曹學(xué)自 李軍偉 王培金 高松

摘 ?要： 針對(duì)目前機(jī)械式播種機(jī)性能的不足，設(shè)計(jì)一款智能精密播種機(jī)及其監(jiān)控系統(tǒng)?；谕侠瓩C(jī)整機(jī)控制器和精密播種機(jī)終端以及監(jiān)控系統(tǒng)組成的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整機(jī)運(yùn)行信息和播種機(jī)播種信息的共享與交互。設(shè)計(jì)精密播種機(jī)終端的硬件電路并進(jìn)行該系統(tǒng)控制算法的研究。設(shè)計(jì)開發(fā)的精密播種機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，使得拖拉機(jī)整機(jī)運(yùn)行信息以及播種機(jī)在進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)的各種信息得到及時(shí)顯示和監(jiān)控，提高播種機(jī)的工作效率以及整機(jī)智能化水平。

關(guān)鍵詞： 監(jiān)控系統(tǒng); 智能精密播種機(jī); 信息顯示; 硬件設(shè)計(jì); 終端設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)： TN948.64?34; S223.2; TP277 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0017?04

Design of intelligent precision seeder terminal and monitoring system

CAO Xuezi， LI Junwei， WANG Peijin， GAO Song

（School of Traffic & Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： In allusion to the performance?hungry problem existing in mechanical seeder， an intelligent precision seeder and its monitoring system are designed. The sharing and interaction of the whole tractor running information and the sowing information of the seeder are realized based on the CAN?bus communication network composed of the tractor complete machine controller， the precision seeder terminal and the monitoring system. The hardware circuit of the precision seeder terminal is designed and the control algorithm of the system is studied in this paper. The design and development of the precision seeder monitoring system can make the running information of the whole tractor and all kinds of information in the seeding operation process of the seeder displayed and monitored in time， which improves the working efficiency and the intelligence level of the seeder.

Keywords： monitoring system; intelligent precision seeder; ?information display; hardware design; terminal design; data processing

0 ?引 ?言

我國(guó)作為傳統(tǒng)的人口大國(guó)和農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展是我國(guó)糧食安全的根本保證，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1]。由于機(jī)械制造水平以及電子科技發(fā)展水平的限制，導(dǎo)致我國(guó)在農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)方面起步較晚，落后于發(fā)達(dá)國(guó)家[2]。傳統(tǒng)的拖拉機(jī)過于依靠人力，并且操作復(fù)雜，不僅使駕駛員勞動(dòng)負(fù)擔(dān)加大，而且效率也很低。隨著科技水平的發(fā)展以及人民生活水平的提高，智能拖拉機(jī)越來越成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流，這也就促使了智能播種機(jī)的產(chǎn)生。

智能播種機(jī)在播種作業(yè)時(shí)系統(tǒng)工作是全封閉的，人們無(wú)法觀測(cè)具體的作業(yè)狀況，所以就需要將播種機(jī)的實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)信息采集并顯示出來，供駕駛員了解并掌握播種時(shí)的關(guān)鍵信息以便及時(shí)進(jìn)行操控。

本文開發(fā)的智能播種機(jī)及其監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是：播種機(jī)在工作過程中，工作狀態(tài)依靠駕駛室內(nèi)終端顯示屏顯示，該顯示屏顯示的數(shù)據(jù)來源于與播種機(jī)控制器連接的傳感器和整機(jī)控制器（VCU）。播種機(jī)的傳感器主要提供播種機(jī)在播種過程中自身的狀態(tài)信息，整機(jī)控制器主要提供拖拉機(jī)整機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息。

1 ?播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成

播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由播種機(jī)終端控制器、顯示屏控制終端以及附加傳感器組成。播種終端需要的供電電壓為5 V，所以需要對(duì)12 V電源電壓進(jìn)行降壓處理，得到5 V穩(wěn)壓電源。該播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過顯示屏對(duì)播種面積、行駛速度、播種量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、PTO接合狀態(tài)、電瓶電壓、行駛方向以及漏播漏肥報(bào)警等信息進(jìn)行顯示處理。播種機(jī)的信息來源不僅來源于與自身連接的傳感器，還通過CAN總線接收VCU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過CAN總線將得到的數(shù)據(jù)發(fā)往顯示屏。具體播種機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 ?播種機(jī)終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?播種機(jī)終端硬件結(jié)構(gòu)

智能播種機(jī)終端核心為MC9S12XEP100單片機(jī)，單片機(jī)與周圍硬件電路配合，能夠讓該系統(tǒng)與外部進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，提高該監(jiān)控系統(tǒng)工作效率。播種機(jī)終端硬件框圖如圖2所示。

