精量播种机监测系统的设计

齐向宁，曹卫彬

精量播种机监测系统的设计

齐向宁，曹卫彬

（石河子大学机械电气工程学院，石河子832003）

精量播种机的监测系统是现代精播机的一个重要组成部分，其性能优劣将影响精量播种的质量，精播机对不同性能有不同的要求，而且其参数覆盖面广。为了实现对精量播种机排种性能的自动监测，以及提高农作物的播种质量，在借鉴国内外研究的基础上，设计了一种精量播种机自动监测系统。系统选用激光栅格光电传感器采集信号，AT89C51单片机作为控制器，采用8259 A中断控制器扩展中断端口、8155芯片扩展I／O端口，由显示装置显示排种量，并通过指示灯和蜂鸣器对故障进行报警，以及时提醒驾驶员停车检查。该系统具有结构简单、成本低廉、可靠性高和便于扩展等特点，对发展高效农业具有重要意义。

精量播种机；单片机；监测系统；自动控制

精量播种机是实现精量播种技术的主要手段，是实现精确农业最基本、最重要的一环［1］。精量播种可实现一穴一粒，不仅能节约种子，省去定苗工作量，而且能增加作物产量［2］。但精量播种机在工作过程中不可避免地会出现漏播和重播现象，因此须配备一套监控系统以确保播种性能［3］。精播机上采用的监测和报警装置大致有机械式报警器、机电信号式报警器和电子仪器式监视装置3种类型。

国外对精量播种机监测系统的研究比较早，20世纪80年代初，西方国家就已开始将电子技术用于农业机械的播种控制等方面，目前西方发达国家的精量播种机的监测系统已相当先进［4］，如美国内布拉斯加大学研究出一种快速测量播种机排种间距的光电传感器系统［5］，该系统可以取代人工，快速获得播种机排种间距一致性的数据，且输出的统计指标有排种合格率、重播率、漏播率，也可以用直方图形式表示结果；日本的InotiI.K研制了电子控制的气力式精量播种机［6］，该系统由电磁阀、数据采集与控制器、排种器组成，由电磁阀控制播种，排种性能通过种子下落间隔30—210 ms进行调整。国外的精量播种机采用了越来越多的机电一体化技术，其目的就是提高播种机的工作可靠性，简化操作，减轻劳动强度，减少辅助时间，提高生产率。

国内从20世纪末才开始研究精量播种，落后于西方国家。近年来我国在精量播种监控方面研究进展很快，许多省市的科研院所及大专院校已着手研究播种机电子监视装置，如中国农业大学研制的基于单片机的排种均匀度监测仪器、山东农业大学研制的2BBJ-I型播种机工艺性故障自动监控系统、黑龙江研制的2BJD-2型电子监视精量播种机等。

虽然现代的监测方法已经达到一定的水平，但是在控制重播、漏播方面还不太完善。因此，本文设计了以单片机为控制核心的精播机监测系统，该系统以软硬件结合的方式降低监测系统成本，提高监测精度［8］，这对推动农业的机械化有一定的意义。

1 系统的总体结构与工作原理

系统以AT89C51微控制器为核心，由光电传感器、显示系统和声光报警系统等组成，以监测播种机排种管内种子的流动状态，当发生故障时，及时进行声光报警。

系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Frame figure of syste m structure

系统以光电传感器为输入部分，精播机播种时，由传感器监测输种管内种子流动状况，并把监测信号输送给处理器，再由处理器控制有关系统进行相应的工作。当精量播种机正常工作时，种子有规律的穿过光电传感器，指示灯有规律的闪烁；当精量播种机排种管一行或数行发生堵种或漏种等故障时，种子不能有规律的遮断光电传感器光束，则相应行的指示灯处于常灭或常亮状态，以显示故障位置和故障类型，同时蜂鸣器鸣叫发出报警。

2 系统的硬件设计

系统的硬件设计是整个系统设计的基础，主要实现各个物理信号的采集、放大、整形和处理。硬件部分主要由信号采集模块、信号处理模块、报警模块、显示模块等组成。信号采集模块和信号处理模块主要完成对排种信息的采集，并且将这些非电量转换成电信号。报警模块的主要功能是当出现漏播或排种器堵塞时进行声光报警。显示模块的主要功能是完成数据的计算、存储、显示、查询等功能。

2.1 信号采集模块

单片机用于控制系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道。前向通道是单片机应用系统的信号采集通道，从信号的采集、变换到单片机的输入均在这一部分进行。

本系统的信号采集由传感器来完成，传感器是获取信息的第一个环节，其特性的好坏、输出信息的精度、可靠性和稳定性对整个系统质量至关重要。

信号采集部分可以使用光敏元件，如光敏电阻、光敏管、光电池等，将检测到的光信号转换为电信号，进行后续处理［9］。为了避免监测“盲区”，本系统采用激光栅格光电传感器，该传感器包括红外半导体激光二极管1只（带透镜）、ф8光敏二极管1只、反光镜2片（可用普通镀银玻璃镜片），其示意图如图2所示。

图2 激光栅格光电传感器示意图Fig.2 The schematic diagram of grid laser Photosensor

红外光通过两片平行放置的反光镜使得激光束多次反射，形成覆盖整个棑种管截面的激光栅格，最终激光束反射到光敏二极管的感光面。只要种子的直径大于激光束栅格的间隙，其通过监测截面时，就会阻断激光束。无论种子在哪个位置阻断激光束，光敏二极管都会完全失去光照，从而使产生的监测信号幅度大而恒定，便于处理和抗干扰。细调激光二极管的方向，可以改变激光束对反光镜的入射角度，从而控制激光束的反射次数即栅格密度，以适应不同的作物种子。

