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莱农学院硕+ 学位论文 摘要 精密播种机漏播监测与自动补偿系统的研究 摘要 精密播种是现代农业增产的重要途径，精确地检测排种器的性能是实现精密播种的 重要环节。目前，国内使用的精密播种机绝大多数是机械式播种机，该类型的播种机作 业时都存在不同程度的漏播现象。本文利用机电一体化技术研制了带有漏播检测及补偿 装置的新型精密排种器，解决机械式排种器的漏播问题。该装置把单片机和光电传感器 检测系统相结合，自动检测排种性能，出现漏播后自动补种，同时排种器和输种管出现 故障时能进行报警，并显示故障的原因和位置，以方便驾驶员排除故障。该系统大大提 高了机械式精播机的精播质量和作业效率。通过排种器试验台试验，结果表明该装置工 作可靠、符合设计要求。 本研究的主要工作为： ( 1 ) 研制了带有补偿装置的新型精密排种器，设计了漏播检测及自动补偿测控系 统。当排种器出现空穴缺种时，排种器上的光电传感器将漏播信号发送至单片机 ( a t 89 c 5 1 ) ，由单片机控制补种装置进行补种，以达到漏播补偿目的。 ( 2 ) 设计了以单片机a t 8 9 c 5 1 为核心的播种机工况检测报警系统。该系统通过指 示灯和蜂鸣器对种箱缺种和开沟器堵塞等故障进行报警；本系统安装了液晶显示器来显 示播种数量，同时显示发生故障的原因和所在位置等相关信息。 ( 3 ) 试验研究了该带有补偿装置的新型排种器的排种性能。通过试验，新设计的 排整器排种工作可靠，当排种盘转速为2 5 5 0 r m i n 时，漏排率为6 8 1 5 8 ，经补 偿装置补偿后，补种率为9 1 左右，最终漏播率为0 6 一1 3 。补种位置较准确，补 偿后的粒距合格率与补偿前相比仅下降2 1 。 关键词：精密播种，单片机，监控，漏播补偿 柴农学院硕十学位沦文 a b s l r a c t l b s e a r c ho na b s e n td e t e c t i o na n da u t o m a t i c c o m p e n s a t i o ns y s t e m o fp r e c i s i o ns e e d e r a b s t r a c t p r e c i s i o ns e e d j n gj sa ni m p o r t a n tm e a n sf o rj n c r e a s i n gp f o d u c t i o ni nm o d e r na g r i c u l 【u 化，a n dd e t e c t i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fl h em e l e 。p 1 3 y sa i m p o r i a n tr 0 1 ei p r e c i s i o ns e e d i n g n o m e c h an j c a jm e l c r sa r e w j d e l yu s e di np r e c j s i o ns e e d i n a n dd i 丘e r e n ia b s e n c es e e d i n go f t e nh a p p e n e dw h e ni tw o r k s i nc h j sp 3 p e lan c w p r e c i s i o nm e t e rw h i c hc o m b i n e sm e c h a n i c sa n de l e c t r o n j c sw a sm a d et os o l v et h e s e e d j n ga b s e n c ep f o b l e mo ft h em e c h a n i c a lm e i e r s ，a n dj th a ds e e d i o ga b s e n c ed e t e c “n ga 1 1 dc o m p e n s a t i “g f u n c i i o nt b j ss y s l e mw h i c hc o m b i n e dt h es j n g l e c h j pc o m p u i e ra n di h es e n s o r - l e s l i n gs y s t e md e t e c 【e dt 1 1 。 