1、东北农业大学学士学位论文 学号：A07060355播种机测种测肥装置的设计学生姓名：刘佳男指导教师：欧阳斌林所在院系：工程学院电气工程系所学专业：农业电气化与自动化研究方向：地方电力系统自动化东 北 农 业 大 学中国哈尔滨2011 年 5 月播种机测种测肥的设计IB.A. Degree Dissertation Northeast Agricultural University No. A07060355The design of measuring seeds and fertilizerof the seederStudent: Liu JiananSupervisor: OuYang
2、BinlinDepartment: College of EngineeringElectrical EngineeringSpecialty: Agricultural Electrization and AutomatizationDirection: Local Power System AutomationNortheast Agricultural UniversityHarbinChinaMay,2011播种机测种测肥的设计I摘要本设计主要解决的问题是精确播种机播种数量及土壤测肥，准确的控制播种速度，和控制土壤肥度，使之达到预定的要求。本设计制作了一种智播种数量测控系统。该系统采用
3、 PC 机作为主机，以AT89C51 单片机作为智能节点控制器，构成一个分布式的主从局域控制网。本系统采用精度比较高的红外线光电传感器实现对播种数量的测量，用永磁电机拖动、控制播种数量，实现播种数量的自动调节，使播种变得更加方便和精确。 经实践证明，该系统测量误差小，性能稳定，结构合理，适合在实际应用中推广。关键词：数量检测；自动调节；播种监控；串行通信；红外线光电传感器。播种机测种测肥的设计IIAbstractThe problem that main solution of this design is accurate to monitor the drops speed, and, o
4、n time the drop of accurate adjustment point is flat-out, and make it attain the pre-arranged request, be liquid height in the bottle to attain 2 3 cm, can immediately report to the police, remind the medical personnel change the medicine or pull out the pinhead in the time.This design manufactured
5、an intelligent speed control system for transfusion. The equipment use PC by way of host computer, AT89C51 micro-controller by way of node controller, composes a distributed local control network. The system could detect the drops and the location of liquid through the transfer line with accurate in
6、frared optic-electric detects. Control the height of bottle with an synchronous electromotor, realization transfusion speed automatic adjustment, made transfusion become more convenient and safety.It was measured by fulfillment proof that the error margin of the system is small, function stability,
