張亞芳　許光彬

摘要：通過對玉米播種機的實際生產(chǎn)過程進行研究，發(fā)現(xiàn)玉米播種機在播種過程中會出現(xiàn)漏種以及卡機的現(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行播種量檢測和及時補種，開發(fā)了基于單片機的玉米補種系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(tài)和玉米播種狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)異常后通過步進電機驅(qū)動器電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)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(chǎn)效率。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性能滿足設(shè)計需求。

關(guān)鍵詞：補種，單片機，自動化

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)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(fā)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(xué)技術(shù)的進步，精密播種成為當(dāng)前玉米播種技術(shù)的主要方式，實現(xiàn)了對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。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(shù)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(jiān)控技術(shù)進行研發(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(yōu)點，但是實際播種過程中容易造成實際播量與最優(yōu)播量的誤差，主要原因是播量分布不均勻、漏播的現(xiàn)象，從而對產(chǎn)量造成影響^[2]。目前，國內(nèi)外對漏播補償進行相關(guān)研究并研制了精密播種機排種器自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對精密播種機的漏播情況進行報警、計數(shù)等方面的監(jiān)控^[3]，但只能對漏播、少播實現(xiàn)監(jiān)控，整機不能解決其他因素（例如：地況）及時協(xié)同其他機構(gòu)進行有效補償。該設(shè)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(xué)科知識，結(jié)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(shù)開關(guān)傳感器，實時采集車輛行駛的速度。然后在玉米下料導(dǎo)軌槽上增加紅外計數(shù)檢測開關(guān)，用來判斷檢測時間點是否有玉米粒通過，在發(fā)現(xiàn)異常后通過步進電機驅(qū)動器電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一格補種槽的角度，進行玉米的補種^[4]。實現(xiàn)在玉米播種機出現(xiàn)異?；蛭春侠聿シN的情況下進行有效檢測，并進行補種的操作。該設(shè)計的玉米補種系統(tǒng)，能夠有效地提高玉米播種質(zhì)量，減少不必要的人工補種成本，并且系統(tǒng)采用商業(yè)化的51單片機系統(tǒng)，價格低廉，具有很高的實際應(yīng)用價值^[5]。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于單片機的玉米補種系統(tǒng)包括前端采集傳感器電路、數(shù)據(jù)控制處理系統(tǒng)和動作執(zhí)行電機系統(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責(zé)采集車輛的行進速度和玉米的播種個數(shù)，行進速度用來判斷單位播種長度內(nèi)是否進行了正常的播種。玉米播種個數(shù)檢測用來判斷播種的數(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行補種。傳感器的整體穩(wěn)定性與采集的準(zhǔn)確性在整個系統(tǒng)中至關(guān)重要，所以在車輛行駛速度的采集上，該設(shè)計放棄了結(jié)構(gòu)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(dǎo)致誤檢測，進而選擇了穩(wěn)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(shù)采用紅外光電檢測開關(guān)，這種檢測傳感器結(jié)構(gòu)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(yè)過程中，如果檢測到有種子下落，紅外傳感器的發(fā)射器發(fā)出紅外光束會受到種子的遮擋導(dǎo)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(fā)射器發(fā)出的紅外光束，轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)絾纹瑱C的捕獲、比較端口，從而實現(xiàn)了播種狀態(tài)的檢測。單片機計數(shù)器通過統(tǒng)計端口捕獲次數(shù)進行計數(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(tài)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(fā)現(xiàn)異常后單片機控制核心對這些異常狀態(tài)進行有效處理，通過步進電機驅(qū)動器電路驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一格補種槽的角度，進行玉米的補種，在單片機軟件開發(fā)中基于一定的數(shù)學(xué)模型計算算法，對于漏種進行補償，對于異常情況下的堵轉(zhuǎn)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(zhí)行電機系統(tǒng)。補種機構(gòu)及驅(qū)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(xiàn)象，單片機根據(jù)補種過程各動作時間關(guān)系，適時驅(qū)動補種電機將待補的種子排出，實現(xiàn)自動補種?？紤]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(zhuǎn)動角度，進而控制補種輪轉(zhuǎn)動的角度，玉米粒在轉(zhuǎn)動輪上是等距離分布的，轉(zhuǎn)動的角度直接控制了補種的玉米的個數(shù)多少^[9]，因此可以精確控制補種系統(tǒng)排種裝置的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。補種電機轉(zhuǎn)速可以根據(jù)播種機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)分級控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1單片機核心電路設(shè)計