圖2 ?播種機(jī)終端硬件框圖

播種機(jī)對(duì)播種量及施肥狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集來源于傳感器，本文設(shè)計(jì)時(shí)選用激光傳感器作為檢測(cè)的傳感器，傳感器與單片機(jī)通過處理電路連接，可以根據(jù)采集到的波形對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果通過報(bào)警和燈光指示裝置電路反饋到報(bào)警裝置和燈光指示裝置。播種機(jī)需要的其他數(shù)據(jù)，如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等來源于VCU，播種機(jī)通過CAN總線與VCU通信來得到車輛在播種作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)信息。電源電路用于單片機(jī)的供電，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，中斷與定時(shí)系統(tǒng)用于對(duì)傳感器信號(hào)的處理。最后，播種機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)往顯示屏。

2.2 ?播種機(jī)終端硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 ?電源電路

在該監(jiān)控系統(tǒng)中，單片機(jī)需要的供電電壓為5 V，蓄電池電源提供12 V電壓，所以需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓給單片機(jī)供電。圖3為電源電路圖。電路左端為起始端，端口處連接一個(gè)整流二極管D9，可以阻擋電流中混雜的交流電。SM8S33AHE為瞬態(tài)抑制二極管D2，簡(jiǎn)稱TVS，它是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，可以吸收二極管兩極間的瞬態(tài)高能量，將兩極電壓箝穩(wěn)定在一個(gè)安全值，可以保護(hù)電路中的精密元器件[3]。電感L1和電容C9并聯(lián)成LC濾波電路，其作用是隔離負(fù)載與電源的噪聲。TPS5430是電壓轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電壓由R11和R12決定，本文將R11設(shè)計(jì)為10 kΩ，R12設(shè)計(jì)為3.24 kΩ，可以將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓輸出。

圖3 ?電源電路圖

2.2.2 ?CAN總線接口電路

圖4為CAN總線接口電路，包括CAN總線收發(fā)器（TLE6250G）以及CAN共模抑制器（ZJYS81）。在CAN_H和CAN_L與地之間并聯(lián)了一個(gè)47 pF的電容C64，可以過濾掉CAN總線上的高頻干擾信號(hào)，同時(shí)在CAN_H和CAN_L與地之間加了一個(gè)雙向瞬態(tài)抑制二極管D42，可以抑制總線上的瞬變電壓[4]。R63和R59構(gòu)成CAN總線的終端電阻。

圖4 ?CAN總線通信硬件接口電路

2.2.3 ?播種和施肥檢測(cè)傳感器與單片機(jī)接口電路

本文在設(shè)計(jì)時(shí)，采用激光傳感器對(duì)播種與施肥進(jìn)行檢測(cè)，電路圖如圖5所示。傳感器工作時(shí)，單片機(jī)通過in端輸出高電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，激光發(fā)射管D2發(fā)出光束;激光接收管D6收到激光發(fā)射管發(fā)出的激光后，三極管Q5導(dǎo)通，工作指示燈D5點(diǎn)亮，單片機(jī)通過out端采集到傳感器發(fā)出的電平信號(hào)，當(dāng)正常施肥或者播種時(shí)，種子或者肥料會(huì)阻擋激光發(fā)射管發(fā)出的光束并使單片機(jī)接收的電平信號(hào)產(chǎn)生變化[5]。

圖5 ?傳感器與單片機(jī)接口電路

3 ?數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

3.1 ?播種機(jī)播種量計(jì)算

本設(shè)計(jì)中，播種機(jī)的播種量由激光傳感器測(cè)量。激光傳感器能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，具有速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。播種機(jī)在播種時(shí)，種子通過激光傳感器會(huì)遮擋激光發(fā)射管發(fā)出的光束，激光傳感器向單片機(jī)輸出高電平。如果沒有種子經(jīng)過，那么傳感器輸出端向單片機(jī)輸出低電平。單片機(jī)接收到傳感器輸出的電平值，如果接收到高電平，就會(huì)觸發(fā)定時(shí)器輸入捕捉中斷，在中斷中設(shè)置一個(gè)變量，每次進(jìn)入中斷就會(huì)使變量的值累加，變量的值就是播種量，然后單片機(jī)再將播種量發(fā)送到顯示屏上顯示[7?8]。

3.2 ?播種機(jī)漏播及肥料堵塞報(bào)警處理

播種機(jī)在正常播種過程中，播種與施肥是同步的，并且都由激光傳感器檢測(cè)是否出現(xiàn)播種故障。當(dāng)正常播種時(shí)，播種機(jī)采集的傳感器的波形為規(guī)律的方波。單片機(jī)捕捉到方波上升沿觸發(fā)中斷時(shí)，通過CAN總線發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)文，點(diǎn)亮播種及施肥指示燈，當(dāng)單片機(jī)捕捉到方波下降沿時(shí)，讓播種和施肥指示燈熄滅，并且計(jì)時(shí)器對(duì)高電平時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。理論上指示燈光處于閃爍狀態(tài)，實(shí)際上由于波形變化頻率過快，使得燈光閃爍過快，人眼察覺不到燈光的閃爍，所以給人以指示燈常亮狀態(tài)的現(xiàn)象。

