基于单片机的准直播种导引激光信号发射车的设计

齐晓娜，刘阳，崔保健

（1.河北金融学院 信息管理与工程系，河北 保定 071051；2.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001）

在温室大棚的蔬菜种植中，要求行距协调一致，植株生长整齐，这样可以有效增加光照，进而提高蔬菜产量.目前国内保证播种或移栽的直线度和邻接行距的方法主要有：1）在农机具上安装划印器或侧对行器；2）开5 cm 深的机具行走沟；3）采用人工拉线划点的方法.以上方法，应用起来工序繁琐，增加了田间作业的劳动强度，同时受人为因素影响造成播行不直、行距误差大，影响播种作业质量［1］及蔬菜的后期管理.国外解决对行问题主要利用GPS和GIS技术，但GPS费用高，研究难度大，中国农户很难接受［2］，温室内更不具备使用GPS的条件.激光以其直线传播，抗干扰能力强等优点主要应用到军事、工业AGV 设计中［3］；在农业生产中激光平地技术及激光导航技术得到了不同程度的应用［4－5］.本研究将激光导航技术应用到农机准直播种作业中，保证播种直线度、行距准确及行与行之间的平行度，可以减少驾驶员的劳动强度，消除累计误差［6］.

1 激光导引信号发射车的总体设计

1.1 激光准直播种系统原理

激光准直播种系统由一台激光导引的激光发射车作为核心部件，如图1所示，激光发射器1固定，激光发射车沿激光发射器1提供的激光信号平面A 按照控制逻辑自动行进相应距离，并通过车载激光发射器2逐行为播种机提供相互平行的激光导引信号平面B，导引播种机直线行走.由此可见，激光导引信号发射车要完成的任务有

1）沿激光发射器1的激光信号平面A 直线行走，并且不受地面起伏的影响；

2）行进设定距离后即刻停止，保证播种机作业时往复行距均匀；

3）保证车载激光发射器2发出的激光信号平面与激光发射器1发出的激光信号平面垂直，进而确保每个提供给播种机的激光导引信号与平面B平行，播种的直线度及行与行的平行度才能得以保证.

图1 激光准直播种系统原理Fig.1 Schematic diagram of system

1.2 激光发射车的结构

激光发射车采用直流减速电机驱动的履带式底盘（即行走系），由前后2个接收器、车载激光发射器及其位置调整机构、主控制系统组成.激光导引信号发射车的结构模型如图2所示.

图2 激光发射车模型Fig.2 Model of laser guiding vehicle

1.3 激光发射车控制系统

主控系统以单片机STC12C5A60S2为控制核心，系统由无线接收模块、信号接收电路模块、行距输入及行进距离检测模块、电源系统模块、直线行走控制模块和车载激光发射器位置控制模块等电路组成，控制系统见图3.激光发射车的所有软件程序都采用C51在keil3下开发.

图3 控制系统原理Fig.3 Schematic diagram of control system

2 激光发射车控制系统的关键模块设计

2.1 激光发射器的选择

本系统中采用2个激光发射器，为了保证在田间作业有上下起伏时，也不影响激光信号的接收，激光发射器必须能够发射铅垂平面，另外激光信号的工作距离是主要考虑因素.经过对比国内外多种激光发射器的主要性能指标、价格等因素，激光发射器1选择福田激光水平仪EK－155AP作为激光控制系统的激光信号源.此设备能够发射水平激光面和垂直面，可自动调平，红光波段波长635nm，工作半径在50m 以上.车载激光发射器选用波长为850nm 的一字激光发射器，发射功率30mW，激光的有效接收距离大于150m.

2.2 激光接收装置设计

在激光导引发射车前后各安装1个激光接受器，安装位置如图2中前接收器和后接收器.激光接收器可以实时接收微弱低频的激光束信号，经过处理电路处理后，传送位置信号给控制器.

激光接收器传感器由2片硅光电池（20mm×10mm）水平横向排列，信号处理电路包括前置放大电路、整形电路、脉冲展宽电路等.输出3种状态：左硅光电池接收信号、右硅光电池接收信号和2片硅光电池同时接收信号即激光信号在接收器中间.

2.3 激光发射车直线行走的设计

控制发射车直线行走机构由前端激光接收器、主控器、直流电机控制器和2个减速直流电机及行走系组成.其中主控制器控制直流电机运行，采用STC12C5A60S2自带PWM 功能，通过设置单片机的CCAP0H寄存器的值输出不同的PWM 占空比，来改变电机允许速度.直流电机控制器驱动芯片采用飞思卡尔的MC33886，输出电流最大可以达到5A，可以实现电机PWM 调速、正反转、制动等实时控制功能.电路设计考虑了过流、欠压和温度过高的自动保护，并采用光电耦合隔离设计，增强了抗干扰能力.

