播种机监测器的设计.doc

播种机监测器的设计0引言我国是一个农业大国，其中75%的人口是农业人口。中央非常重视“三农”问题，投入了大量的精力和财力，解决“三农”问题。播种是农业生产中的关键环节，“种好收一半”，是长期生产实践对播种重要的总结。所以提高播种机的性能、工作质量和效率已成为最终追求目标，并成为农业机械化首要的问题。精密播种是按农艺要求将种子播到土层中的理想位置，精密的含义包含数的精确性和位的精确性两方面，即种子根据精确的粒数、株（穴）距、行距和播深播入土中。精播可以是单粒种子按精确的粒距播成条行称为单粒精播；也可将多于一粒的种子播成一穴，要求每穴粒数相等。精密播种的作物田间分布合理，植株占有最大的营养面积，通风、光照良好，便于后序作业的机械化，能达到高产丰收的目的。同时，精播可节省种子和减少间苗工作量。但要求种子有较高的田间出苗率并预防病虫害，以保证单位面积内有足够的植株数。精密播种技术具有省种、高产的优点，随着农业现代化的发展和农业产业结构的调整，精密播种机受到了国内外的普遍重视，使得精密播种技术有了更广阔的发展前景。因此，精密播种机已成为现代播种技术的标志，成为播种机的主要发展方向。目前，国内使用的精播机绝大多数是机械式和气力式播种机，由于精播机在播种作业时具有播种过程全封闭的特点。因此，仅凭人的视听无法直接监视其作业质量，如在播种作业时发生机械传动故障、种箱排空、导种筒堵塞、开沟器被土块堵塞、排种器传动失灵等故障现象均会导致一行或数行下种管不能够正常播种，造成漏播。尤其是大型宽幅精播机，其作业速度高、播幅宽，一旦发生上述现象则会造成大面积的漏播，必然造成农业生产的严重损失。所以对于精密播种机，在排种装置上配备可靠性高性能完善的工况参数监测与故障报警系统，对精密播种机的工作运行状态进行实时监测和故障的准确预报，已成当务之急。目前，精密播种机上所采用的监测和报警装置，主要有机械式报警器、机电式报警器和电子仪器式监控系统。机械式报警器是精播机上最早采用的装置，以敲击铃罩不断发出响声，以示报警。与机械式报警器相比，机电信号式报警装置不但有声音报警和指示灯显示，而且可以探测种子箱内的种子是否能够达到正常播种数量。针对目前国内研制的精密播种机监测系统重点在于解决漏播及排种量的问题。本项目要研制一种能够全面监测各项性能指标的精密播种机自动监测系统。它由传感器、报警装置、及单片机控制等组成。监测装置自动测试播种机的各项性能指标，如：排种量，漏播等，并利用计算机软件编程来实现对数据的运算处理，显示并且实时监测播种机的各项性能指标，使其达到指定要求。本研究内容包括以下几个方面：根据精密播种机排种性能确定其监测方案；精密播种机监测系统硬件的设计；精密播种机监测系统软件的设计。本研究项目由硬件设计和软件设计两大系统组成。硬件系统主要包括传感器测试系统，声音报警系统，单片机系统，数据存储系统，显示系统，控制输出电路五部分，可以完成对排种量，漏播率等播种机性能参数的测量、显示和控制；软件系统主要完成数据的运算处理。1监测系统的总体设计方案本课题的总体设计目标是：研制一套能够实时监测播种机播种全过程并能及时发现各种故障以保证播种质量的自动监测系统。该监测系统所具备的主要功能是：监视播种作业的全过程，及时发现在播种作业时发生的种箱排空、排种器卡种及输种管杂物堵塞等故障导致的一行或数行下种管不能够正常播种造成的漏播或重播现象，并迅速排除故障，以保证播种质量。1.1监测系统的总体结构和设计方案总体结构采用多机分工处理的方式来实现对播种机运行状态信息的处理、储存、显示、报警等。各分机之间采用485总线进行通信。分机与主机之间采用无线的通信方式。1.1.1主机设计方案。播种监测系统主机的工作过程如图1所示。1.1.2从机设计方案。播种监测系统从机的工作过程如图2所示。1.1.3系统硬件结构方案的确定。本系统的硬件设计是整个系统设计的基础，主要实现备个信号的采集、调理、输入、处理和输出。该监测系统的硬件主要由电源部分、信号输入单元、主控单元和信号输出单元等组成。信号输入单元主要完成种箱信号、排种信号和转速信号的采集，各个信号的调理及把经调理后的信号输入到单片机等功能；主控单元主要完成数据的运算和处理，计算播种机排种和播种质量各个指标及发出执行元件控制命令等；信号输出单元主要完成实时显示播种机质鼙指标，出现漏播、重播等故障对及时报警等功能；电源部分主要为单片机和传感器等提供直流电压。监测系统的使用人群是普通农户，所以特别需要考虑到生产成本，结合实际监测系统的运算量，监测系统不采用造价昂贵的高速运动控制芯片，可适当采用集成芯片以降低控制系统硬件的复杂程度。本监测系统采用单片机作为主控制器，包括对传感器的响应，数据的运算和处理、显示以及声光报警等。其中系统的输入主要是由速度传感器采集的车速信号，排种传感器采集的种子信号，种箱传感器采集的信号等。系统的输出主要有指标显示和执行机构的驱动信号。