7、the construction is reasonable, suit at physically applied inside expansion.Keyword: Speed measuring, Automatic adjustment, Transfusion control, Serial communication, infrared optic-electric detects technique. 播种机测种测肥的设计I目录摘 要 .IAbstract II1 前言 1 1.1 研究的目的和意义 11.2 国内外播种机及其测种测肥研究动态 11.3 设计研究的主要内容 .2
8、1.4 设计研究的预期效果 22 系统设计 .32.1 总体设计 32.1.1 系统框图 .32.1.2 模块说明 .32.2 各模块设计原理 .42.2.1 光电传感器及整形电路 4 2.2.2 报警电路 .52.2.3 键盘控制与显示 5 2.2.4 RS-232C 72.2.5 80C51 单片机的引脚功能 .8 3 软件设计 .113.1 上位机软件 113.2 下位机软件 114 播种排种器 .134.1 排种器的技术要求 .13 4.2 测种传感器 .13 4.2.1 工作原理 14 4.2.2 控制装置硬件设计 14 4.2.3 数据输入部分 .144.2.4 单片机最小应用系统
9、 .154.2.5 电机控制模块 .154.2.6 人机接口模块 15 4.2.7 试验仪器与方法 15 4.2.8 试验结果 16 5 理论计算与分析 17 5.1 施密特触发器 .17 5.2 单片机计算种子数量的方法 175.3 排肥器的要求 176 调试 .196.1 硬件调试 .19 播种机测种测肥的设计II6.2 软件调试 196.3 软硬件连调 196.4 测试仪器 .19 6.5 误差来源分析 .19 6.6 液晶屏显示程序 197 种（肥）箱的设计 .23 7.1 种子、肥箱的要求 .23 7.1.1 种子、肥料箱容量计算 .237.1.2 种子、肥料箱结构特点 24 8 总
10、结 .25 8.1 硬件设计中遇到的问题 258.2 本设计的结论 25参考文献 .27 致谢 .28 播种机测种测肥的设计- 1 -1 前言1.1 研究的目的和意义我国是农业大国，一直以来，广泛的农业机械化就成为我国的一大问题，播种机是农业生产过程中六大关键作业环节之一，播种机械化是农业机械化过程中最为复杂也最为艰巨的工作。播种机械面对的播种方式、作物种类、品种变化繁多，这就需要播种机械有较强的适应性和满足不同植物要求的工作性能。必须在较短的播种农时内，根据农业技术要求，将种子播到田地里去，使作物获得良好的发育生长条件。播种质量的好坏，将直接影响到作物的出苗、苗全和苗壮，因而对产量的影响很大
11、。由于精密播种可以保证种子在田间最合理分布，播种量精确，株距均匀，播深一致，为种子的生长发育创造最佳条件，可以大量节省种子，减少田间间苗用工，保证作物稳产高产。因此，现代农业对精密播种机的技术要求越来越迫切。测土配方施肥是以土壤测试和肥料田间试验为基础，根据作物需肥规律、土壤供肥性能和肥料效应，在合理施用有机肥料的基础上，提出氮、磷、钾及中、微量元素等肥料的施用数量、施肥时期和施用方法。测种则是为了精确播种数量。其重要意义主要体现在：（1）是促进农业增产，农民增收的重要措施,。（2）是提高农产品品质，增强农业竞争力的重要环节；（3）是发展循环经济，建设节约型社会的重要内容；（4）是减少肥料污染
12、、培肥地力，提高农业综合生产能力的根本措施。1.2 国内外播种机及其测种测肥研究动态现在国内外播种机的发展现状 ：我国的播种机以传统的谷物条播机为主，与小型拖拉机配套的播种机及畜力播种机目前仍占主导地位。全国有 500 家左右的企业生产播种机，其中只有 10 家生产与大中型拖拉机配套的播种机，与小拖配套的播种机和畜力播种机的产量已占到全国播种机产量的 90%以上。近几年，我国的联合作业播种机发展也较快，其机具主要有播种一拖肥联合作业机、耕作播种联合作业机、松土施肥覆膜穴播联合作业机和施水播种联合作业机等，目前又发展了铺膜播种联合作业机。另外，精少量播种机具推广势头强劲，小麦精少量播种机和中耕作
13、物精密播种机推广应用迅速。测肥要根据使用对象的特点，采集不同区域的土样，测定土壤氮，磷，钾有机质含量和酸碱度。对中微量元素（钙，鎂，硫，铁，锰，铜，锌，硼）的有效态含量，可根据植物状态选择性测定并可根据需要测量的土壤的物理，化学性质。综合分析结果和植物状态。播种机测种测肥的设计- 2 -1.3 设计研究的主要内容本设计的控制系统以 STC 单片机为核心芯片，并通过测种传感器与测肥传感器采集信号，输送到 STC 单片机进行数字信号处理，统计数据，通过 LED 显示屏实时反馈给工作人员播种。1.4 设计研究的预期效果（1）设定播种数量范围为 510（粒/坑） ；（2）控制丢失率范围为设定值 3%；
