齊向?qū)?，曹衛(wèi)彬

精量播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

齊向?qū)?，曹衛(wèi)彬

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832003）

精量播種機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是現(xiàn)代精播機(jī)的一個(gè)重要組成部分，其性能優(yōu)劣將影響精量播種的質(zhì)量，精播機(jī)對(duì)不同性能有不同的要求，而且其參數(shù)覆蓋面廣。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)精量播種機(jī)排種性能的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以及提高農(nóng)作物的播種質(zhì)量，在借鑒國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種精量播種機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)選用激光柵格光電傳感器采集信號(hào)，AT89C51單片機(jī)作為控制器，采用8259 A中斷控制器擴(kuò)展中斷端口、8155芯片擴(kuò)展I／O端口，由顯示裝置顯示排種量，并通過(guò)指示燈和蜂鳴器對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，以及時(shí)提醒駕駛員停車檢查。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高和便于擴(kuò)展等特點(diǎn)，對(duì)發(fā)展高效農(nóng)業(yè)具有重要意義。

精量播種機(jī)；單片機(jī)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；自動(dòng)控制

精量播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)精量播種技術(shù)的主要手段，是實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)最基本、最重要的一環(huán)［1］。精量播種可實(shí)現(xiàn)一穴一粒，不僅能節(jié)約種子，省去定苗工作量，而且能增加作物產(chǎn)量［2］。但精量播種機(jī)在工作過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)漏播和重播現(xiàn)象，因此須配備一套監(jiān)控系統(tǒng)以確保播種性能［3］。精播機(jī)上采用的監(jiān)測(cè)和報(bào)警裝置大致有機(jī)械式報(bào)警器、機(jī)電信號(hào)式報(bào)警器和電子儀器式監(jiān)視裝置3種類型。

國(guó)外對(duì)精量播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究比較早，20世紀(jì)80年代初，西方國(guó)家就已開始將電子技術(shù)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的播種控制等方面，目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家的精量播種機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已相當(dāng)先進(jìn)［4］，如美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)研究出一種快速測(cè)量播種機(jī)排種間距的光電傳感器系統(tǒng)［5］，該系統(tǒng)可以取代人工，快速獲得播種機(jī)排種間距一致性的數(shù)據(jù)，且輸出的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有排種合格率、重播率、漏播率，也可以用直方圖形式表示結(jié)果；日本的InotiI.K研制了電子控制的氣力式精量播種機(jī)［6］，該系統(tǒng)由電磁閥、數(shù)據(jù)采集與控制器、排種器組成，由電磁閥控制播種，排種性能通過(guò)種子下落間隔30—210 ms進(jìn)行調(diào)整。國(guó)外的精量播種機(jī)采用了越來(lái)越多的機(jī)電一體化技術(shù)，其目的就是提高播種機(jī)的工作可靠性，簡(jiǎn)化操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)末才開始研究精量播種，落后于西方國(guó)家。近年來(lái)我國(guó)在精量播種監(jiān)控方面研究進(jìn)展很快，許多省市的科研院所及大專院校已著手研究播種機(jī)電子監(jiān)視裝置，如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的基于單片機(jī)的排種均勻度監(jiān)測(cè)儀器、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BBJ-I型播種機(jī)工藝性故障自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、黑龍江研制的2BJD-2型電子監(jiān)視精量播種機(jī)等。

雖然現(xiàn)代的監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)達(dá)到一定的水平，但是在控制重播、漏播方面還不太完善。因此，本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為控制核心的精播機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以軟硬件結(jié)合的方式降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本，提高監(jiān)測(cè)精度［8］，這對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化有一定的意義。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)以AT89C51微控制器為核心，由光電傳感器、顯示系統(tǒng)和聲光報(bào)警系統(tǒng)等組成，以監(jiān)測(cè)播種機(jī)排種管內(nèi)種子的流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Frame figure of syste m structure

系統(tǒng)以光電傳感器為輸入部分，精播機(jī)播種時(shí)，由傳感器監(jiān)測(cè)輸種管內(nèi)種子流動(dòng)狀況，并把監(jiān)測(cè)信號(hào)輸送給處理器，再由處理器控制有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的工作。當(dāng)精量播種機(jī)正常工作時(shí)，種子有規(guī)律的穿過(guò)光電傳感器，指示燈有規(guī)律的閃爍；當(dāng)精量播種機(jī)排種管一行或數(shù)行發(fā)生堵種或漏種等故障時(shí)，種子不能有規(guī)律的遮斷光電傳感器光束，則相應(yīng)行的指示燈處于常滅或常亮狀態(tài)，以顯示故障位置和故障類型，同時(shí)蜂鳴器鳴叫發(fā)出報(bào)警。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)物理信號(hào)的采集、放大、整形和處理。硬件部分主要由信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊等組成。信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊主要完成對(duì)排種信息的采集，并且將這些非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。報(bào)警模塊的主要功能是當(dāng)出現(xiàn)漏播或排種器堵塞時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。顯示模塊的主要功能是完成數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、查詢等功能。

