玉米播种机排种器监测系统研究

播种机排种器监测系统研究摘要：设计一种应用于播种机的无线监测装置，本系统采用89c52单片机作为主控芯片，结合NRF24L01无线传输模块，对播种过程中种子的重播、漏播以及排种箱内种子过少进行声光报警，并通过LCD显示屏对种子的排种量、播种面积等参数进行即时显示，及时了解播种的精度，提高播种的准确性。关键词排种器性能；单片机；检测；0引言播种是农业生产的重要环节，在农业机械迅速发展的今天，准确检测排种器性能，对播种过程中排种情况进行实时检测具有重要意义。现阶段的播种机械实现不了对其性能的时时检测，当播种过程中出现机械传动故障、种箱排空、导种管堵塞、开沟器堵塞等故障均会导致一行或数行下排种管不能正常播种，由于不能直观的显示播种机的工作状况，未能及时的发现问题并进行解决，这样就产生大面积的漏播现象,严重的影响了作物的产量。目前所研究的播种机监测系统大多是应用机电产品实现对排种器性能的监测，大部分侧重于种子的漏播、重播现象进行的警报，有一定的局限性。为此，笔者开发了一套针对播种机排种性能的智能监测系统，可以全面的监测播种机的各项指标，通过显示屏实现各项指标的即时输出。1系统整体方案本套装置以89c52作为主控芯片，对所传输的信号进行分析及显示，通过NRF24L01无线传输模块实现对数据的无线传输，如原理图1所示，系统包括：传感器模块，无线传输模块，主控单元，显示模块和报警模块等。原理图12.主要功能及原理2.1种子排种量监测当播种机正常工作时，种子通过在排种器处安装的红外线传感器，红外传感器发出红外光束，当有种子通过时产生阻挡，产生电信号，接收管返回高电平值，当没有种子经过时，返回值为低电平，单片机经过比较电平值的高低就可以判断是否有种子通过，当有种子通过时，通过自身的计数器对其进行计数；当没有种子通过时，判断检测时间是否超过或少于预定的时间进行报警。2.2播种间距及漏播、重播警报在播种机的地轮处安装转速传感器，通过换算测的播种机前进的速度，通过单片机编程实现播种速度与种子下落间隔的时间的乘积得出精准的株距L，当株距L1.5L时进行漏播警报，当株距L0.5L时开启重播警报，当长时间检测不到种子下落，则进行种箱种子过少警报。2.3播种面积根据转速传感器测的播种机播种过程中转动的圈数N，这样根据公式可知：L=NπD,其中L为播种机前进的距离单位为米（m），N为播种机转动的圈数，πD为播种机的地轮的周长，单位为米（m）。通过在显示屏实现播种机的宽度的参数的输入，将两个距离进行乘积就得了播种机在所求时间内的播种面积。2.4排种速度排种速度是测量排种均匀性和播种均匀性的一个重要的指标，一般播种机使用地轮驱动排种器，就不能避免因地轮阻力大，打滑所造成的播种不均匀现象，故本系统采用电机驱动排种器，保证了排种器转速与播种机作业速度的一致。由前面所得到的排种量，即可得到排种速度，即为单位时间内落下的种子数。2.5滑移率测量播种机在田间工作中，传动轮运转时，相对地面的滑移程度即需要测定的滑移率。滑移率的公式为δ=S−2πRn2πRn×100，其中δ为滑移率，单位为百分率（%）；S为传动轮走过的实际距离，单位为米（m）；R为传动轮半径（刚性轮测轮子的外援，不计轮缘外凸出物；橡胶轮测量轮胎承载后的静半径），单位为米（m）；n为传动轮在路程S内的转数。根据以上公式可知，由转速传感器可测的轮子转动的圈数n，求播种面积时得到的L即为所需要求得的播种机走的实际路程S，带入公式得到滑移率的数值。3.硬件设计系统的硬件是整个监测装置的基础，主要实现对信号的采集、传输以及显示功能。本监测装置主要由传感器电路、无线收发电路、警报电路和显示电路等部分组成。