14、（3）实现上位机设定速度及报警的控制；播种机测种测肥的设计- 3 -2 系统设计2.1 总体设计2.1.1 系统框图图 2-1-1 系统结构图2.1.2 模块说明1） 传感器模块：光电传感器接受测种信号，将其转化为电压信号，经过电压比较器转化为标准 TTL 电平，当种箱中的种子降到警戒值时，单片机控制发出报警。2) RS232：是串口通讯接口,可以利用它实现与主机的通讯。3） STC80C51：（1）4k 字节程序储存器 ROM，增强型 52 为 8k 字节（2）128 字节数据储存器 RAM，256 字节（3）4 个 8 位的输入输出端口（I/O）（4）2 个 16 位定时（或计数）器（T/
15、C ）3 个（5）5 个中断源 6 个（6）串行通信接口（7）64K 外部程序扩展空间（8）64K 外部数据扩展空间（9）位处理和位寻址 4）永磁电机：利用单片机控制永磁电机的启停，正反转进而控制点滴速率。5) 主机：主机通过通信模块 MAX232 转换器与 RS-232C 总线相连，进行信息转换，负责对测种速度检测和动态显示（粒/分） 。红外传感器放大整形 STC89C51单片机液晶显示RS232CC主机报警装置播种机测种测肥的设计- 4 -2.2 各模块设计原理2.2.1 光电传感器及整形电路在测量种子数量时，我们采用红外传感器，此传感器输出信号变化明显，灵敏度高，是一种利用感光元件对变化
16、的入射光加以接收，并进行光电转换，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当种子经过它俩之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，进而输出一个强信号。这样就起到了检测作用。从两个传感器出来的信号都比较大，但都不很稳定，所以我们采用了一个施密特触发器 74HC14，通过它对信号进行反向，从而获得最终的输出“开” ， “关” 。如图 2-2-1 为对种子速度信号的单限比较器和对瓶口报警信号的单限比较器。从 2 和 4 出来的信号分别送给单片机 STC89C51 的 P32 和 P33 及单片机的外中断 0 和外中断 1。UVCGND3AS7HBRk图 2-2-1 测种装置电路图Figu
17、re 2-2-1 bubble gathering circuit diagram74HC14 集成块内部装有六个独立的施密特触发器，施密特触发器最重要的一个特点就是能够把变化非常缓慢的输入脉冲波形，整形成为适合于数字电路与要的矩形脉冲，而且由于具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强。74HC14 内部的施密特触发器有一个上限阈值电压 U 和下限阈值 U 。施密特触发器在脉冲的产生和整形电路中应用很广。施密特触TT发器的输出电平是由输入信号电平决定的，触发的含义是指当输入信号由低电平上升到 U、或由高电平下降到 U 时，会引起电路内部的正反馈过程，从而使输出发生跳变。说TT准确些应该叫做具有施密特
18、触发特性的反相器，实现的是非即“反向”的逻辑功能。74HC14 集成块采用 C-14 型封装，图 2-2-2 为外型及管脚排列图。播种机测种测肥的设计- 5 -1234SN7HCD6980AYVG图 2-2-2 外型及管脚排列图Figure 2-2-2 outlook and base pin arrangement chart通过对图 2-2-2 和对 74HC14 的介绍可知当有液滴落下时施密特触发器会输出低电平，而当没有液滴落下是施密特触发器会输出高电平。2.2.2 报警电路本设计中报警电路应用蜂鸣器报警，其电路图如图 2-2-3R.kQP图 2-2-3 蜂鸣器驱动电路图Figure 2