2.1 信號(hào)采集模塊

單片機(jī)用于控制系統(tǒng)時(shí)，總要有與被測(cè)對(duì)象相聯(lián)系的前向通道。前向通道是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)采集通道，從信號(hào)的采集、變換到單片機(jī)的輸入均在這一部分進(jìn)行。

本系統(tǒng)的信號(hào)采集由傳感器來(lái)完成，傳感器是獲取信息的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其特性的好壞、輸出信息的精度、可靠性和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量至關(guān)重要。

信號(hào)采集部分可以使用光敏元件，如光敏電阻、光敏管、光電池等，將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行后續(xù)處理［9］。為了避免監(jiān)測(cè)“盲區(qū)”，本系統(tǒng)采用激光柵格光電傳感器，該傳感器包括紅外半導(dǎo)體激光二極管1只（帶透鏡）、ф8光敏二極管1只、反光鏡2片（可用普通鍍銀玻璃鏡片），其示意圖如圖2所示。

圖2 激光柵格光電傳感器示意圖Fig.2 The schematic diagram of grid laser Photosensor

紅外光通過(guò)兩片平行放置的反光鏡使得激光束多次反射，形成覆蓋整個(gè)棑種管截面的激光柵格，最終激光束反射到光敏二極管的感光面。只要種子的直徑大于激光束柵格的間隙，其通過(guò)監(jiān)測(cè)截面時(shí)，就會(huì)阻斷激光束。無(wú)論種子在哪個(gè)位置阻斷激光束，光敏二極管都會(huì)完全失去光照，從而使產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)信號(hào)幅度大而恒定，便于處理和抗干擾。細(xì)調(diào)激光二極管的方向，可以改變激光束對(duì)反光鏡的入射角度，從而控制激光束的反射次數(shù)即柵格密度，以適應(yīng)不同的作物種子。

2.2 信號(hào)處理模塊

單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，軟件的儲(chǔ)存測(cè)量、數(shù)據(jù)的處理執(zhí)行、組件控制命令的發(fā)出等都要經(jīng)過(guò)單片機(jī)，它是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有存儲(chǔ)、I／O、定時(shí)及中斷等功能。由于本系統(tǒng)的控制方案不是很復(fù)雜，數(shù)據(jù)量也不是很大，8位單片機(jī)可以勝任，故本系統(tǒng)選用At mel公司生產(chǎn)的AT 89C51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。另外，因單片機(jī)中斷端口有限，本系統(tǒng)選用8259 A擴(kuò)展單片機(jī)的中斷端口。

2.3 報(bào)警模塊

本系統(tǒng)中的發(fā)光二極管分別代表每行播種機(jī)的播種狀況顯示燈。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，每播一粒種子，顯示燈將閃爍一下，當(dāng)播種機(jī)正常播種時(shí)，燈光有規(guī)律的閃爍；當(dāng)播種機(jī)輸種管某一行或幾行發(fā)生不正常排種現(xiàn)象時(shí)，相應(yīng)行的顯示燈將會(huì)處于常亮狀態(tài)，同時(shí)蜂鳴器鳴叫提醒駕駛員，以便停車檢查修理故障。指示燈報(bào)警電路圖如圖3所示，本電路采用連續(xù)聲的蜂鳴器作為聲音報(bào)警器件。

圖3 發(fā)光報(bào)警電路圖Fig.3 Circuit of the light alar m

2.4 顯示模塊

顯示系統(tǒng)用來(lái)實(shí)時(shí)顯示精量播種機(jī)的各項(xiàng)排種性能指標(biāo)。單片機(jī)從傳感器信息采集系統(tǒng)得到各項(xiàng)目標(biāo)信號(hào)，將它們經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，得出各項(xiàng)性能指標(biāo)，然后驅(qū)動(dòng)顯示設(shè)備顯示，供駕駛員觀察參考。

本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示方式，數(shù)碼管采用共陰極LED，選通電平為低電平。工作時(shí)輪流顯示，并且使每位保持延時(shí)一段時(shí)間，以使視覺暫留效果，看起來(lái)不會(huì)有閃動(dòng)的感覺。顯示接口電路的8位段選線接擴(kuò)展芯片8155的PA輸出端口，4位位選線分別接AT89C51的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3端口。顯示系統(tǒng)電路如圖4所示［10－12］。