1.1.4系统软件结构方案的确定。软件设计运用汇编语言编写程序，采用结构化的程序设计方法。采用结构化方法设计的程序，具有程序结构清晰、可读性好、调试方便、可靠性高等优点。本文主要介绍了主程序的设计，软件设计采用模块化程序设计方法，运用C语言编写程序，其中心思想是把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。2硬件的设计该监测系统的硬件设计可分为主控单元、电源部分、信号输入单元和信号输出单元。2.1主控单元主控单元是整个控制系统的核心部分，数据的存储、测量数据的处理、执行元件控制命令的发出都在这里进行，因此主控单元是一个微型计算机系统，包括微处理器、存储器、I/o接口、定时器计数器及中断系统等。2.1.1CPU的选择。CPU通过感官（传感器）接收信号，并加以比较、判断，然后发出命令，通过其执行机构使系统按照一定的顺序进行工作，它是主系统的核心。本设计选用美国宏晶公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机STC12C6A69S2，该单片机片内含60k bytes的可反复擦写的只读程序存储器FLASH和1280 bytes的随机存储数据存储器(RAM)，器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，STCI2C5A60S2单片机功能强大，适合于许多较为复杂控制的应用场合。2.2电源管理单元电源设计主要包括三个方个的内容：一是电源功耗，二是电源电压，三是电源管理。设计电源对首先要了解系统供电电流（包括某种工作条件下系统消耗的最大电流，以便选择电压调节方法），确定系统电源结构。对于一般的实际应用中，在设计时对功耗的限制只要符合实际系统的需要，主要是选择一些低功耗的器件，并使器件工作在正常憨额定电压下。此外，可以通过选择电源管理和监控芯片帮助减小功耗。本控制系统中，由于采用的STC12C5A60S2单片机，其工作环境需要稳定的+5V直流电源。该系统调试成功后安装在播种机上，并随播种机在田间工作，因而不可能采用220V交流电变压为+5V直流电来供电。可采用的电源是+12V的电瓶，但此电压不稳定，因此需要设计由LM2575降压型稳压芯片将+12V转变为稳定的+5V电压的电路，为系统提供电源，电路图如图3所示。2.3信号输入单元本系统需要采集的信号主要有速度传感器采集的地轮速度（播种机行进速度）信号，排种传感器（安装在接种盒内）采集的排种信号。选用电感式接近开关测量播种机转速。其型号为LJI8A3-8-Z/BX，动作距离为8mm，工作频率为iOOHz，检测材质为A3铁片，厚度不小于imm，尺寸大小为该开关感应面的外径尺寸的正方形为标准进行检测和使用。所以，为了达到测速的目的，自制了一个材料为A3铁片的边缘为锯齿形的圆盘，齿数为32。种子信号的采集由光电传感器来完成，用来监测排种器出口、接种盒内种子的下落情况。2.4信号输出单元2.4.1报警信号输出单元。在播种作业中，若出现漏种或输种管堵塞故障时，就应启动声光报警装置，提示驾驶员停车排除故障。本系统中共用一套声音报警装置，所以要求当各行正常工作时，报警器不报警；倘若某行不下种或堵种时，警报装置发出警报响声。报警电路有连续声和间断声报警电路之分，连续声报警电路所用元件少，电路结构简单。本电路采用了连续声的蜂鸣器作为报警器件，其电路如图4所示，J2插槽接蜂鸣器。2.4.2显示输出单元。显示系统用来实时显示精密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。在单片机系统中，常用的显示器有发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD，荧光管显示器等。本设计采用LCD显示器，HS12864液晶显示器。3软件设计硬件设计完成后，需要经过软件设计，将传感器获取的原始数据经过整形放大电路，送入微机进行运算处理，然后才能输出用做显示器的显示数或控制器的控制数据。因此软件背负着对采集到的数据进行分析处理的重任，本软件采用C语言进行编制程序。在程序设计时，将整个程序分为几个功能模块实现。主要包括主程序、播种机各性能指标测量子程序（包括播种量测量子程序、排种速度测量子程序、播种面积子程序）、声光报警子程序、各性能指标显示子程序。3.1主机程序设计主程序的功能是对单片机及其它芯片的工作状态进行初始化，同时组织调用各子程序，按预定要求完成控制功能。程序具体功能包括：对单片机及其它芯片进行初始化；发送命令，访问路由机获得各个终端机的播种作业信息；将采集到的数据进行处理，获得的各个终端机下种量，报警信号等信息；将各性能指标显示在LCD显示器上供驾驶员参考。将性能指标显示设计成显示子程序，主程序调用显示子程序即可显示各性能