李卓然

(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 羅定 527200)

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基于STM32微處理器的播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李卓然

(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 羅定 527200)

隨著我國(guó)信息化水平的不斷提高，機(jī)械自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和測(cè)試計(jì)量行業(yè)的不斷發(fā)展，使得智能控制被廣泛的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和高等研究等各個(gè)領(lǐng)域。為此，基于STM32微處理器設(shè)計(jì)和研發(fā)了播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32微處理器為核心，硬件部分主要包括信息采集、人機(jī)交互、智能控制、報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，主要作用是完成對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和控制功能；軟件部分主要包括速度信息、播種量信息、漏播判斷、開(kāi)溝器堵塞和種箱空檢測(cè)4個(gè)子程序。試驗(yàn)結(jié)果表明：所選用的TAP-40LS40N1-D3傳感器能夠精準(zhǔn)檢測(cè)到種子流、種箱排空、輸種管堵塞等信號(hào)；在一定干擾環(huán)境下，系統(tǒng)漏播報(bào)警的準(zhǔn)確率均在97%以上，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)工況故障精確采集功能，且該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，錯(cuò)誤率低，具有十分寬廣的應(yīng)用前景。

STM32；播種機(jī)；工況故障采集；傳感器

0 引言

“十二五”期間，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展步伐的加快，給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)較大的需求空間。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷增強(qiáng)，國(guó)家對(duì)農(nóng)村農(nóng)業(yè)的投入支持力度將不斷加大，20世紀(jì)以后，機(jī)械、電子等科學(xué)技術(shù)進(jìn)步及其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。播種是糧食種植生產(chǎn)的關(guān)鍵，播種的好壞直接關(guān)系到種子在田間的合理分布，而播種機(jī)的應(yīng)用能夠節(jié)省播種時(shí)間、提高工作效率、實(shí)現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。本文基于STM32微處理器設(shè)計(jì)和研發(fā)了播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)，以STM32微處理器為核心，集成信息采集、人機(jī)交互、智能控制、報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等多個(gè)模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)種子流、種箱排空、輸種管堵塞的檢測(cè)和判斷。

1 播種機(jī)系統(tǒng)功能與原理

播種機(jī)一般從穴粒數(shù)合格率、播種均勻度、粒距合格率、播深穩(wěn)定性及種子破損率等幾方面考慮評(píng)價(jià)其播種的性能。根據(jù)以上指標(biāo)，確定播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能有以下幾點(diǎn)：

1)排種故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)傳感器對(duì)播種機(jī)漏播、堵塞進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷與檢測(cè)，當(dāng)作業(yè)中發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)判斷出故障形式及故障所在位置，并采取相應(yīng)的措施。

2)播種參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)傳感器對(duì)株距、合格數(shù)、漏播數(shù)、作業(yè)面積、作業(yè)效率及前行速度等幾方面進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷與檢測(cè)。

3)速度采集。主要采集播種機(jī)在作業(yè)時(shí)的行進(jìn)速度。

4)智能報(bào)警裝置。機(jī)器在作用中發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，智能報(bào)警還能夠根據(jù)故障類(lèi)型確定發(fā)生的具體位置并在人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)控制系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖對(duì)排種器直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，保證播種均勻度和播深穩(wěn)定性。

6)漏播補(bǔ)償。當(dāng)檢測(cè)到漏播時(shí)，再次對(duì)該穴位進(jìn)行播種操作，避免后續(xù)農(nóng)民自己補(bǔ)種。

1.1 排種故障監(jiān)測(cè)

式中，δ為彌散圓的直徑，設(shè)f為透鏡的焦距，L為對(duì)焦距離，F(xiàn)為鏡頭拍攝的光圈數(shù)F=f/D,D是投影鏡頭光瞳的直徑.