p r o p e r t yo fl h em e t e ra u f o m a l i c a l ly ，a n di tc o m p e n s a t e dt h es e e d sa u t o m a t i c a l l yw h e nt h es e e d i n ga b s e n c e h 8 p p e n e d i tw o u l da l a 珊w h e nm a l f u n c i i o nh 8 p p e n e d 。nt h em e t e ro rs e e d i n g p i p e ，a n dd i s p l a y e dt h e r e a s o na n dp o s i t j o nt i m e l yt oh e l pm ed r i v e rs o l v et h ep r o b l e m 1 1 l i ss y s t e mi m p r o v e dt h es e e d i n gq u a i i t y a n dw o r h n ge 埘c i e n c yo fm e c h a n i c a ldr j | l s t h en e wp r e c j s i o nm e t e rh a db e e ni e s i e do nl h et e s i 七e d e x a c c l y ，a n dt h er s u l cs h o w st h a l t h cf u n c t i o n so “h i ss y s t e ma 代f e a s i b i ea n ds a t i s f i e d t h em a j nc o n i e n l sa r ei h ef o l l o w i n g s 1 an e wp r e c i s i o nm e t e rh a db e e nd e s i g n e di nt h i sp 印e lam o n j t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s c e mh a d b e e nm a d el od e t e c ta n da u i o c o m p e n s a t et h es e e d i n ga b s e n c e w h e nt h ec a v i i yw a se m p t y ，t h es e n s o w o u l ds e das i g n a l t os i n g l e c h i p c o m p u t e ra 1 。8 9 c 5 1 ，a n da t 8 9 c 5 1w o u l dc 彻t r o l t h ec o m p e n s a t i o n e q u i p m e n lt oc o m p e n s a i es e e d s 2 a l a r ms y s t e mw a sd e s j g n e dt od e i e c t t h es e e d i n gp m c e s s ，u s i n ga t 8 9 c 5 1a st h ec e n t r e 1 1w o u l dg i v e a 】a r mb yi 1 1 d j c a i o rj i g h la n db u z z e rw h e ns e e d - b o xw a se m p l yo rd j t c h e rw a sj a m m e d t h j ss y s t e mb a d l i q u i dc r y s t a ld i 8 p 1 3 y ，w h i c hd i 8 p l a y st h en u m b e ro fs e e d s ，t h er e a s o na n dp o s i i i o no fl h ep r o b l e mt i m e l y 3 t h 。