感器的形式^[6]。玉米計數采用紅外光電檢測開關，這種檢測傳感器結構簡單、可靠性高、價格低廉。前端采集電路中，光電傳感器安裝在排種盤壁處上。玉米精密播種機在播種作業過程中，如果檢測到有種子下落，紅外傳感器的發射器發出紅外光束會受到種子的遮擋導致接收器接收不到信號；如果沒有檢測到種子下落，接收器能夠接收發射器發出的紅外光束，轉換成電信號傳輸到單片機的捕獲、比較端口，從而實現了播種狀態的檢測。單片機計數器通過統計端口捕獲次數進行計數^[7]。

（2）數據控制處理系統。數據控制處理系統中，采用STC89C51單片機作為控制核心，通過接收和處理前端采集傳感器的信號，判斷播種狀態是否正常，檢測播種過程中的漏播以及播種通道堵塞等情況，在發現異常后單片機控制核心對這些異常狀態進行有效處理，通過步進電機驅動器電路驅動步進電機轉動一格補種槽的角度，進行玉米的補種，在單片機軟件開發中基于一定的數學模型計算算法，對于漏種進行補償，對于異常情況下的堵轉狀況啟動聲光報警電路工作，提醒工作人員下車進行檢查和維修，確保玉米播種機能夠有效工作以及玉米播種工作的高效性^[8]。

（3）動作執行電機系統。補種機構及驅動電路中，在主排種裝置外增加一套獨立的補種裝置，如果檢測到漏播現象，單片機根據補種過程各動作時間關系，適時驅動補種電機將待補的種子排出，實現自動補種。考慮到對電機角度控制有較高的要求，補種電機采用步進電機。步進電機能夠有效地控制轉動角度，進而控制補種輪轉動的角度，玉米粒在轉動輪上是等距離分布的，轉動的角度直接控制了補種的玉米的個數多少^[9]，因此可以精確控制補種系統排種裝置的轉速和轉角。補種電機轉速可以根據播種機的原有主播裝置檔位（株距）設置與主播器一致的不同的階梯轉速并由控制系統分級控制。

2系統硬件設計

2.1單片機核心電路設計

單片機最小系統的主要核心就是STC89C51芯片，采用的是四十引腳的DIP封裝，其核心電路設計如圖2所示。P0組引腳連接液晶屏LCD1602，P1組引腳連接步進電機和聲光報警部分，紅外光電傳感器信號連接至P3中斷引腳。LCD1602顯示屏采用并行通訊，主要通過八個數據位來進行數據的傳輸，并且配合讀寫控制引腳、使能控制引腳以及命令數據控制引腳進行數據的傳輸，傳輸到內部的控制器，驅動點陣進行實時的掃描顯示。

2.2電源電路設計

該設計需要將拖拉機的12V電源降壓至5V供給單片機芯片，作為單片機的工作電源，因此選擇降壓電路。常見的電源轉換電路有LDO和DC-DC電路等。LDO即低壓差線性穩壓器，僅能使用在降壓應用中，有著穩定性好，負載響應快，輸出紋波小等優點，但其缺點是效率低，輸入輸出的電壓差不能太大，負載不能太大。DC-DC指直流電壓轉直流電壓，目前多指開關電源，其優點是效率高，可以輸出大電流，輸入電壓范圍較寬。綜上考慮，在實際應用中選擇DC-DC電路作為電源電路，其電路設計如圖3所示，主要由控制芯片、電感線圈、二極管、電容等構成。

2.3光電對射傳感器電路設計

光電傳感器電路設計如圖4所示。實際使用中選用ITR9608光電對射傳感器，通過紅外光電效應對開啟關斷信號量進行采集。兩個二極管通過封裝進行固定，形成頭對頭的結構，當發光二極管發射光時，中間如果沒有障礙物遮擋，接收的二極管就能接收到光，內部的PN結導通，配合使用光刪，可以完成更加準確的計數功能。發光二極管電路中通過1KΩ的電阻進行限流，從而保證發光二極管正常工作，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被上拉成高電平，使得輸出為高電平，當在有光的情況下光敏二極管導通，進而輸出端被下拉到低電平，形成高低電平的變化。這樣的脈沖信號會傳到單片機進行計數采集。考慮到接收二極管端的信號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步進電機電路設計

步進電機電路設計如圖5所示，驅動電路采用四個光耦形成通訊隔離，確保系統的穩定性，隔離驅動回路將干擾源引入控制系統。大電流驅動器采用IGBT搭建正反向電流驅動電路，控制步進電機的工作。步進電機選擇12V供電電源的系統，可以直接使用拖拉機的12V電源輸出，不需要再額外增加電源，極為方便有效。28BYJ30-7A步進電機能夠產生0.7 N.m的扭矩，符合轉動補種輪盤的需求。當單片機控制引腳輸入1，0，0，0時，U7導通，進而Q4關閉，Q5導通，與Q4和Q5連接的步進電機引腳為低電平；同理U10關閉，Q3導通，Q6關閉，與Q3和Q6連接的步進電機引腳為高電平，以此類推，實現弱電信號控制強電動作，進而實現步進電機的工作。