當(dāng)發(fā)生漏播或者肥料堵塞時(shí)，播種機(jī)在一段時(shí)間捕捉不到上升沿，使得單片機(jī)捕捉到的波形一直處于低電平狀態(tài)，同時(shí)，顯示屏操作界面收到播種機(jī)終端傳輸過來的報(bào)文數(shù)據(jù)讓播種指示燈和施肥指示燈熄滅，然后單片機(jī)定時(shí)器對(duì)傳感器信號(hào)處于低電平的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，如果這段時(shí)間內(nèi)播種機(jī)行駛距離大于1.5倍的株距，播種機(jī)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警功能，讓蜂鳴器報(bào)警[9?10]。報(bào)警檢測(cè)的判定關(guān)系式為：

式中：v為播種機(jī)行駛速度（單位：km/h）;t為播種機(jī)漏播或者肥料堵塞時(shí)單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間（單位：s）;h為當(dāng)前播種作業(yè)狀態(tài)下播種機(jī)設(shè)置的株距（單位：cm）。

3.3 ?播種面積計(jì)算

播種機(jī)在播種作業(yè)時(shí)，播種機(jī)的幅寬是固定的，所以播種機(jī)的播種面積與車速和播種時(shí)間有關(guān)，即播種面積為：

式中：s為播種面積（單位：m2）;v為播種機(jī)行駛速度（單位：km/h）;t為播種機(jī)工作時(shí)間（單位：s）;l為播種機(jī)幅寬（單位：m）。

4 ?監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的操作面板集多種功能于一體，配有電源（ON/OFF）、暫停以及鍵盤和其他操作按鈕。電源按鈕可以控制面板的開關(guān)，并且重復(fù)按下可以對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行切換。播種機(jī)在拐彎或者掉頭時(shí)可以按下暫停按鈕讓操作面板暫停工作。面板綠色區(qū)域可以對(duì)播種機(jī)正常作業(yè)過程中有關(guān)株距、行距、播種量、播種面積等信息進(jìn)行顯示。操作面板M鍵可以彈出菜單，利用方向鍵以及數(shù)字鍵進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，例如報(bào)警預(yù)定值、播種株距和播種行距等，DEL為刪除和退出鍵。

該面板左側(cè)設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示儀表、車輛行駛里程和行駛速度的指示窗口。播種機(jī)在進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，播種機(jī)終端可以提取VCU發(fā)送過來的報(bào)文數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛里程和車速進(jìn)行顯示。此外，還可以通過“前進(jìn)”指示燈和 “后退”指示燈以及“PTO”指示燈指示播種機(jī)的行駛方向以及PTO的接合狀態(tài)。界面上的“播種”指示燈和“施肥”指示燈用來顯示播種機(jī)播種和施肥時(shí)的工作狀態(tài)。該操作面板還有“報(bào)警”提示功能，當(dāng)發(fā)生種子漏播以及肥料堵塞時(shí)，操作面板的“播種”指示燈以及“施肥”指示燈會(huì)熄滅，同時(shí)右上角的蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警音量可以通過M鍵彈出菜單進(jìn)行設(shè)定。

圖6為終端顯示屏界面在運(yùn)行時(shí)顯示的播種機(jī)作業(yè)時(shí)的狀態(tài)信息。

首先按下ON/OFF按鈕啟動(dòng)操作界面，同時(shí)“電源”指示燈亮。播種機(jī)工作時(shí)，播種機(jī)終端將VCU發(fā)送過來的報(bào)文數(shù)據(jù)以及從傳感器接收的播種和施肥的信息通過CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)給顯示屏操作界面給予顯示。由報(bào)文數(shù)據(jù)可以得到此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 235 r/min，車輛行駛里程為824 547.13 m，行駛車速為21.5 km/h，并根據(jù)面積計(jì)算公式得到播種機(jī)在工作100 s時(shí)的播種面積為7 746.19 m2，播種量為3 021粒，同時(shí)點(diǎn)亮“播種”和“施肥”指示燈。播種機(jī)在工作狀態(tài)下，PTO接合，并且車輛向前行駛，顯示屏點(diǎn)亮“PTO”指示燈和“前進(jìn)”指示燈。播種機(jī)的行距與株距通過M按鈕彈出設(shè)置界面進(jìn)行設(shè)置，在播種過程中為一個(gè)定值。按下暫停按鈕后，顯示屏操作界面暫停工作，維持當(dāng)前界面的顯示狀態(tài)并且“暫停”指示燈亮。