19、-2-3 the buzzer actuates the circuit diagram2.2.3 键盘控制与显示本设计中的键盘控制用上位机进行控制，显示用液晶 JM12864M 进行显示。一、液晶显示器的模块概述：JM12864M 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（16X16 点阵） 、128 个字符（ 8X16 点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（GDRAM） 。主要技术参数和显示特性:电源：VDD 3.3V+5V(内置升压电路，无需负压) ；播种机测种测肥的设计- 6 -显示内容：128 列 64 行显示颜色：黄绿128X64HZ 引脚说明引脚
20、号引脚名称 方向 功能说明1 VSS - 模块的电源地2 VDD +5V 模块的电源正端3 V0 + LCD 驱动电压输入端4 RS(CS) H/L 指令并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5 R/W(SID) H/L 写 并行的读写选择信号；串行的数据口6 E(CLK) H/L 并行的使能信号；串行的同步时钟7 DB0 H/L 数据 08 DB1 H/L 数据 19 DB2 H/L 数据 210 DB3 H/L 数据 311 DB4 H/L 数据 412 DB5 H/L 数据 513 DB6 H/L 数据 614 DB7 H/L 数据 715 PSB H/L 并/串行接口选择： H-并行
21、；L-串行16 NC 空脚17 RESET H/L 复位 低电平有效18 NC 空脚19 LED_A （LED+5V）背光源正极20 LED_K （LED-OV）背光源负极显示角度：6：00 钟直视LCD 类型：STN播种机测种测肥的设计- 7 -与 MCU 接口：8 位或 4 位并行/3 位串行配置 LED 背光（1）轻薄：LED 背光采用发光二极管作为背光光源，不需要灯管, 因此导光板的厚度大幅降低, 整组背光板的厚度可以降低一半左右，间接地减少笔记本的重量，带来纤细的机型，便携性增强；（2）功耗降低，发光效率高，续航能力增强。以往的 CCFL 需要一系列的电压变换器，损耗增大；LED 自
22、身发光效率高。总的来说，能节省传统显示屏约 40%的功耗，同样电量情况下，直接带来续航能力的提升；（3）屏幕亮度更高，更均匀性、色彩表现力强，对于色彩范围而言，LED 背光屏幕可以更容易的做到广色区域。（4）环保：LED 背光屏幕不含汞，汞为有害物质，可对人体造成伤害，污染水源；（5）LED 背光的寿命非常长。二、上位机设计二、上位机设计C+ Builder6 的介绍如下：Borland C+ Builder6，它是一种可视化的程序语言，所谓“可视化” ，是指开发图形应用界面的方法，其方法就是在建立用户界面（User Interface）时，不必编写程序来描述输入或输出界面的外观和配置，只要使
23、用工具箱的工具，在程序设计阶段便可实现，是属于一种“What you see is what you get”可视化的设计观念。 C+ Builder6 是以 C 语言为基础，再加入许多对象的观念以及 Windows GUI 有关的功能。C+ Builder6 的功能简述如下：（1） 引导 C+软件开发进入新境界（2） Web Services 完美集成企业与企业见的异质系统（3） 快捷强大的 Web 应用程序开发能力（4） 建构高效能多层数据库 Web Services 应用系统（5） 轻易连接企业内数据库（6） 实力企业级 e-Business 解决方案（7） 运用快速开发工具（RAD）快
24、速进入市场（8） 强大的调试功能（9） 高开发效率的集成开发环境（10） 运用 CORBA 集成异质环境2.2.4 RS-232C在控制系统中，PC 机与单片机之间的数据通信主要采用异步串行通信方式。 AT89C52的串行口，输入 RXD、输出 TXD 均为 TTL 电平。用 TTL 电平传输，信号传输距离短。为了增大通信距离，提高串行通信的可靠性，根据本设计需要可选用 RS232C 标准串行接口，MAX232 电平转换芯片驱动。在 RS232C 接口中，采用负逻辑，即 315V 表示“ 1”；315V 表示“0” ；播种机测种测肥的设计- 8 -由于 RS232C 电平与 TTL 电平互不兼