直线行走的设计原理：激光导引信号发射车上的2个直流电机分饰不同角色.左侧直流电机在工作时，恒定速度运行.行进距离检测电路安装在左侧驱动轮上监测行进距离，当行进距离到达时2个电机同时制动.右侧直流电机通过速度调节，实现发射车的左右转向和直线前进.发射车前端的激光接收器为发射车提供直线行走，左转，右转输入信号.当激光导引信号照射在接收器正中时，右侧直流电机保持与左侧直流电机同速，激光发射车沿激光导引信号直行；当信号照射在接收器左侧时，说明小车偏右，控制器调整PWM 占空比，以控制右侧电机加速，小车左转，直到导引信号回到正中；当导引信号照射在接收器右侧，说明小车偏左，控制器改变PWM 占空比控制电机减速，小车右转，直到激光信号回到接收器中间位置，实现激光发射车沿激光导向信号直线行走.

2.4 行距输入和测量

2.4.1 行距参数输入

由于农机设备不同以及激光接收器在播种机上的安装位置不同，播种偶数播幅和播种单数播幅时，激光发射车行进距离不同.

偶数播幅时激光发射车行进距离［7］

播种单数播幅时激光发射车行进距离［7］

公式中，a表示农机具的幅宽；b表示机组往复行距；c表示接收器的位置到第1个播幅的距离.

行进距离参数的输入方式采用“智能手机＋蓝牙串口模块＋主控器”模式.目前智能手机已经很普遍，而且都具有蓝牙通信功能，通过手机蓝牙功能与蓝牙串口模块建立无线通信，进行参数传输.系统中蓝牙串口模块核心使用HC－06从模块，它可以直接与单片机相连，取代串口通信，简化电路.

2.4.2 行进距离测量

采用霍尔传感器3144和磁钢监测行进距离，将其安装在驱动轮上，通过P3.2口将脉冲信息输入单片机.事先测量驱动轮的直径计算周长，将行进距离设定值除以驱动轮周长即可得出需要记录的脉冲个数.在主控程序中通过单片机的外部计数器功能，记录脉冲个数，当达到设定值时主程序中断，使激光发射车制动.

2.5 车载激光发射器的位置微调系统

发射车行进设定距离后立即停止，此时小车的位置不能确定，经测试停止位置不会偏离导引信号平面A太远，可以微调车载发射器的位置，使其发出的导引信号平面B与导引信号平面A 垂直.位置调整机构由前后2个接收器、倒T 型支架、2个带有滑台的步进电机、激光发射器2组成.结构参考图2.

为了减少主控器的负担，步进电机的控制采用独立控制器，主控器只负责发送启动信号，而不直接控制步进电机.步进电机的控制芯片采用STC15F201EA，增强型8051cpu，1T，单时钟／机器周期比普通8051快6～12倍.内部集成高精度R／C时钟，5～35 MHz宽范围可设置，不需要外部晶振.步进电机驱动芯片采用L293.

微调原理：当激光发射车停止后，控制器判断激光导引信号平面A 落到前端接受器和后端接收器的位置，先后控制前后步进电机带动前端接收器和后端接收器左移或右移，直到激光导引信号平面A 同时落在2个接受器中间，即刻停止.经过双向调整后，倒T 型支架横梁与激光发射器1发射的信号重合，则车载激光发射器2的激光信号平面与激光发射器1的信号平面垂直，保证车载激光发射器每次为播种机提供的导引信号平面是平行的.

3 实验及分析

为了验证装置的准直效果，利用设计的实验平台进行了播种实验.播种实验在保定徐水县某蔬菜温室大棚（10m×90m）中进行，通过实验计算在此导引信号发射车的配合下，播种播向直线度和机组往复行距误差值.播种机采用韩国播兰特JAS－502B播种机播芹菜种子，播种机幅宽60cm，接收器的安装位置到第1个播种器的距离5cm，设定机组往复间距20cm.经计算播种单数播幅时，信号发射车移动距离为10cm，播种偶数播幅时信号发射车移动距离为150cm.

播种后，在播种行上任意抽取点为起始点，沿播向方向测50m，每5m 标注1个测点，获测点坐标，如数据表1；应用最小二乘法拟合播种行直线方程，以拟合直线作为测量基准线，表2为播种行的拟合直线方程.依据DB23／T470－1997《农业机械田间作业质量标准》中对播种直线度误差和行距误差计算方法的描述，通过测点与基准线来计算直线度误差和机具往复行距误差.经计算得出每50m 播向直线度误差为±4.9mm；机组往复行距误差为±7.8mm.

表1 地块内测点坐标Tab.1 Coordinate of monitoring point in seed rows

表2 拟合直线方程Tab.2 Fitting line equation

4 结论

研发了一种性价比高的准直播种导引激光信号发射车，该装置由STC12C5A60S2单片机作为主控制器，对装置硬件和软件进行了设计与实现.实验结果表明，本信号发射车行走稳定，发射信号平行度精确，在此激光信号发射车的配合下，准直播种系统每50 m 播向直线度误差为±4.9 mm，机组往复行距误差为±7.8mm，完全满足农业田间播种质量要求，显著优于人工操作，而且有效提高了驾驶员的操控能力.

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