p e r f o 册a n c eo ft h en e wm e t e rw i t hs e e d i n ga b s e n c ec o m p e n s a i i n gs y s t e mh a db c c nt e s t e da n d s t u d i e d t h er e s u l i ss h o w e dt h a tt h e e wm e t c r 、o r k e ds e c u r e l yb ye l p e d m e n t j “g t h es e e d j n ga b s e n tr a t e w a si n6 8 1 5 8 w h e n 【h em e t e rw o r k e dj n2 5 5 0 r m i n a n e rc o m p e n s a l e d ，t h ec o m p e n s a t i o nr a t e a i i a i n e d9 1 ，a n di h ef j n a ls e e d i n ga b s e n ir a i ew a sj n0 6 1 3 c o m p a r e dw i i hi h cf o r m e lt h e s e e d _ s p a c er a l ef a l l2 1 a f i e rc o m p e n s a t e d ，a n dt h ep o s i t i o no fl h ec o m p e n s a t e d s e e di se x a c l i 如y w o r d s ：p r e c i s j o ns e e d i n g ；s j n g l e c h i pc o m p u t e r ；m o n i l o r ；a b s e n c ec o m p e n s a t i o ns y s t e m i i 莱农学院硕十学何论文第1 章绪论 1 绪论 1 1 研究背景 播种作业是农业生产中最基本最重要的一环，播种机是执行播种作业的主要机具， 其性能好坏直接关系到农作物的生长和产量。而排种器是播种机上的关键部分，其性能 的好坏直接决定了播种机的性能的好坏，因此在播种机的设计和试验过程中对排种器性 能进行充分的试验和检测，是保证播种机质量的重要的一环。 单粒精密播种技术是今后播种技术的一个重要的发展方向。单粒精密播种不仅可以 节约种子，节省工时，有利于田间管理，而且能使种植作物时所需的资源( 如种、肥、 水等) 得到充分的利用，从而能大大提高作物的产量。在国外，对玉米、甜菜、大豆等 作物普遍采用精密播种。在我国，精密播种技术也是近年来农业部大力推广节本增效工 程技术的主要内容之一。但是就目前国内外使用精密播种机的情况来看，现有的精密播 种机的性能还不能完全满足农艺上的需要，还需要不断的研制新型的精密播种机。特别 是在我国，各种精密播种机的研制大多还处于探索和试验阶段。即使目前己投入使用的 精密播种机，电还存在许多有待改进的问题。所以，国内外对精密播种机特别是精密排 种器的研究方兴未艾。而在排种器的设计和试验过程中对其排种性能进行精确、高效的 检测，则是研制高性能精密播种机的重要保证。因此，开发一种精确、高效、经济的排 种器排种性能的检测系统具有极大的意义。 精密播种技术具有省种、高产的优点，它可以使作物获得良好的发育生长条件，保 证苗齐、茁壮、为增产增收打下基础。但精密播种机在工作时不可能避免出现重播和漏 播现象，不能完全确保精播质量，又由于精密播种机在作业时播种过程全封闭，因此播 种质量的好坏凭驾驶员的视听是无法完成的。若精播机在作业时出现了排种失灵或输种 管堵塞等意外，则必然导致大面积的重播、漏播断条现象，这会造成减产。所以，研究 一套检测系统随时检测播种性能，并进行全局监控是有必要的，它可以提高生产率、节 约劳动力，对推动农业的机械化有着重要的意义。 