單片機最小系統(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(shù)據(jù)位來進行數(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)控制引腳進行數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸?shù)絻?nèi)部的控制器，驅(qū)動點陣進行實時的掃描顯示。

2.2電源電路設(shè)計

該設(shè)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(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，負載響應(yīng)快，輸出紋波小等優(yōu)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(zhuǎn)直流電壓，目前多指開關(guān)電源，其優(yōu)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(yīng)用中選擇DC-DC電路作為電源電路，其電路設(shè)計如圖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光電對射傳感器電路設(shè)計

光電傳感器電路設(shè)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(yīng)對開啟關(guān)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(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)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(nèi)部的PN結(jié)導(dǎo)通，配合使用光刪，可以完成更加準(zhǔn)確的計數(shù)功能。發(fā)光二極管電路中通過1KΩ的電阻進行限流，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(shù)采集?？紤]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(shè)計

步進電機電路設(shè)計如圖5所示，驅(qū)動電路采用四個光耦形成通訊隔離，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，隔離驅(qū)動回路將干擾源引入控制系統(tǒng)。大電流驅(qū)動器采用IGBT搭建正反向電流驅(qū)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(tǒng)，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(chǎn)生0.7 N.m的扭矩，符合轉(zhuǎn)動補種輪盤的需求。當(dāng)單片機控制引腳輸入1，0，0，0時，U7導(dǎo)通，進而Q4關(guān)閉，Q5導(dǎo)通，與Q4和Q5連接的步進電機引腳為低電平；同理U10關(guān)閉，Q3導(dǎo)通，Q6關(guān)閉，與Q3和Q6連接的步進電機引腳為高電平，以此類推，實現(xiàn)弱電信號控制強電動作，進而實現(xiàn)步進電機的工作。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

玉米補種系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計思路是，首先通過車輪檢測設(shè)備檢測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，經(jīng)過0.5s對播種玉米數(shù)進行檢測并記錄，如果檢測到?jīng)]有玉米進行播種，記錄漏播種子數(shù)，在程序設(shè)計中設(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)檢測到玉米補種標(biāo)志位的數(shù)值≥3的時候，則認為玉米播種機出現(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(xiàn)通道堵塞或者輪盤卡死等嚴重現(xiàn)象，這時會將漏種標(biāo)志位清零，重新開始統(tǒng)計。在單片機數(shù)據(jù)端采用外部中斷的形式進行車輪轉(zhuǎn)速和玉米計數(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、補種數(shù)量、當(dāng)前狀態(tài)和時鐘，方便人機交互，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

3.2.1主程序代碼部分 結(jié)合玉米補種系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計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(zhí)行效率，然后對顯示屏的對比度、顯示樣式等參數(shù)進行初始設(shè)置，設(shè)置完成后就可以將對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)寫入到顯示寄存器中，進行數(shù)據(jù)的實時顯示^[8]。寫入數(shù)據(jù)包含橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和顯示數(shù)組三個參數(shù)。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(yè)控制中，具有現(xiàn)在彩屏所無法比擬的性價比^[9]。

3.2.2步進電機程序設(shè)計 該設(shè)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(huán)周期產(chǎn)生六個有規(guī)律的脈沖，具體程序設(shè)計如圖8所示。

4系統(tǒng)仿真與測試

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(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， 步進電機驅(qū)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(tǒng)測試

基于單片機的玉米補種系統(tǒng)已經(jīng)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(guān)，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(shù)。斷開脈沖信號源開關(guān)，模擬漏播情況，當(dāng)發(fā)生漏播時，驅(qū)動電機電機進行補種，當(dāng)連續(xù)漏播粒數(shù)達到3?；?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(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(jié)語

文章設(shè)計的基于單片機的玉米補種系統(tǒng)，采用先進的單片機控制系統(tǒng)控制核心，可以實現(xiàn)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(tài)進行有效的處理，并基于一定的數(shù)學(xué)模型計算算法，對于漏種進行補償，對于異常情況下的堵轉(zhuǎn)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(shè)計時考慮到了系統(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電機，并搭配有人機交互顯示屏，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)價值。

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（責(zé)任編輯 寧樊西）