播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)工作原理是利用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器各部件運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障，且能夠根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確判斷故障位置。該系統(tǒng)在使用過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)播種實(shí)際的株距小于0.5Xr時(shí)，則自動(dòng)判斷機(jī)器發(fā)生重播故障，并顯示該故障代碼并報(bào)警提示；當(dāng)發(fā)現(xiàn)播種實(shí)際的株距大于0.5Xr時(shí)，則自動(dòng)判斷機(jī)器發(fā)生漏播故障，并顯示相應(yīng)故障代碼并報(bào)警提示；當(dāng)開(kāi)溝器處的傳感器長(zhǎng)時(shí)間傳送信號(hào)給處理器，則表示播種通道發(fā)生堵塞。在裝載種子的箱子處也設(shè)有一傳感器，如果種子已經(jīng)播種完，則會(huì)產(chǎn)生種箱為空的信號(hào)，此時(shí)為種箱空故障。系統(tǒng)對(duì)漏播和重播的判別主要是結(jié)合機(jī)器前行速度和正常株距設(shè)定值及漏播和重播實(shí)際落種的時(shí)間差綜合計(jì)算的。播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)的檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

播種機(jī)在工作中，外槽輪隨著排種驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，玉米種子在重力作用下被槽輪帶著旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)入播種管道，種子在下落中經(jīng)過(guò)種箱，堵塞兩個(gè)檢測(cè)傳感器。在正常情況下，種子會(huì)按照一定的時(shí)間間隔依次經(jīng)過(guò)種子檢測(cè)傳感器，傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)轉(zhuǎn)化為T(mén)TL信號(hào)發(fā)送至處理器進(jìn)行累加計(jì)算。系統(tǒng)根據(jù)漏播時(shí)間差設(shè)定漏播判定值，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，若定時(shí)器沒(méi)有被初始化，處理器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溢出中斷，則判定播種系統(tǒng)發(fā)生漏播操作；當(dāng)連續(xù)3次出現(xiàn)漏播現(xiàn)象時(shí)，發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員注意。

種子在重力作用下，掉入開(kāi)溝器時(shí)，堵塞檢測(cè)傳感器也會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。當(dāng)有堵塞發(fā)生時(shí)，則一直產(chǎn)生脈沖信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)化為T(mén)TL信號(hào)發(fā)送至處理器進(jìn)行累加計(jì)算，同時(shí)調(diào)用堵塞中斷服務(wù)程序，發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員注意。

當(dāng)種箱中種子數(shù)量不足時(shí)，種箱檢測(cè)傳感器會(huì)產(chǎn)生一中斷信號(hào)，系統(tǒng)主程序會(huì)暫時(shí)中斷，去執(zhí)行空箱服務(wù)中斷程序，并進(jìn)行報(bào)警，提醒工作人員注意。

該播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)每一行都安裝了種流和堵塞兩種檢測(cè)傳感器，當(dāng)發(fā)生播種故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別故障類(lèi)型并判斷出故障點(diǎn)，且將故障信息以報(bào)警和屏幕顯示的方式提供給工作人員，以方便工作人員快速準(zhǔn)確地解決故障，提高播種工作效率。

1.2 人機(jī)交互界面

圖2 工況故障采集系統(tǒng)的人機(jī)交互界面

操作界面主要有開(kāi)關(guān)、電機(jī)、測(cè)速3個(gè)功能按鈕，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)機(jī)、電機(jī)啟動(dòng)和行進(jìn)速度測(cè)量?！伴_(kāi)關(guān)”是整個(gè)采集檢測(cè)的電源開(kāi)關(guān)；“電機(jī)”是對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)或者停止操作的按鈕；“測(cè)速”則是控制播種機(jī)測(cè)速傳感器的開(kāi)關(guān)。在人機(jī)交互界面有個(gè)4×4的鍵盤(pán)，數(shù)字“0～9”主要用于數(shù)據(jù)的輸入；“L”“R”“U和“D”則用來(lái)控制顯示屏光標(biāo)的上下左右移動(dòng)；“del”用來(lái)進(jìn)行刪除或者退格操作；“M”用來(lái)進(jìn)入主菜單以及其他特定的功能。液晶顯示屏上主要是指示播種作業(yè)中的機(jī)器和工作狀態(tài)，主要包括株距、合格數(shù)、漏播數(shù)、作業(yè)面積和行進(jìn)速度。當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)漏播、堵塞、空種問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)屏幕就是出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的故障標(biāo)識(shí)符和位置。