1 2 国内外监控系统的研究现状 早在2 0 世纪8 0 年代初，西方国家就已开始将电子技术用于农业机械的转速测量，联 合收获机的损失监测、速度控制，喷灌流速的测量及高度控制，播种与镇压的电子监视 播深控制等方面，并不断致力于降低产品成本、改进工作性能及改善对农业环境影响的 研究。这类系统一般包括传感器、显示器、控制单元、执行机构、专家系统等。利用机 电体化技术对传统播种机进行改造，增加电子龄控与调节装置，可以大幅度提高播种 莱农学院硕+ 学位论文第l 章绪论 质量，改善设备可靠性易操作性，提高生产率。 精播机上采用的监测和报警装置大致有三种类型，即机械式报警器，机电信号式报 警器和电子仪器式监视装置。前两种根据机械装置中工作部件的不正常状态发出报警， 电子仪器式监视装置则主要监视种子流动是否f 常。现有的电子仪器监视装置的工作信 号是通过种子流切割光线而得到的，当种子正常流动时，光源发出的光被流动的种子挡 住，传感器接收不到光线，而当种子流动很稀少时，传感器接收到光线，监视装置发出 工作不f 常报警。 精播机上最早出现的是机械式报警器，法国的n o d e t 气吸式播种机上的一种响铃 装置就是机械式排种故障报警器。当排种器发生故障时，装在主动套上的弹片遂主动套 转动，弹片越过突起的挡片时，弹片弹起，弹片上的小锤敲击铃罩不断发出响声，完成 报警。英国斯塔赫s 8 7 0 型1 2 精密播种机上采用了电子监视器【1 j o 在种子箱中采用浮子式 种子贮量测量监视器，用转轮式排种器监视器，监视排种轮是否转动。前苏联c v nh _ 8 型播种机采用仪器自动监视播种过程中种子箱中种子高度，当不下种时就发出声响信 号，同时操作台上相应开沟器的号码灯亮；当种箱中种子低于允许水平时，就发出短促 的声响信号并亮红灯【2 】o1 9 8 2 年日本曾研制出一套排种系统，该系统由一圆盘式排种器 和一个周期性驱动电路组成，周期时间同种子和种道分离时间一致，种子在种道上的运 输由一电磁设备控制，这样种子被连续排至种沟 ”。在国外，电子仪器式监控系统是目 前精密播种机上使用较多的监控系统，具有代表性的美国c y c l o 一5 0 0 型播种机上配置的电 子监控系统是由传感器、光电转换线路、报警控制和信号显示装置构成【l j 。传感器是监 视仪的重要部件，其作用是将输种管中种子流动的情况变换成电信号。传感器多用光电 元件安装在输种管附近，当种子通过传感器的种子通道时，遮断光束，使光电管发出信 号，表示有种子通过，u ! d 显示器有规律的闪亮：当某一行或者数行发生障碍时，无种子 通过，i 正d 显示器不正常闪亮，并发出报警声响。 国内从8 0 年代后期也开始了微机检测系统的研究。1 9 8 9 年北京农业工程大学电力电 子学院丌始将c c d ( c h a 喀e c o u p l e dd e v i c e ) 用于排种器性能的检测，能够满足对精播、 条播、穴播部分指标的评价1 4 j 。 黑龙江矿业学院针对气吸式精密播种机漏种问题，研究了以m c s 一5 1 单片机为核心 的智能化高精度漏种检测仪，对播种的全过程进行实时检测，并同步反馈漏种信息给操 作手f ”。该检测仪利用单片机实现智能化检测，结构简单、工作可靠、轻便实用、安装 方便。试验证明，播大豆的漏种检测精度达1 0 0 ，播玉米的漏种检测精度达9 8 以上。 1 9 9 6 年，中国农业大学测试中心丁至成教授于年研制了基于单片机的排种均匀度检 测仪f 6 | 。该仪器以8 0 3 1 为中央处理器，轻便、成本较低，除能在显示设备上显示检测数 2 柴刚农学院硕+ 学位论文第l 章绪 论 据外，还能打印计算结果。利用压电式声电传感器将下落籽粒机械碰撞产生的声波转变 为电脉冲，并采用放大、整形、限压电路，下落籽粒的时间问隔采用了计数计时器计时， 并通过中断方式发送剑单片机实现控制。 1 9 9 7 年，华中农业大学的王树才等人研制出了单粒排种器单片机检测系统【7 】。该系 统通过软件设计，可以检测单粒排种器排种的合格率、重播率、漏播率、标准差、变异 系数等性能参数。 1 9 9 8 年，河北农业大学机电系开发完成了一套精密播种机工作性能微机化检测系统 1 8 j 。该系统采用光电传感器测量落种，采用电磁传感器测量排种器转速。软件采用了i b m p c8 0 8 8 汇编语言，对信号进行采集、处理和分析，可测定出操作速度、排种均匀性、 变异系数等参数。 