25、容，所以二者接口时必须进行电平转换。本设计采用 MAX232 双工发送器/接收器，它能满足 EIA RS232C 的电气规范。且仅需要5V 电源，内置电子泵电压转换器将5V 转换成1010V 。该芯片与 TTL/CMOS 电平兼容。片内有两个发送器，两个接收器。下面将 MAX232 作一下详细的说明：MAX232 是一款兼容 RS232 标准的芯片。该器件包含 2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 TIA/EIA-232-F 电平。该器件符合 TIA/EIA-232-F 标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F 电平转换成 5-V TTL/CMOS 电平。MAX232 每一个发
26、送器将 TTL/CMOS 电平转换成 TIA/EIA-232-F 电平。每个接收器将 EIA/TIA-232-E 电平输入转换为 5V TTL/CMOS 电平。这些接收器具有 1.3V 的典型门限值及 0.5V 的典型迟滞，而且可以接收30V 的输入。每个驱动器将 TTL/CMOS 输入电平转换为 EIA/TIA-232-E 电平。MAX232 的工作温度范围为 0至 70。特点:（1）单 5V 电源工作；（2）LinBiCMOS；（3）TM 工艺技术；（4）两个驱动器及两个接收器；（5）30V 输入电平；（6）低电源电流：典型值是 8mA；（7）符合甚至优于 ANSI 标准 EIA/TIA-
27、232-E 及 ITU 推荐标准 V.28；（8）可与 Maxim 公司的 MAX232 互换；(9) ESD 保护大于 MIL-STD-883（方法 3015）标准的 2000V；1 2 3 4ABCD4321DCBA TitleNumber RevisionSizeA4Date: 1-Jun-2004 Sheet of File: D:yuanBACKUP17.DDB Drawn By:C1+ 1V+ 2C1- 3C2+ 4C2- 5V- 6T2OUT 7R2IN 8R2OUT9 T2IN10 T1IN11 R1OUT12R1IN13 T1OUT14 GND15VCC16U16MAX232
28、VCCC14 1F/16V C271F/16VC261F/16V C301F/16VC130.1C2+C2-V- V-VCC232-2232-3162738495J5DB9232-2232-3TXDRXD图 2-2-4 RS-232C 电路图Figure 2-2-4 RS-232C circuit diagram2.2.5 80C51 单片机的引脚功能80C51 单片机双列直插（DIP）封装 40 引脚芯片如图 2 所示 。播种机测种测肥的设计- 9 -8 0 C 5 1P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R E S
29、E TR X D P 3 . 0T X D P 3 . 1I N T 0 P 3 . 2I N T 1 P 3 . 3T 0 P 3 . 4T 0 P 3 . 5W R P 3 . 6R D P 3 . 7X T A L 2X T A L 1G N DV c cP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7E AA L EP S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 02-2-5 80C51 引脚图1）P0 端口引脚 3239 为 P0 端口。可作为通
30、用 I/O 端口，其复用功能还可作为数据总线（DBUS ）和地址低 8 位（A0A7 ）的输出线2）P1 端口P1 端口在 80C51 的引脚 18 上，可作为端口操作，也可按位用P1.0、P1.1、P1.2 P1.7 进行位操作，对 80C51,8 跟线纯粹只作 I/O 端口线使用。3）P2 端口引脚 2128 为 P2 端口，除了 I/O 端口功能外，复用功能是作为地址总线的高 8 位（A8A15）4）P3 端口引脚 1017 是 P3 端口。其服用功能最特殊，比 P0 和 P2 端口的总线功能要复杂。如下表。播种机测种测肥的设计- 10 -表 1 端口 P3 的复用功能位 符号 位地址
31、复用功能P3.0 RXD B0H 串行通信口的数据接收线P3.1 TXD B1H 串行通信口的数据发送线P3.2 INT0 B2H 外部中断 0P3,3 INT1 B3H 外部中断 1P3.4 T0 B4H 定时/计数器 0 外部输入端P3.5 T1 B5H 定时/计数器 1 外部输入端P3.6 WR B6H 外部数据存储器写选通输出P3.7 RD B7H 外部数据存储器读选通输出5）程序存储器使能端 PSEN80C51 有 4 根总线控制信号， PSEN 在 29 脚上为输出信号，是外部程序存储器扩展功能中的代码读取控制信号，通常接到一片 EPROM 的输出使能端（OE）来读取其中的程序代码