圖6 ?操作面板運(yùn)行驗(yàn)證示意圖

由運(yùn)行結(jié)果可以看到，本文設(shè)計(jì)的人機(jī)界面能夠配合CAN網(wǎng)絡(luò)將需要的數(shù)據(jù)完美顯示，使得駕駛員能夠及時(shí)掌握播種機(jī)的實(shí)時(shí)信息，本文對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能精密播種機(jī)終端及監(jiān)控系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械式播種機(jī)的不足，使得播種機(jī)作業(yè)時(shí)的信息能夠及時(shí)捕捉并進(jìn)行監(jiān)控。播種機(jī)在進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)信息通過構(gòu)建的拖拉機(jī)整機(jī)控制器、播種機(jī)終端以及監(jiān)控系統(tǒng)間的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。以CAN總線為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息傳輸模式更加具有實(shí)時(shí)性，抗干擾能力更強(qiáng)，保證了播種機(jī)在進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)信息的實(shí)時(shí)性與有效性。播種機(jī)終端以及監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)模塊電路相互配合，再加上以CAN總線為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息傳輸模式使得整個(gè)播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)效率更高，功能更加全面，駕駛員能夠全面掌握播種機(jī)的實(shí)時(shí)信息，讓人機(jī)交互更加完善，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械式播種機(jī)性能的局限。

注：本文通訊作者為李軍偉。

參考文獻(xiàn)

[1] 王培金，李軍偉，孫輝安，等.基于S12XDP512雙核微處理器的拖拉機(jī)整機(jī)控制器CAN節(jié)點(diǎn)開發(fā)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2018（4）：63?67.

WANG Peijin， LI Junwei， SUN Huian， et al. CAN node development of tractor whole controller based on S12XDP512 dual?core MCU [J]. Journal of Chinese agricultural mechanization， 2018（4）： 63?67.

[2] 黃河，曾欣.基于單片機(jī)的玉米智能播種機(jī)設(shè)計(jì)和研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（5）：201?204.

HUANG He， ZENG Xin. Design and research of corn intelligent planter based on single chip microcomputer [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2018， 40（5）： 201?204.

[3] 崔保春，王立鵬，文迪，等.一種基于TVS管的車載逆變電源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（2）：95?98.

CUI Baochun， WANG Lipeng， WEN Di， et al. Design of a vehicle?mounted inversive power supply based on TVS diode [J]. Modern electronics technique， 2018， 41（2）： 95?98.

[4] 時(shí)旭，付成偉.基于FPGA的CAN總線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（22）：59?61.

SHI Xu， FU Chengwei. Design of FPGA?based CAN bus communication system [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（22）： 59?61.

[5] 趙新麗，韓亞輝.基于激光傳感器的高精度電子信號(hào)控制器設(shè)計(jì)[J].激光雜志，2017，38（3）：150?154.

ZHAO Xinli， HAN Yahui. Design of high precision electronic signal controller based on laser sensor [J]. Laser journal， 2017， 38（3）： 150?154.

[6] 孟鵬祥，耿端陽(yáng)，李玉環(huán)，等.基于單片機(jī)與DGUS顯示的精密播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（2）：171?175.

MENG Pengxiang， GENG Duanyang， LI Yuhuan， et al. Research on the monitoring system of the precision seeder based on single chip microcomputer and display DGUS [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2017， 39（2）： 171?175.

[7] 戈天劍，趙斌，衣淑娟，等.精密播種機(jī)播種計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（12）：96?100.

GE Tianjian， ZHAO Bin， YI Shujuan， et al. Research on precision seeder seeding measurement and monitoring system [J]. Journal of agricultural mechanization research， 2016， 38（12）： 96?100.

[8] 孫麗萍.免耕播種機(jī)播種量自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2016（6）：114?118.

SUN Liping. Design of no?till seeder sowing rates automatic control system hardware [J]. Agricultural machinery， 2016（6）： 114?118.

[9] 尹慶勇，李鴻強(qiáng).基于單片機(jī)的精密播種機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，15（1）：33?35.

YIN Qingyong， LI Hongqiang. A study on intelligent monitoring system of the precision seeder based on single?chip microcomputer [J]. Journal of Langfang Normal University （Natural science）， 2015， 15（1）： 33?35.

[10] 段婷，趙春花.苜蓿播種機(jī)漏播報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].南陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，10（2）：49?52.

DUAN Ting， ZHAO Chunhua. Design and research of miss?seeding alarm system for alfalfa seeder [J]. Journal of Nanyakn Institute of Technology， 2018， 10（2）： 49?52.