中国农业大学的史智兴2 0 0 2 年采用高效激光二极管，完成了除尘、防尘、高性能抗 干扰的检测系统【9j 。初步探讨了利用一组传感器来检测排种均匀性。作者主要考虑系统 的工作环境恶劣，因此着重讨论了传感器的选择。 中国农业大学的金衡模2 0 0 2 年进行了精密播种机自动监测及漏播补偿装置设计【1 0 】。 作者采用两组传感器进行检测种子的流动，对漏播及时报警并能开启自动补偿系统。作 者还设计了空气排堵系统。通过传感器的监测，当堵塞发生时可自动报警并及时输入高 压空气排出堵塞。该装置能够进一步提高播种质量，减少劳动强度，提高劳动生产率， 解决了由于堵塞而带来的长期漏种现象。 2 0 0 3 年，马旭运用计算机图像处理技术，建立了精密排种器性能检测系统【1 ”。该系 统通过对种子动态图像的详细分析，提出了根据播种面积和种子间距来检测排种器性能 的特征提取方式。 2 0 0 4 年，李伟利用计算机视觉技术实现对精密播种机的排种检测，解决了通过直接 获得种子粒间距而检测播种精度的难点问题，提出了动态图像亚拼接检测方法1 1 。 2 0 0 5 年，山西农业大学的董亚峰研究了一种基于机器视觉检测的模式识别方法并进 行了试验验证。以种子自身的截面积为参数，消除了从图像上看因种子重叠而造成的漏 计 1 3 】。 精密播种的优越性己经得到广泛的共识，但是精密播种是一个复杂的综合技术系 统，真正实现普及和推广需要诸多相关因素和技术的配套与同步。目前在我国广泛实施 精密播种还存在一些阻力和困难。一个重要的技术因素就是日前精播机在排种可靠性和 粒距均匀性等方面尚存在较多的问题，还需要不断改进，特别是播种外形不规则的种子 时，问题就更多一些。 从以e 可看出现代的检测方法已经达到一定水平，精密播种检测系统可实现精播机 莱r 1 农学院硕十学位论文 第1 章绪t f f l 问播种检测自动化、智能化，大大提高了精密播种机的播种质量。目前，大型的气， 式精密播种机目前还没有普及，下，简单的机械式播种机应用还比较广泛，因此国内精g 播种机的研究也仅在适合国内情况下进行。目前国内大部分的研究是运用价值低廉的与 片机系统进行检测和控制。在国外，精密播种机已经相当成熟，其检测控制系统也非禹 先进，功能齐全，性能良好，作业精度较高。 1 3 课题的研究内容 目前，农业机械现代化研究的重点实施农机自动化，要设计出比人工播种效率高， 又像人一样敏感，能准确判断并能处理播种作业的自动化机械设备。现在单片机控制j j 术已经相当发达，它不仅具有单方面控制功能，而且有多方面控制的优点。因此可考髓 利用这一技术来设计制造出一种微处理器控制下的精密播种系统：它利用传感器监测扫 种器充种情况，并有中央处理器进行判断，可以及时准确地发现缺种问题，以减少漏括 情况的发生。即使发生，也能及时进行补种，从而保证播种质量，使种子分布均匀，建 加农作物产量。又由于采用单片机进行控制，就可以相应的实现无人播种检验，从而腊 低劳动成本，提高劳动效率。 根据研究目的和文献分析结果，本课题集中在用机电结合手段解决漏播的检测和 动补偿，以求较大幅度地提高精密播种机的播种质量和生产效率。具体包括以下方面： ( 1 ) 本课题研制一种带有补偿装置的精密排种器。主排种器工作时，利用传感嚣 检测是否缺种，如果出现漏排则开启副排种器进行漏播补偿。整个工作主要是在原有篚 排种器上改进，添加补偿装置，在适当的部位加上传感器及补偿装置，完成漏播检测点 补偿装置系统，以达到漏播监测自动补偿功能，降低精密播种的漏播率。 漏播监测自动补偿系统的主排种器选择机械式精密排种器，因为气力式排种器需要 配置风机，体积大，结构复杂，造价高，目前在国内还没有得到广泛应用。在机械式槔 密排种器中，内充种式精密排种器以其结构简单，调整方便，成本低，近几年来发展轲 快，因此主排种器选择内充种式。辅助排种器转速低排量小，可以设计种结构较简珲 的排种器完成补种。 ( 2 ) 控制系统主要设计一个单片机控制系统，完成漏播与种箱缺种的声光报警和 补偿装置补种的开启。