32、6）址锁存信号 ALE30 脚深谷 ALE 输出信号，为了减少芯片的引脚，采用数据线与地址低 8 位复用的方式，在对存储器操作的前半周期，从数据线（P0 端口）输出地址低 8 位（A0A7） ，在后半周期存储器的数据才被读写到数据线上7）片外 ROM 选择 EA第 31 为 EA 输入信号，一般外接 +5V 或地，如果接高+5V，80C51 从片内 ROM 中取程序指令，如果接低，则从片外取程序指令。现在主要用片内 ROM，EA 接+5V。8）复位 RST第 9 脚为复位 RST。当该信号端输入高电平长达两个机器周期以上时，各寄存器将初始化，系统被复位。当 RST 为低时，系统正常工作。9）晶
33、体振荡器输入端 XTAL1,XTAL218 和 19 脚接晶振，一般要求在两端各队地接一支 30vpF 的电容，使振荡频率稳定。10）电源输入端 Vcc 和 Vss80C51 用单 5V 电源，有些用 3V。具体看芯片封装和型号。第 40 脚 Vcc 接+5V。第20 脚 Vss 接地。 播种机测种测肥的设计- 11 -3 软件设计如果把硬件比作系统的躯体，那么软件编程就是它的灵魂。失去灵魂的躯体只能是个摆设，没有多大的价值而言。软件设计是本系统制作的关键点之一。软件设计主要有信号的采集和处理，控制信号的输出，主站、从站通信以及显示和键盘控制程序。信号采集包括测量点滴脉冲，计数测量点滴速度和报
34、警信号处理。3.1 上位机软件采用基于 Windows98 平台的 C+ Builder 6.0 面向对象的 32 位可视化高级语言。具有系统参数设置、数据发送和接收、本机状态查询、工作站状态查询、报警、数据管理等功能模块，如图 3-1 所示。主机设有定点和监测从站工作状态两种工作方式，在监测时，主站能任意设定要查询的从站的点滴速度，并可显示从站传输过来的点滴速度，收到从站发出来的报警信号后，能声光报警，可用手动方式解除报警状态。图 4-1 上位机功能图3.2 下位机软件下位机软件主要是完成种子数量的检测、调节和显示，种子检测和报警，发送、接收数据和命令。设计的主要思路是：（1）将种子探测电路
35、的输出信号输入单片机的 T0 口（即 P32） ，用片内定时计数器测出种子数和所需要是时间，测三次后用其平均值，从而将其处种子速度测出来并用液晶显示出来。（2）控制器的执行算法采用循环比较检测的方法。基本思想是：把预设的种子数量 A 与实时采集上来的数据种子数量 B 相比较。当 A 大于 B 时，使电动机正转；当 A 小于 B时，使电动机反转，从而调整种子的数量。能够实现实时调整。参数设定数据收发数据处理状态查询实时报警退出程序上 位 机 软 件 功 能 选 择播种机测种测肥的设计- 12 -（3）各下位机采用中断方式接收主机的命令、数据和液位检测电路的信号输出。下位机主程序流程图：图 3-2
36、 下位机程序流程图 系统初始化接收设定种子数量 startNOYES检测实际种子数量w=startYESNOwstart电机正转增加种子的数量电机反转减少种子的数量YES NOPd = 1报警YES等待NO开始结束播种机测种测肥的设计- 13 -4 播种排种器4.1 排种器的技术要求排种器是种子群体与植株个体之间的转换环节，其前端是混沌的不定量集合散粒体，不具有个体属性和农艺栽培所必须的播种属性，不能赖以出苗成长或收获。分离和定量是种子获得播种属性的初始阶段，当定量分离的种子被先后有序的定植于土壤中特定的坐标位置以后，种子才最终获得了播种属性，才具备发芽，出苗，生长和收获的种子属性。因此，排种
37、器是播种机或播种作业的核心与必要部件3。精密排种器的精确排种是现代农业中节支增效的有效措施。精密排种器的工作是精确，可控，定量地从种子群中分离出单粒或定粒种子，形成明显等时距均匀中子流。排种器对种子的定量效应是通过排种元件对所播种子的体积，质量，数量，流量等物理量的控制实现的。目前常用的排种器为窝眼轮式，气压式，气吹式，勺轮式，型孔盘式，指夹使式，等等。一般情况是排种质量越高，排种器的结构越复杂，成本越高。中耕作物如玉米、大豆、甜菜、高粱、棉花等采用精密播种，可以节省大量种子和间苗劳力，而且可使幼苗分布均匀，达到苗齐、壮、均，有利于增产稳产4。排种器的技术要求大体上有以下几个方面：1、排种器排