2 播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件總體方案

播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)重要部分之一，該系統(tǒng)硬件模塊主要包括：信息采集、人機(jī)交互、STM 32智能控制及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，這些模塊的主要作用是完成傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和控制等功能。工況故障采集系統(tǒng)硬件框架圖如圖3所示。

圖3 工況故障采集系統(tǒng)硬件框架圖

信息采集中的傳感器主要有種箱、種子、堵塞和轉(zhuǎn)速等4種檢測(cè)傳感器，功能是采集機(jī)器工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速狀況信息，并經(jīng)過(guò)STM 32核心處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理；4×4矩陣鍵盤(pán)主要用于菜單選擇、數(shù)據(jù)參數(shù)信息的輸入；STM 32控制系統(tǒng)是播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)的核心，主要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出相應(yīng)工作指令給各執(zhí)行器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)系統(tǒng)指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成播種操作，并在漏播發(fā)生時(shí)帶動(dòng)補(bǔ)播軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種操作；報(bào)警模塊采用蜂鳴器的形式提醒工人員采取措施；顯示模塊主要是顯示機(jī)器工作狀態(tài)和故障信息。

2.2 信息采集模塊

播種機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜而多變，如果僅僅是靠駕駛員來(lái)觀察播種狀況，往往費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，所以應(yīng)該給播種機(jī)裝上具有“自我”識(shí)別能力的系統(tǒng)，能夠?qū)ΣシN信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)。工況故障采集系統(tǒng)的重要部分是信息采集模塊，而信息采集的模塊的核心在于各類(lèi)傳感器，另外就是信號(hào)采集的處理與優(yōu)化電路。

本文研發(fā)和設(shè)計(jì)的工況故障采集系統(tǒng)與2BH-3播種機(jī)播種行相符合，共有3個(gè)播種行；每個(gè)播種行都裝配種子箱，并安裝空種、種子流、補(bǔ)種和堵塞傳感器。系統(tǒng)中共有整個(gè)系統(tǒng)12個(gè)傳感器，型號(hào)為T(mén)AP-40LS40N1-D3。傳感器信號(hào)采集處理電路圖4所示。

TAP-40LS40N1-D3傳感器輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后發(fā)送給STM32微處理器進(jìn)行處理，單片機(jī)可以接收的電壓信號(hào)?？辗N和堵塞兩種檢測(cè)傳感器電壓信號(hào)74LS21芯片相接，經(jīng)與門(mén)處理后再輸送至STM32中斷引腳0，堵塞電壓信號(hào)接至STM32中斷引腳1，種子流檢測(cè)傳感器電壓信號(hào)接至計(jì)數(shù)器74LS590進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3 播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有包括機(jī)器行進(jìn)速度處理，漏播、堵塞、種箱空識(shí)別，控制程序驅(qū)動(dòng)顯示模塊進(jìn)行顯示與報(bào)警，計(jì)算播種作業(yè)面積和識(shí)別鍵盤(pán)模塊輸入的信息等。工況故障采集系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)框如圖5所示。

圖4 傳感器信號(hào)采集處理電路

圖5 工況故障采集系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)框圖

STM32微處理器資源分配主要有：T0用來(lái)計(jì)算速度脈沖數(shù)；T1用于做10ms基準(zhǔn)時(shí)間發(fā)生器；INT0為種子箱空的外部中斷；INT1設(shè)定判斷堵塞定時(shí)器。

3.2 信息采集程序設(shè)計(jì)

信號(hào)采集系統(tǒng)部分的軟件設(shè)計(jì)主要包括速度信息、播種量信息、漏播判斷、開(kāi)溝器堵塞和種箱空檢測(cè)等4個(gè)方面的子程序。

1)速度信息采集子程序。本系統(tǒng)利用脈沖對(duì)機(jī)器行駛速度進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定1s為時(shí)間間隔，車(chē)輪轉(zhuǎn)1圈共產(chǎn)生16個(gè)脈沖。速度采集以播種排種輪的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，然后在進(jìn)行行駛速度及播種面積的計(jì)算，具體計(jì)算公式為

(1)