如图1 1 所示 莱r 1 农学院硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 监测补偿控制系统框图 f i 9 1 1s 仃u c t u r eo ft h em o n i o ra n dc o m p e n s a t i o ns y s t c 巾 整个控制系统主要包括以下内容， l 、漏播检测及自动补偿系统：系统的任务一是及时准确检测出排种器是否漏排， 监测到漏排后及时控制补偿装置进行补种，二是检测整个播种系统作业状况是否良好， 如果出现导种管堵塞，种箱缺种等故障，及时报警并在显示器上显示。 2 、控制系统设计：包括电路设计、器件选择、抗干扰措施的采用，以及单片机的 外围器件的设计，这些组成一个完整的监控系统。 3 、软件编写调试：为由单片机组成的精密播种漏播检测与自动补偿装置提供控制 软件；对缺种、漏播和输种管堵塞的数据信号进行处理，播种数量显示程序。 柴农学院硕十学位论文第2 章带有补偿装置的精密排种器发计 2 带有补偿装置的精密排种器设计 目前生产中应用的各类机械式排种器，由于都存在不同程度的漏排问题，不能满足 精密播种的要求，因此解决机械式精密排种器的漏排问题是技术难点，本研究解决此问 题的思想是，在某种机械式排种器上增加具有补偿功能的副排种器，结合机电一体化的 测控装置，当主排种器出现漏排种现象时，由测控系统的传感器测出并向单片机发送信 号，再由单片机发送执行信号来驱动副排种器工作，自动补种，由此解决漏排问题。 2 1 新型精密排种器的结构及工作原理 本课题研制的新型精密排种器是在原内充种式排种器的结构上改制而成的，内充式 垂直圆盘式排种器，其具有良好的充种性能，清种定量准确，对种子损伤小【1 ，因而主 排种器选用了内充种式排种器，在此基础上增加一排副排种结构及测控装置，其结构与 工作原理如图2 1 所示。 图2 1 新型排种器结构图 f i g 2 1d i 8 9 r a mo ft h en e wm e t e r 新型精密排种器主要由排种盘、壳体、护种板、电磁铁及传感器等组成。在排种器 的出种口位置安装电磁铁和护种挡板。排中器的排种盘上带有两排窝跟，靠近排种器转 轴的一排为主排种窝眼，另一排为副排种窝眼。当排种轮正常排种时，种子就有主排种 窝眼排出，副排种窝眼里的种子被电磁铁上的挡板挡住不能排种，如图2 2 所示，以实 莱刚农学院硕士学位论文菊2 章带f i 补偿装置的精密排种器设计 现单粒精播。如果排种器窝眼出现漏充种，则传感器检测到缺种信号，这时经过控制系 统驱动电磁铁打开副排利，窝眼进行补种，如图2 3 所示，实现漏播补偿。 图2 2 副排种窝眼关闭状态 f i 9 2 2t h ec l o s e ds t a t eo fa s s i s t a n tm e t e o 图2 3 副排种窝眼补种状态 f i 9 2 3t h ew o r “gs t a t eo fa s s i s t a n tm e t e r 内充种式排种器的型孔位于排种盘内的侧，在进行播种时，随着排种盘的转动，由 于重力和离心力的作用，种子在排种盘的侧壁与排种器壳体构成的充种室内进入长圆孔 的窝眼中( 其有效窝眼内只能盛放定量种子) ，窝眼中多余的种子在落种区靠重力自由 落下，返回充种室继续使用。进入窝眼内的定量种子，被稳定可靠地被送到护种区，沿 护种板转到投种区并在重力和离心力的作用下排出，如图2 4 所示。 图2 4 排种盘工作过程示意图 f i g 2 4f ig i l r eo fp r i n c i p l es k e t c ho fi h em e t e r 莱r i 农学院硕十学位论文 第2 章带有补偿装置的精密排种器设计 排种器出现漏排种是由于排种盘上的窝眼在充种区没有充上种子造成，如果转过充 种区则改窝眼不能再充种，因此在充种区结束位置就能判断出窝眼是否有种。如果能在 出种口之前及时地检测出缺种，这样从检测到漏播到投种口出种有一段延时时唰，如图 2 4 所示，补种装置可以在这段时间内可以进行准备补种。该时间越长越有利于补种的 进行，因此传感器越提早检测到缺种越有利于补种装置进行补种。本设计中传感器开在 落种区，能提前检测检测到窝眼是否缺种，从检测位置到出种口有较长的延时时问提供 给补种装置进行补种。如果传感器设在出种口位置进行检测，即使检测到漏播信号，也 不能及时补种，即使补种也会错过缺种位置，造成粒距不均匀和重播。 