38、种均匀稳定，排种均匀性不受外界条件变化而产生严重影响。一台播种机的排种量应该保持一致。2、不损伤种子。3、播种两调节范围要大。4、通用性好。5、工作可靠，不易堵塞。结合窄行密植平播的农艺技术特点，本着横向尺寸小，结构简单，传动方便，性能可靠的原则，同时根据多年的实践经验，市场调查及现有排种器优缺点分析排种器定位于立式圆盘重力清种的结构形式。4.2 测种传感器精密播种机的播种均匀性是人们普遍关注的问题。日本于 20 世纪 90 年代初期开始研制电磁控制排种装置,用于电子控制的精密播种机上,其主要装置是一个频幅电路,将频率信号(车速 )转成电压信号控制驱动排种器电机的速度,这种方法的缺点是排种器的
39、排种补偿难以实现。我国在播种均匀性监测上进行了一些研究,但有关提高播种均匀性的研究尚未见报道。传统播种机使用地轮驱动排种器,地轮阻力大,容易打滑。保护性耕作收获后不翻耕,土壤表面至少有 30%的残茬覆盖 ,秸秆和杂草使地轮的附着力减弱,地轮打滑更加严重,播种均匀性无法得到保证。另外,生产中精密播种机播种量的调节也比较困难,传统的方法是经人工播种机测种测肥的设计- 14 -计算后,手动调换不同的链轮或排种器,费时费力,而且此种调节是有级的,很难达到精密播种要求。针对上述问题,笔者研究了一种用于精密播种机的排种自动控制装置15。4.2.1 工作原理本系统采用电机驱动排种器。为使电机及排种器转速与播
40、种机作业速度一致,系统采用智能控制器(单片机)测量播种机作业速度,并根据测得的速度动态调节电机转速。由于五轮仪所受阻力较小,能准确反映播种机的真实作业速度,故将五轮仪直接安装在播种机上,用于测量播种机的作业速度。系统内部的智能控制器(单片机)可根据播量要求自动进行计算,确定播种机作业速度与排种器转速之间的关系,操作时通过键盘输入播种量、五轮仪直径等参数,就能达到无级调节播种量。4.2.2 控制装置硬件设计系统由数据输入、智能控制单元、人机接口单元和执行单元 4 部分组成,其硬件结构见图 1。其中虚线部分是系统的控制主板结构,构成一个微型计算机系统,是整个控制系统的智能控制单元,具有软件的存储、
41、I/O、定时及中断、数据的处理、执行元件控制命令的发出等功能。4.2.3 数据输入部分本系统中五轮仪只用于测速,为减少其打滑现象,其轮采用大直径、轻质、轻接地压及外套橡胶的形式设计。设计方案中五轮仪周长 16 m,采用弹簧对其加压。其轮轴上安装一圆盘,上面均匀分布 8 个磁块,当五轮仪转动时,磁块接近霍尔传感器6,传感器输出低电平。这样,在作业中测得 2 个低电平之间的时间,又已知 2 个低电平(2 个磁块) 之间的夹角,即可计算出五轮仪的转速,从而得到播种机的转速。播种机测种测肥的设计- 15 -4.2.4 单片机最小应用系统8031 单片机外接片外程序存储器和数据存贮器构成了单片机最小应用
42、系统7,8。8031单片机是系统的关键部件,作业前可以处理参数的输入。作业时,8031 单片机接收五轮仪的输入信号,通过预先设置的控制算法对数据进行加工处理,然后将结果输出到控制单元,对排种器转速进行控制。因系统中 8031 单片机 2 个外部中断都被占用,为了不增加其他硬件,利用其定时/计数器 1 的外部事件计数输入功能扩展一个外部中断,用来接收 8279 接口芯片的中断请求。设置定时/计数器 1 工作在模式 2(外部脉冲输入计数方式),并将 TL1 和 TH1 初值定为 0xff。TL1 作为一个 8 位的定时/计数器,当有一个下降沿来临时,计数器 TL1 溢出,定时器 1 中断,这时 T
43、H1 中的内容重新装载到 TL1,为接收下一个中断做好准备。4.2.5 电机控制模块系统执行机构步进电机的输入为脉冲信号,当有一个脉冲输入,电机输出轴就转动一固定的角度9,10,所以只要改变输入脉冲的频率,就可以改变步进电机的速度。改变输入脉冲频率的方法很简单,可以用 8031 单片机的 1 位 I/O 口向步进电机发送变频脉冲,但考虑到 8031单片机还要做其他的工作,发送变频脉冲不仅占用 CPU 的时间,而且要占用单片机的 I/O 口和中断资源,因此系统中使用单片机控制 1 片 8253 计数器发送脉冲来驱动步进电机。步进电机所需脉冲的最低电平一般都有宽度要求,试验使用的四通电机要求低电平