其中，C為脈沖數(shù)；N1為被測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)1周產(chǎn)生的脈沖數(shù)；D為被測(cè)目標(biāo)直徑。速度信息采集子程序流程如圖6所示。

圖6 速度信息采集子程序流程圖

2)漏播判斷子程序。漏播判斷子程序以種子流檢測(cè)傳感器采集信息為數(shù)據(jù)來(lái)源，當(dāng)在規(guī)定周期時(shí)間未采集到種子流數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，則自動(dòng)判定為漏播故障。漏播判斷子程序流程如圖7所示。

圖7 漏播判斷子程序流程圖

3)種箱空判斷子程序。當(dāng)種箱空時(shí)，種箱上的位置傳感器會(huì)向主程序發(fā)出INT0中斷申請(qǐng)，主程序響應(yīng)中斷后，種箱空標(biāo)志位被置位，其程序流程如圖8所示。

圖8 種箱空判斷子程序流程圖

4 試驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)的可行性和有效性，本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)漏播報(bào)警的準(zhǔn)確率及其穩(wěn)定性。在試驗(yàn)中，設(shè)定作業(yè)速度為6km/h左右，玉米種植株距為300mm，播種機(jī)安裝排種器為10孔輪式排種器，種床帶的速度為1.5m/s，每組試驗(yàn)落種500粒。試驗(yàn)因素水平如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表

圖9 系統(tǒng)正確判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)因素水平測(cè)試表明：在一定干擾環(huán)境下，系統(tǒng)漏播報(bào)警的準(zhǔn)確率均在97%以上，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)工況故障采集功能；且該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，錯(cuò)誤率低，可以有效節(jié)省播種環(huán)節(jié)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，具有十分寬廣的實(shí)際應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

1)基于STM32微處理器設(shè)計(jì)和研發(fā)了播種機(jī)工況故障采集系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32微處理器為核心，硬件部分主要包括信息采集、人機(jī)交互、STM 32智能控制以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊，主要作用是完成傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理和控制功能；軟件部分主要包括速度信息、播種量信息、漏播判斷、開(kāi)溝器堵塞和種箱空檢測(cè)4個(gè)子程序。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：所選用的TAP-40LS40N1-D3傳感器能夠精準(zhǔn)檢測(cè)到種子流、種箱排空、輸種管堵塞等信號(hào)；在一定干擾環(huán)境下，系統(tǒng)漏播報(bào)警的準(zhǔn)確率均在97%以上，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)工況故障采集功能，且該系統(tǒng)穩(wěn)定性高、錯(cuò)誤率低，具有十分寬廣的應(yīng)用前景。

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The Design of Seeder's Malfunction Collection System Based on STM32 Microprocessor

Li Zhuoran

(Department of Electronic Information， Luoding Polytechnic College, Luoding 527200,China)

Along with the constant improvement regarding the level of information in China as well as the continuous development of Mechanic automation,computer controlling system and measurement industry. The intelligence control has been applied extensively in agricultural production,industrial manufacturing, advanced study and the like.Consequently,the seeder's malfunction collection and processing system is designed and created on the basis of STM 32 microprocessor.With the STM32 serving as the fundamental part, the system's hardware primarily include information collection, interaction between users and machine, intelligence control, alarming, auto-compensation,motor drive and so forth, which perform functions such as collecting, analyzing, processing and controlling the data of sensor node.The software of the system chiefly incorporate four subroutines known as speed status,seeding rate, judgement of miss-seeding, the detection of opener's blocking and vacant seed case.The results of experiment indicate that the selected TAP-40LS40N1-D3 is able to detect the seed flow,vacant seed case as well as the blocking of seed tubes.The accuracy rate of miss-seeding alarm reaches more than 97% under certain interference environment, which achieves the precise malfunction collection of the seeder.Furthermore, the system possesses high stability with low error rate, which means a wide application prospect for it.

STM32; seeder; working condition of fault collection; sensor

2016-06-30

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2015-2017)

李卓然(1989-)，男，哈爾濱人，助教，碩士，(E-mail)714465653@qq.com。

S223.2;S24

A

1003-188X(2017)05-0215-06