3系統軟件設計

3.1系統軟件總體設計

玉米補種系統的軟件總體設計思路是，首先通過車輪檢測設備檢測車輪是否處于正常行駛狀態，當車輪處于正常工作狀態時，經過0.5s對播種玉米數進行檢測并記錄，如果檢測到沒有玉米進行播種，記錄漏播種子數，在程序設計中設置玉米漏種標志位加一，程序主函數部分如圖7所示。當檢測到玉米補種標志位的數值≥3的時候，則認為玉米播種機出現故障，可能出現通道堵塞或者輪盤卡死等現象，已經不能正常進行工作，此時開啟蜂鳴器和報警燈進行聲光報警，提醒操作人員及時停止進行檢查或者安排維修人員進行維修。整體的報警檢測以3次為一個周期，只要三次中的任何一次能夠檢測到有玉米粒流出，則認為播種機器只是漏播，沒有出現通道堵塞或者輪盤卡死等嚴重現象，這時會將漏種標志位清零，重新開始統計。在單片機數據端采用外部中斷的形式進行車輪轉速和玉米計數傳感器的采集，這種方式可以保證采集的準確性與有效性。顯示屏顯示播種數量、補種數量、當前狀態和時鐘，方便人機交互，觀察設備的工作狀態以及判斷玉米播種設備的整體工作效率等。該系統使用keil開發環境。

3.2部分核心代碼設計

3.2.1主程序代碼部分 結合玉米補種系統的軟件總體設計流程圖給出了軟件開發的主程序代碼，如圖7所示。LCD1602顯示屏軟件驅動首先需要對控制的引腳進行初始化，對于并行控制引腳采用整體初始化，有利于程序的簡化和執行效率，然后對顯示屏的對比度、顯示樣式等參數進行初始設置，設置完成后就可以將對應的顯示數據寫入到顯示寄存器中，進行數據的實時顯示^[8]。寫入數據包含橫坐標、縱坐標和顯示數組三個參數。LCD1602顯示屏具有價格低廉，使用壽命長，工作溫度范圍廣的特點，廣泛使用在工業控制中，具有現在彩屏所無法比擬的性價比^[9]。

3.2.2步進電機程序設計 該設計采用的是四線步進電機，步進電機采用脈沖交替動作形成位移運動，一個脈沖循環周期產生六個有規律的脈沖，具體程序設計如圖8所示。

4系統仿真與測試

4.1繪制系統仿真電路

通過使用Proteu仿真軟件繪制系統仿真電路原理圖，考慮到部分實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，對仿真結果沒有影響。其中電源電路部分使用LDO電路代替DC-DC電路， 步進電機驅動電路中采用三極管代替IGBT，光電傳感器信號使用脈沖信號源代替，具體仿真電路如圖9所示。

4.2系統測試

基于單片機的玉米補種系統已經在Proteus軟件中進行了仿真測試。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。點擊開始仿真按鈕，合上脈沖信號源開關，模擬正常播種，此時液晶顯示屏顯示“normal”字樣，表示正常，如圖9所示。同時記錄并顯示正常播種的粒數。斷開脈沖信號源開關，模擬漏播情況，當發生漏播時，驅動電機電機進行補種，當連續漏播粒數達到3粒或6秒時，此時蜂鳴器和報警燈開始工作，進行聲光報警，模擬玉米播種機出現故障，可能出現通道堵塞或者輪盤卡死等現象，已經不能正常進行工作，提醒操作人員及時停車進行檢查或者安排維修人員進行維修。

5結語

文章設計的基于單片機的玉米補種系統，采用先進的單片機控制系統控制核心，可以實現玉米的智能檢測，進而判斷播種過程中的漏播以及播種通道堵塞等情況，通過單片機處理核心對這些異常狀態進行有效的處理，并基于一定的數學模型計算算法，對于漏種進行補償，對于異常情況下的堵轉狀況采用有效的報警裝置，提醒工作人員進行維修檢查，確保玉米播種機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。設計時考慮到了系統的穩定性以及商業的可推廣性，在元器件選型上選擇了更加耐用且性價比高的元件，在控制系統的搭建上選擇了魯棒性好的步進電機，并搭配有人機交互顯示屏，方便人員的操作以及學習使用，符合現在商業推廣的設備需求，并且能夠有效提高玉米的播種效果，具有極高的商業價值。

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（責任編輯 寧樊西）