高云　宋東方

摘要：為了提高精密播種的質(zhì)量，以C8051F系列單片機為主要核心部分，利用光電傳感器檢測播種機的行徑速度，并將速度傳送給單片機，單片機通過計算和分析來調(diào)節(jié)步進電機的轉速，確保種子剛好落入種穴中。結果表明，YZPB-200B裝盤播種機的空穴率低于2.4%，每穴1粒率達到89%，符合煙草種植的農(nóng)藝要求，所以該設計對滿足播種機播種裝置的一穴一種的要求。

關鍵詞：播種機；單片機；光電傳感器；步進電機

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1551-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.048

目前，中國煙草種植多采用包衣種子進行育苗，包衣種子的精密播種直接影響煙苗的后期生長，播種機的播種質(zhì)量是評定播種機性能的主要標準。播種機在進行作業(yè)時采用全封閉形式，無法直觀地觀察播種情況，容易造成漏播和多播的情況。目前中國多使用氣吸式播種機，此播種機精度高，但結構復雜，容易堵塞氣孔。針對這一問題，本研究設計了YZPB-200B裝盤播種機，該播種機的播種裝置由步進電機驅(qū)動，傳感器監(jiān)測播種機的前進速度，單片機系統(tǒng)通過采集傳感器的數(shù)據(jù)進行分析而控制步進電機的速度，再通過步進電機控制播種機的播種裝置進行播種，實現(xiàn)精密播種的過程，保證每個包衣種子都能夠精確地落入種穴的中央；最后通過輔基裝置在苗盤上覆蓋一層均勻的土壤，確保煙苗的發(fā)芽率。

1 系統(tǒng)總體設計思路

本研究設計系統(tǒng)由2個單片機、光電測速傳感器、步進電機、報警裝置、實時時鐘組成（圖1）。主單片機是根據(jù)對傳感器的測量結果來控制步進電機的速度；從單片機主要是顯示數(shù)據(jù)、報警和實時時鐘。2個單片機之間通過RS485通信線進行連接。單片機通過對播種機前進速度和步進電機的轉速進行實時監(jiān)測，如果出現(xiàn)漏種和多種現(xiàn)象就會發(fā)出報警信號，并通過LCD顯示裝置顯示漏種率。

2 步進電機

步進電機是將電脈沖信號變換為直線和角位移的執(zhí)行部件，必須通過步進電機驅(qū)動器連到直流電源上。該播種機使用芯片L297/L298構成步進驅(qū)動器，芯片L297可以產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，構成四線電機的高速度模式。步進電機驅(qū)動器的核心部分是譯碼器，譯碼器主要進行模式控制、方向控制和步進式時鐘，芯片L298接受TTL邏輯電平信號以及驅(qū)動負載。步進電機驅(qū)動器原理如圖2所示，芯片L297是步進電機控制器，主要用于四相步進電機驅(qū)動，該芯片可以通過達林頓管驅(qū)動容量更大的步進電機，內(nèi)部只需要方向信號與模式信號，減弱了單片機程序設計的復雜性。芯片L298主要是用來對步進電機的集成電路進行驅(qū)動，使用全橋方式進行驅(qū)動，由于該驅(qū)動方式是雙極性的，全部使用步進電機的內(nèi)部定子繞組線圈，這樣可以發(fā)揮步進電機的最大優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 單片機系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)選擇C8051F系列的單片機，可以兼容指令集，在數(shù)據(jù)采集等方面要優(yōu)于8位單片機，C8051F系列的單片機由于自帶USB的處理器，可以直接對USB進行設計。主單片機原理如圖3所示。該系列單片機推出CIP-51的CPU運行模式，在很大程度上提高了指令的運行速度，將8位單片機推入一個高速時代。該系統(tǒng)中主單片機主要是完成傳感器和步進電機之間的數(shù)據(jù)傳輸，采集光電傳感器的測量數(shù)據(jù)，通過單片機分析計算來控制步進電機控制播種機的速度，分析并計算出播種機的工作情況，最后把結果送入從單片機中。

