YZPB—200B装盘播种机精密播种检测系统设计

高云　宋东方

摘要：为了提高精密播种的质量，以C8051F系列单片机为主要核心部分，利用光电传感器检测播种机的行径速度，并将速度传送给单片机，单片机通过计算和分析来调节步进电机的转速，确保种子刚好落入种穴中。结果表明，YZPB-200B装盘播种机的空穴率低于2.4%，每穴1粒率达到89%，符合烟草种植的农艺要求，所以该设计对满足播种机播种装置的一穴一种的要求。

关键词：播种机；单片机；光电传感器；步进电机

中图分类号：S223.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）06-1551-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.048

目前，中国烟草种植多采用包衣种子进行育苗，包衣种子的精密播种直接影响烟苗的后期生长，播种机的播种质量是评定播种机性能的主要标准。播种机在进行作业时采用全封闭形式，无法直观地观察播种情况，容易造成漏播和多播的情况。目前中国多使用气吸式播种机，此播种机精度高，但结构复杂，容易堵塞气孔。针对这一问题，本研究设计了YZPB-200B装盘播种机，该播种机的播种装置由步进电机驱动，传感器监测播种机的前进速度，单片机系统通过采集传感器的数据进行分析而控制步进电机的速度，再通过步进电机控制播种机的播种装置进行播种，实现精密播种的过程，保证每个包衣种子都能够精确地落入种穴的中央；最后通过辅基装置在苗盘上覆盖一层均匀的土壤，确保烟苗的发芽率。

1 系统总体设计思路

本研究设计系统由2个单片机、光电测速传感器、步进电机、报警装置、实时时钟组成（图1）。主单片机是根据对传感器的测量结果来控制步进电机的速度；从单片机主要是显示数据、报警和实时时钟。2个单片机之间通过RS485通信线进行连接。单片机通过对播种机前进速度和步进电机的转速进行实时监测，如果出现漏种和多种现象就会发出报警信号，并通过LCD显示装置显示漏种率。

2 步进电机

步进电机是将电脉冲信号变换为直线和角位移的执行部件，必须通过步进电机驱动器连到直流电源上。该播种机使用芯片L297/L298构成步进驱动器，芯片L297可以产生四相驱动信号，构成四线电机的高速度模式。步进电机驱动器的核心部分是译码器，译码器主要进行模式控制、方向控制和步进式时钟，芯片L298接受TTL逻辑电平信号以及驱动负载。步进电机驱动器原理如图2所示，芯片L297是步进电机控制器，主要用于四相步进电机驱动，该芯片可以通过达林顿管驱动容量更大的步进电机，内部只需要方向信号与模式信号，减弱了单片机程序设计的复杂性。芯片L298主要是用来对步进电机的集成电路进行驱动，使用全桥方式进行驱动，由于该驱动方式是双极性的，全部使用步进电机的内部定子绕组线圈，这样可以发挥步进电机的最大优势。

3 系统硬件设计

3.1 单片机系统设计

该系统选择C8051F系列的单片机，可以兼容指令集，在数据采集等方面要优于8位单片机，C8051F系列的单片机由于自带USB的处理器，可以直接对USB进行设计。主单片机原理如图3所示。该系列单片机推出CIP-51的CPU运行模式，在很大程度上提高了指令的运行速度，将8位单片机推入一个高速时代。该系统中主单片机主要是完成传感器和步进电机之间的数据传输，采集光电传感器的测量数据，通过单片机分析计算来控制步进电机控制播种机的速度，分析并计算出播种机的工作情况，最后把结果送入从单片机中。

3.2 传感器系统设计

该系统播种机的行径速度使用光电转速传感器，主要组成部分是信号处理电路、光电元件以及光电码盘。光电转速傳感器的工作原理是当光通过发光二极管照射到光敏三极管上时，光敏三极管中有光电流产生，光敏三极管导通，这时会生产一个脉冲信号，表示光电码盘每转过一个角度就会产生相应的脉冲数。车速决定脉冲频率，如果此时车速是50 km/h，仪表驱动轴转速时600 r/min，那么光电码盘每转一圈输出20个脉冲。光电传感器测量精度高，结构相对简单，在实际应用中经常应用在非接触式测速场合。

3.3 显示电路设计

显示电路采用LCD液晶显示，LCD液晶显示具有耗电省、集成度高、抗干扰性能好等优点，广泛应用于各类智能控制系统中和各类电子产品中。LCD液晶显示模块由三部分组成，分别是液晶显示器、驱动器以及控制器，需要根据播种机对系统的要求，显示漏播率、播种量等数据，其硬件电路如图4所示。

3.4 电源电路设计

电源电路是整个系统重要的组成部分，电源电路功率的大小和性能是决定整个控制系统安全性和可靠性的重要指标。为了保证电源电压的稳定性，硬件电路如图5所示，将播种机电瓶输出的12 V电压通过转换电路转变成5 V稳定电压输出。

3.5 外部时钟电路设计

外部时钟硬件电路如图6所示，芯片DS1302不仅可以对电路提供时钟信号，还可以将数据储存于随机存储器中，在自动控制系统中应用广泛。芯片DS1302的SCLK、RST、I/O端口与CPU通信，保持同步通信，也可以采取一次传送多个随机存储器数据和时钟数据。

3.6 报警电路设计

报警电路时用声光报警电路，硬件电路如图7所示。声光报警电路具有结构简单、成本较低、安装方便等特点。

4 试验数据分析

播种机的烟种选择包衣种子，种子个数为100个，平均直径为2 mm。试验地块的选择及试验机的要求：①试验烟田土质应具有一定的代表性，有沙壤土、黏土、两合土，烟田起埂长度不小于100 m，烟埂尺寸满足烟草农艺的要求。②试验机具技术状态良好，操作人员应具有一定的操作技术基础，并能按使用说明书的规定进行调整使用和保养。试验过程中不得随意停车和更换操作人员。③试验过程中不准因换人而更换机具。

对样机进行了技术参数测定，测试播种率监测软件的模块，每组都选用100粒烟苗包衣种子，对实际播种量分析得出播种监测程序的精确度，试验结果如表1所示。由表1可以看出，该电容传感器对播种装置的检测符合农艺要求，合格率方面的检测的平均值可以达到89%，漏播率小，减少重播的次数，因此该系统能够比较准确实现一穴一种的效果，达到烟农的要求。

5 小结

播种机精密播种是现在农业技术领域的新方向，可以在不同农田按需播种，提高农作物的后期生长情况。该系统通过在不同的农田进行试验分析和改进，达到烟农的预期目标，符合农艺要求，但有些方面还有待提高。如下面两点：

1）光电传感器的采集信号的实时性还有待于提高，单片机收集信号以及控制步进电机数据的准确性有待于提高，在电路设计中应考虑抗干扰技术和电磁兼容技术。

2）步进电机的输入电压是30 V，播种机的电瓶电压是12 V，所以在设计电路时需要进一步改进外部电路，充分实现农机的自动化控制。

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