2.2 信号处理模块

单片机是整个控制系统的核心部分，软件的储存测量、数据的处理执行、组件控制命令的发出等都要经过单片机，它是一个微型计算机系统，有存储、I／O、定时及中断等功能。由于本系统的控制方案不是很复杂，数据量也不是很大，8位单片机可以胜任，故本系统选用At mel公司生产的AT 89C51单片机作为控制系统的核心。另外，因单片机中断端口有限，本系统选用8259 A扩展单片机的中断端口。

2.3 报警模块

本系统中的发光二极管分别代表每行播种机的播种状况显示灯。当程序运行时，每播一粒种子，显示灯将闪烁一下，当播种机正常播种时，灯光有规律的闪烁；当播种机输种管某一行或几行发生不正常排种现象时，相应行的显示灯将会处于常亮状态，同时蜂鸣器鸣叫提醒驾驶员，以便停车检查修理故障。指示灯报警电路图如图3所示，本电路采用连续声的蜂鸣器作为声音报警器件。

图3 发光报警电路图Fig.3 Circuit of the light alar m

2.4 显示模块

显示系统用来实时显示精量播种机的各项排种性能指标。单片机从传感器信息采集系统得到各项目标信号，将它们经过运算处理，得出各项性能指标，然后驱动显示设备显示，供驾驶员观察参考。

本设计采用动态显示方式，数码管采用共阴极LED，选通电平为低电平。工作时轮流显示，并且使每位保持延时一段时间，以使视觉暂留效果，看起来不会有闪动的感觉。显示接口电路的8位段选线接扩展芯片8155的PA输出端口，4位位选线分别接AT89C51的P3.0、P3.1、P3.2和P3.3端口。显示系统电路如图4所示［10－12］。

图4 显示系统电路图Fig.4 Circuit of the display system

2.5 稳压电源

本控制系统中，由于采用AT89C51单片机，其工作环境需要稳定的＋5 V直流电源，而田间不可能采用220 V交流电压为系统供电，因而以拖拉机的12 V电瓶为电源，其优点在于与交流电网没有关系，干扰小、无需整流。但由于该电压不稳定，因此需要设计＋12 V电压转换为稳定的＋5 V电压的电路，为系统提供电源。

3 系统的软件设计

系统软件的功能是协调好单片机内部资源和外接电路的工作，其中心是采用模块化设计将一个复杂的应用程序按整体功能划分为若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后再进行综合调试。

本系统软件主要包括自检模块、初始化模块、测控模块、显示模块4个模块。其主要功能有：传感器的智能识别，对各个管脚脉冲进行累加计算，将二进制转换为十进制数并显示出播种粒数；同时对脉冲进行判断，若发生故障，则进行声光报警。

监测系统的流程如图5所示。

图5 监测系统流程图Fig.5 Flow chart of monitoring system

部分程序（8259 A初始化程序）：

CLR EA；∥89C51CPU禁止中断

MOV DPTR，＃5FFEH；

∥8259A ICW1命令字入口地址

MOV A，＃76 H；∥设ICW1命令字

MOV＠DPTR，A；∥ICW1命令字送入8259 A中

MOV DPTR，＃5FFFH

；8259A ICW2命令字入口地址

MOV A，＃02 H；设ICW2命令字

MOV＠DPTR，A；ICW2命令字送入8259 A中

MOV A，＃OFFH；设Oc wl命令字，屏蔽所有中断

MOV＠DPTR，A；OCw1命令字送入8259A中

SETB EA；89C51 CPU中断允许

SETB ITO；89C51选择INT0为负跳变触发

SETB EX0；89C51允许INT0中断

4 结论

本文将传感器技术、计算机软硬件设计应用于精量播种机的监测装置，实现了试验数据的自动采集，同时能够及时地反馈各播种信息，如排种量、排种速度等，以便有效地提高播种质量。此外，精量播种机的声光报警系统可及时通知操作员故障的位置和性质，提高了播种机自动化程度，具有较高的实际应用价值。

［1］周利明，张小超.基于电容测量的精密播种机监测系统研究［J］.农机化研究，2009（11）：37-39.

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［3］杨修波，王民，韩 冰，等.CAN总线在精密播种机监控系统中的应用［J］.农机化研究，2007（5）：188-190.

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［5］陆黎，胡建平，王韩伟.精密播种机监控系统的发展现状及创新研究［J］.农机化研究，2005（2）：13-15.

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The Design of Monitoring System of Precision Seeder

QI Xiangning，CAO Weibin
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Xinjiang Shihezi，832003）

Seeding monitoring system is an i mportant component of present precision drill and its f unction directly affects the quality of precision seeding.There are different demands to the different perfor mances，and its parameters are widely covered with.In order to carr y out the automatic monitoring system of precision drill，increase the seeding quality.Based on analyzing studies in do mestic and overseas，the monitoring system was designed.The system use grid laser Photosensor to collect the signal，employ the AT89C51 single chip as controller and use the 8259 A interr upt controller to expand the interr upt port，use 8155 chip to expand the I／O port.Displaying the quantity of seeding by display unit and use the pilot lamp and the buzzer to alert troubles and war n the driver stop and check them in ti me.The system has features such as si mple str ucture，low cost，high reliability and easy to install.So it is very significant to the develop ment of the high-efficiency agriculture.

precision seeder；single chip；monitoring system；auto matic control

S223.2

A

1007-7383（2011）04-0505-04

2011-05-21

齐向宁（1986-），女，硕士研究生；专业方向为智能化检测与自动控制技术；e-mail：qixiangning1111＠163.com。通讯作者：曹卫彬（1957-），男，教授；从事农业遥感监测研究；e-mail：c wb_mac＠shzu.edu.cn。