3.2 傳感器系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)播種機的行徑速度使用光電轉速傳感器，主要組成部分是信號處理電路、光電元件以及光電碼盤。光電轉速傳感器的工作原理是當光通過發(fā)光二極管照射到光敏三極管上時，光敏三極管中有光電流產(chǎn)生，光敏三極管導通，這時會生產(chǎn)一個脈沖信號，表示光電碼盤每轉過一個角度就會產(chǎn)生相應的脈沖數(shù)。車速決定脈沖頻率，如果此時車速是50 km/h，儀表驅(qū)動軸轉速時600 r/min，那么光電碼盤每轉一圈輸出20個脈沖。光電傳感器測量精度高，結構相對簡單，在實際應用中經(jīng)常應用在非接觸式測速場合。

3.3 顯示電路設計

顯示電路采用LCD液晶顯示，LCD液晶顯示具有耗電省、集成度高、抗干擾性能好等優(yōu)點，廣泛應用于各類智能控制系統(tǒng)中和各類電子產(chǎn)品中。LCD液晶顯示模塊由三部分組成，分別是液晶顯示器、驅(qū)動器以及控制器，需要根據(jù)播種機對系統(tǒng)的要求，顯示漏播率、播種量等數(shù)據(jù)，其硬件電路如圖4所示。

3.4 電源電路設計

電源電路是整個系統(tǒng)重要的組成部分，電源電路功率的大小和性能是決定整個控制系統(tǒng)安全性和可靠性的重要指標。為了保證電源電壓的穩(wěn)定性，硬件電路如圖5所示，將播種機電瓶輸出的12 V電壓通過轉換電路轉變成5 V穩(wěn)定電壓輸出。

3.5 外部時鐘電路設計

外部時鐘硬件電路如圖6所示，芯片DS1302不僅可以對電路提供時鐘信號，還可以將數(shù)據(jù)儲存于隨機存儲器中，在自動控制系統(tǒng)中應用廣泛。芯片DS1302的SCLK、RST、I/O端口與CPU通信，保持同步通信，也可以采取一次傳送多個隨機存儲器數(shù)據(jù)和時鐘數(shù)據(jù)。

3.6 報警電路設計

報警電路時用聲光報警電路，硬件電路如圖7所示。聲光報警電路具有結構簡單、成本較低、安裝方便等特點。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

播種機的煙種選擇包衣種子，種子個數(shù)為100個，平均直徑為2 mm。試驗地塊的選擇及試驗機的要求：①試驗煙田土質(zhì)應具有一定的代表性，有沙壤土、黏土、兩合土，煙田起埂長度不小于100 m，煙埂尺寸滿足煙草農(nóng)藝的要求。②試驗機具技術狀態(tài)良好，操作人員應具有一定的操作技術基礎，并能按使用說明書的規(guī)定進行調(diào)整使用和保養(yǎng)。試驗過程中不得隨意停車和更換操作人員。③試驗過程中不準因換人而更換機具。

對樣機進行了技術參數(shù)測定，測試播種率監(jiān)測軟件的模塊，每組都選用100粒煙苗包衣種子，對實際播種量分析得出播種監(jiān)測程序的精確度，試驗結果如表1所示。由表1可以看出，該電容傳感器對播種裝置的檢測符合農(nóng)藝要求，合格率方面的檢測的平均值可以達到89%，漏播率小，減少重播的次數(shù)，因此該系統(tǒng)能夠比較準確實現(xiàn)一穴一種的效果，達到煙農(nóng)的要求。

5 小結

播種機精密播種是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)技術領域的新方向，可以在不同農(nóng)田按需播種，提高農(nóng)作物的后期生長情況。該系統(tǒng)通過在不同的農(nóng)田進行試驗分析和改進，達到煙農(nóng)的預期目標，符合農(nóng)藝要求，但有些方面還有待提高。如下面兩點：

1）光電傳感器的采集信號的實時性還有待于提高，單片機收集信號以及控制步進電機數(shù)據(jù)的準確性有待于提高，在電路設計中應考慮抗干擾技術和電磁兼容技術。

2）步進電機的輸入電壓是30 V，播種機的電瓶電壓是12 V，所以在設計電路時需要進一步改進外部電路，充分實現(xiàn)農(nóng)機的自動化控制。

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