44、不低于 500 ns,因此将计数器 0 和 1 串联使用,计数器 0 相当于分频器,将分频好的频率信号输入计数器 1,计数器 1 的输出控制步进电机。计数器 0 的工作方式为方波发生器方式,8031 单片机的 ALE提供计数器 0 的输入脉冲,其输出脉冲频率可按实际情况设定,此系统中设定计数器 0 的输出脉冲宽度为 2s。计数器 1 的工作方式设置为频率发生器方式,输出低电平的宽度等于计数器 0 输出脉冲的一个周期(即 2s), 可满足四通电机的输入要求。作业时 ,单片机监测到播种机作业速度改变后,将计算得到的合适的转速数据写入 8253 计数器,即可改变排种器的转速,使之与播种机保持同步。4
45、.2.6 人机接口模块人机接口模块是操作员与系统交互的接口,包含 12 位键(10 位数字键、2 位功能键) 和 4位的 LED 显示器。通过键盘和 LED 显示器可以对五轮仪直径、排种器孔数及播种量等参数进行设置,LED 显示器还可显示系统的运行状态。键盘、显示器接口芯片选用 Intel 8279。Intel8279 是一种实现键盘输入和段式数码显示控制的专用智能芯片,具有使用简单、功能强大的特点。4.2.7 试验仪器与方法在试验室土槽中进行系统测试,试验用辅助器材为一套 CVI 控制系统,此系统用于控制土槽小车的速度,并采集各类传感器的数据。试验分 2 部分:1)验证系统中五轮仪与排种器的
46、同步性。在五轮仪和排种器上各放置 1 个速度传感器,试验时通过 CVI 控制系统同时采集五轮仪和排种器的转速数据,共采集样本 50 组。CVI 控制系统对每组数据进行相关分析,验证系统中五轮仪与排种器是否同步。2)测试此系统在不同速度(08,12,16 和 20 ms-1)条件下的排种均匀性和播量均匀性。在排种器的下方放置一个光电传感器,用于测量种子下落的时间间隔。CVI 控制系播种机测种测肥的设计- 16 -统采集种子下落的时间间隔数据,并根据测得的五轮仪的转速及种子下落的时间间隔,得出每组区长为 10 m 时的排种均匀性和播量均匀性变异系数。4.2.8 试验结果五轮仪与排种器的同步性试验中
47、,通过 CVI 控制系统对采集到的五轮仪转速数据和排种器转速数据进行相关分析,50 个样本中,相关度最小的 092,最大的 097,说明排种器和五轮仪有较高的同步性,用此控制方法可以重现播种机的速度。排种均匀性及播量均匀性试验结果表明,随着速度的增大,排种器的排种均匀性和播量均匀性(每 m 播量)都会下降,因此试验中根据播量与速度的关系曲线,使用非线性插值方法(控制算法) 对播量进行了补偿,然后再进行试验。结果表明,通过这种补偿可以使播量与速度无关,提高了播量均匀性。随速度的增加排种均匀性还会下降,但与补偿前比较,排种均匀性可以提高 6 个百分点。播种机测种测肥的设计- 17 -5 理论计算与
48、分析在本系统设计中，需要理论计算和分析的主要是：单限比较器的参考电压的设置，单片机计算种子数量的方法。下面我们一一来进行分析。5.1 施密特触发器由于光电开关传感器传送上来的电压比较高，我们采用直接接到 74HC14 的输入端，对 74HC14 来说，只要输入电压大于其上限阈值就输出 5V，低于下限阈值就输出 0V 确保输出能从一种状态可靠的转换到另一种状态。所以使用于弱信号的检测。5.2 单片机计算种子数量的方法光电开关传感器通过比较器不断的给单片机传送脉冲，设置单片机每接收十个脉冲就中断一次。单片机从接收第一个脉冲（即第第一个种子下落）开始计时到第十一个脉冲（即第十一种子下落）结束为止，这
49、时单片机将这个时间间隔(t1)存放好，然后再从第十一二个脉冲开始计时到第二十三个脉冲结束为止，这样就取的第二个时间间隔(t2)。依次这样连续取得三个时间间隔(t1,t2,t3)，也就是在 t1+t2+t3 这段时间内，总共有 40 个点滴通过。因此我们可以推算一分钟经过的点滴个数 X=(40*60)/(t1+t2+t3),即是播种种子的速度。此种方法计算精确，且理论简单，易于理解。对于测肥的，也同样选用次方法，播种和中耕追肥机上的排肥，主要用于排施粒状和粉状化肥、粒状复合肥以及农场自制颗粒肥料等。化肥的主要技术特性见表 2 肥料名称 外形含水率 单位容积质量自然休止角尿素 颗粒 720 35硫酸铵 粒状 0.93 943 44硝酸铵 结晶 2.13 1010 35碳酸氢铵 粉状 2.87 920 37磷酸铵 晶体 2 840过磷酸钙 粉粒状 16 880表 2 几种化肥的主要技术特性播种机测种测肥的设计- 18 -5.3 排肥器的要求(1)要有一定的排肥能力，一般施肥量应在 530亩范围内可调。排肥量要