圖4 顯示系統(tǒng)電路圖Fig.4 Circuit of the display system

2.5 穩(wěn)壓電源

本控制系統(tǒng)中，由于采用AT89C51單片機(jī)，其工作環(huán)境需要穩(wěn)定的＋5 V直流電源，而田間不可能采用220 V交流電壓為系統(tǒng)供電，因而以拖拉機(jī)的12 V電瓶為電源，其優(yōu)點(diǎn)在于與交流電網(wǎng)沒有關(guān)系，干擾小、無(wú)需整流。但由于該電壓不穩(wěn)定，因此需要設(shè)計(jì)＋12 V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的＋5 V電壓的電路，為系統(tǒng)提供電源。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的功能是協(xié)調(diào)好單片機(jī)內(nèi)部資源和外接電路的工作，其中心是采用模塊化設(shè)計(jì)將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序按整體功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的程序模塊，各模塊可以單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，然后再進(jìn)行綜合調(diào)試。

本系統(tǒng)軟件主要包括自檢模塊、初始化模塊、測(cè)控模塊、顯示模塊4個(gè)模塊。其主要功能有：傳感器的智能識(shí)別，對(duì)各個(gè)管腳脈沖進(jìn)行累加計(jì)算，將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)并顯示出播種粒數(shù)；同時(shí)對(duì)脈沖進(jìn)行判斷，若發(fā)生故障，則進(jìn)行聲光報(bào)警。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of monitoring system

部分程序（8259 A初始化程序）：

CLR EA；∥89C51CPU禁止中斷

MOV DPTR，＃5FFEH；

∥8259A ICW1命令字入口地址

MOV A，＃76 H；∥設(shè)ICW1命令字

MOV＠DPTR，A；∥ICW1命令字送入8259 A中

MOV DPTR，＃5FFFH

；8259A ICW2命令字入口地址

MOV A，＃02 H；設(shè)ICW2命令字

MOV＠DPTR，A；ICW2命令字送入8259 A中

MOV A，＃OFFH；設(shè)Oc wl命令字，屏蔽所有中斷

MOV＠DPTR，A；OCw1命令字送入8259A中

SETB EA；89C51 CPU中斷允許

SETB ITO；89C51選擇INT0為負(fù)跳變觸發(fā)

SETB EX0；89C51允許INT0中斷

4 結(jié)論

本文將傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用于精量播種機(jī)的監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，同時(shí)能夠及時(shí)地反饋各播種信息，如排種量、排種速度等，以便有效地提高播種質(zhì)量。此外，精量播種機(jī)的聲光報(bào)警系統(tǒng)可及時(shí)通知操作員故障的位置和性質(zhì)，提高了播種機(jī)自動(dòng)化程度，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］周利明，張小超.基于電容測(cè)量的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（11）：37-39.

［2］王吉奎，黃勇.夾持自鎖式棉花精量點(diǎn)播輪的研究［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，25（2）：240-243.

［3］楊修波，王民，韓 冰，等.CAN總線在精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007（5）：188-190.

［4］謝竹青，胡建平.精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究動(dòng)態(tài)［J］.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2007，33（2）：23-25.

［5］陸黎，胡建平，王韓偉.精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及創(chuàng)新研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2005（2）：13-15.

［6］Inoti I K.Solenoid operated seed metering［J］.JSA M，1991（3）：67-73.

［7］孫全芳，戴玉華，劉東利.精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.山東機(jī)械，2005（4）：60-62.

［8］李進(jìn)鵬，楊自棟，崔成良，等.基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010（10）：63-66.

［9］陳風(fēng)，李志鑫，王維新，等.移栽機(jī)落苗檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，22（5）：439-440.

［10］鄒久朋.微控制器原理與實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004（2）：250-253.

［11］張認(rèn)成，張英堂，桑正中.聯(lián)合收割機(jī)智能控制仿真器設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2001（2）：49-52.

［12］楊年法，和衛(wèi)星.聯(lián)合收割機(jī)的單片機(jī)檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，1998（12）：50-56.

The Design of Monitoring System of Precision Seeder

QI Xiangning，CAO Weibin
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Xinjiang Shihezi，832003）

Seeding monitoring system is an i mportant component of present precision drill and its f unction directly affects the quality of precision seeding.There are different demands to the different perfor mances，and its parameters are widely covered with.In order to carr y out the automatic monitoring system of precision drill，increase the seeding quality.Based on analyzing studies in do mestic and overseas，the monitoring system was designed.The system use grid laser Photosensor to collect the signal，employ the AT89C51 single chip as controller and use the 8259 A interr upt controller to expand the interr upt port，use 8155 chip to expand the I／O port.Displaying the quantity of seeding by display unit and use the pilot lamp and the buzzer to alert troubles and war n the driver stop and check them in ti me.The system has features such as si mple str ucture，low cost，high reliability and easy to install.So it is very significant to the develop ment of the high-efficiency agriculture.

precision seeder；single chip；monitoring system；auto matic control

S223.2

A

1007-7383（2011）04-0505-04

2011-05-21

齊向?qū)帲?986-），女，碩士研究生；專業(yè)方向?yàn)橹悄芑瘷z測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)；e-mail：qixiangning1111＠163.com。通訊作者：曹衛(wèi)彬（1957-），男，教授；從事農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測(cè)研究；e-mail：c wb_mac＠shzu.edu.cn。