传感器电路实现监测指标的信号采集，将采集得到的信号进行放大、整形以及转换后传给主控单元进行分析，提高信号的准确性；无线收发电路实现信号的无线传输，减少布线，降低线路复杂所导致的故障；警报电路是对当前产生的漏播、重播等故障进行即时的播报，考虑到作业情况的恶劣，采用声音和屏幕闪烁等双层警报；显示电路则是对所需监测的指标进行即时的显示，使操作者能直观的得到播种机在工作过程中各项指标的动态变化，方便及时的发现故障，并对其进行排除。3.1传感器电路传感器种类繁多，按不同的方法有不同的分类，本系统采用红外光电传感器，它能将种子下落的信号转换为电脉冲信号，经放大整形分别接入单片机计数输入端（T0）定时中断口和INT0端外部中断口，由c8051f020完成信号的采集工作。计算两种子的下落的时间间隔∆t，可通过记录两脉冲信号的基准脉冲数n来实现。本系统采用12M晶振，可得基准脉冲周期为t0=1μs，则∆t=t0×n。对计数器采用异步清零，并立即开始对下一个时间间隔计数，以提高系统的检测精度。由此得到相邻两种子的株距L=υ×∆t，其中υ为播种机前进的速度，可由霍尔转速传感器测得。播种机的作业环境很恶劣，传感器在使用中的抗尘性差，本传感器模块为了改善抗尘性能，对信号放大器进行了选择比较，采用输入阻抗比较高的电压比较器进行放大，可以使抗尘性能明显提高。3.2无线收发电路本系统的无线收发电路采用nRF24L01无线模块，nRF24L01芯片是一款新型的单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01无线模块由两部分组成，一部分为发射模块，当需要发射数据时，单片机先把带发送的数据写入TX_PLD寄存器，将接收方的接收通道地址写入TX_ADDR,并把CE引脚置高电平约10μs，即可发送数据；另一部分为接收模块，nRF24L01的接收和发送状态是通过CONFIG寄存器的第0位来切换的。当nRF24L01处于接收状态时，它会一直监听空中的无线电波。如果是有同频信号，就收下来，打开信息包提取发射地址。如果发射地址与自己的接收通道地址相同，就取出信息包里面的有效数据，IRQ引脚变化为低电平，通知单片机接收到有效数据。单片机检测到IRQ引脚电平变化，向nRF24L01写入控制命令R＿RX＿PAYLOAD(0x61)，以读取有效数据。3.3警报电路当出现漏播或重播等现象时，警报装置启动，蜂鸣器发出连续的声响。考虑到播种机在播种过程中环境吵杂，单纯依靠声音报警，可能被操作员忽视，所以本装置在采用上述警报的同时，还增添显示屏自带闪烁功能，通过显示屏不断的显示警报字样来提醒操作员产生警报。3.4显示电路本装置的显示装置选用北京迪文有限公司生产的迪文DMG80600C080_01W型号触摸显示屏。本显示装置采用M600内核，功能强大，线路简单，与单片机连接电路只需要连接三条数据线即可实现数据的传输与显示功能；其内部自带串口电平转换电路，采用RS232接口，当需要远距离传输时，提高了系统的抗干扰性能。显示屏系统自带软件操作指令，其输出终端是基于图形界面操作，图形界面开发与软硬件开发同时进行，大大的缩短软件及硬件的开发周期，节约时间。4.软件设计本系统均采用C语言进行编程设计，C语言较汇编语言更易操作，并且可移植性强，具有很强的可扩展性和灵活性，并且可读性和维护性强，C语言支持程序的模块化处理，这样就大大的降低了内存的占用率。整个软件程序均采用模块化设计，主要由主程序、中断服务子程序组成。主程序完成定时/计数器初始化、检测漏播重播时间和数据的处理、分析、显示处理功能。中断子程序主要用来显示排种量，播种面积，排种速度的分析处理，最终完成显示及警报功能。5.结束语笔者研制的监测电路以单片机电路为主体，电路设计简单合理，体积小，成本低，工作可靠性高，大大降低了劳动者的劳动强度，操作简单，易于推广，同时系统初试表明，所设计检测电路报警时间精确，智能化程度高。