2 2 自动补偿装置的设计 本补偿系统由光电传感器、电磁铁、排种器、输种管等组成。在排种盘的每一个窝 眼底部贴上反射涂层，并且在排种器的种子进入落种区位置的外壳上开直径约1 0 m m 的通 孔，构成一个观察孔，然后调节光电传感器使其光轴通过观察孔对准反射涂层，这时光 电传感器恰好能接收到自己发出经反射涂层反射回来的红外光线。如图2 5 所示。 一壳) 图2 5 排种器传感器安装图 f 吨2 5l d c a t i o no fs e n s o ro nm e t e r 由于排种器上的传感器位置处于落种区位置，不能再进行充种。如果排种盘某一转 中传感器位置处的窝眼上没有种子，那么在该转内窝眼上由此往后都将不会有种子，这 时反射涂层把红外线反射给传感器，这时传感器接收到红外线信号，输出高电平。该信 号送至处理器便，这时处理器便会判断出陵窝眼上没有种子。当窝眼上有种子时，由于 反射涂层面积略小于种子，种子盖住了反射涂层，于是光电传感器接收不到自己发出的 红外线，这样传感器输出的是低电平，同样送给处理器便，处理器便判断出该窝眼上有 莱刚农学院硕士学位论文第2 章带有补偿装置的精密排种器殴计 种子。 在整个播种过程中，仅仅判断出窝眼上没有种子是不够的，还需要进行补偿该窝跟 上缺少的种子，这需要外加补偿装置。本补偿装置是在排种器的出种口安装电磁铁和护 种挡板。由于要进行单粒补种，当排种轮正常转动时，种子有主排种窝眼排出，电磁铁 没有动作，护种挡板恰好挡住排种轮的副排种窝眼。如果主排种窝眼缺种，则传感器检 测到自己发出的红外线，输出高电平到单片机，单片机发出低电平，经非门后给电磁铁， 此时电磁铁执行吸拉动作打开另一排窝眼，进行补种。 本补偿系统的主副排种器合二为一，利用电磁铁来控制补种，结构简单，动作可靠， 可以节省大量的材料和空间。实物安装如图2 6 所示。 图2 6 电磁铁的安装位置 f 追2 6l d c a i i o o fe l e c t r o m 8 9 n e io nm e i e o 2 3 补偿驱动的设计 本补偿系统中，采用直流电磁铁来进行补种。由于步进电机造价较高，控制结构复 杂，另需电源，所以没有采用步进电机。电磁铁体积小，结构简单，电源可用拖拉机的 电瓶电源，无需另配电源。本系统采用的m q 4 0 2 电磁铁各参数如表2 1 所示。 一般的微型直流电磁铁的工作电流都在几百毫安以上，甚至几安培，电磁铁的工作 电流越大，则拉力越大，工作位置也越可靠，而一般的控制系统主板上的电源不能满足 大电流这个要求，故只能靠拖拉机的电瓶电源来提供大电流。补偿系统要求电磁铁按特 定的时间段内开启和闭合，因此必须由单片机来发送信号来驱动电磁铁，这就要求添加 电流放大电路或者继电器，考虑到添加电流放大电路比较复杂，更进一步增添了系统的 不稳定因素，因此选用简单的小功率继电器来控制电磁铁的开闭。 莱农学院硕士学位论文第2 章带有补偿装置的精密排种器设计 表2 1m 0 4 0 2 电磁铁参数表 t a b l e2 - lp a r a m e t e r so f m q 4 0 2e i e c t r o m a g n e t 名称m 0 4 0 2 型号直流电磁铁 产品外形 动作方式吸拉式 吸合行程 n l m0 1 5 工作范围 初吸力 2 1 0 m m 3 0 05 m m 6 0 0 终吸力 g o m m 1 8 0 0 线圈电压直流v d c1 2 ：2 4 机械次 1 1 0 6 使用寿命 电子次1 1 0 6 继电器 图2 7 电磁铁驱动电路 f i 9 2 7d r i v e rc i r c u i to fe i e c t r o m a g n e t 本系统选用的是s r d 系列中的s r d 一1 2 v d c 型号的小功率继电器。其吸和时间短，最大 为8 毫秒，释放时间最大为5 毫秒，认证负载为7 a ，2 8 v d c ，最大切换电流达1 5 安培。该 1 0 柴刚农学院硕十学位论文第2 章带有补偿装置的精密排种器硬订 型号继电器体积小，寿命长，在1 8 0 次分的频率下，额定使用次数为1 x 1 0 ，其额定功 率仅为0 3 6 瓦。由于该继电器的线圈额定电流仅为3 0 毫安，因此单片机输出信号经三极 管放大后即可驱动，其电路图如图2 7 所示。 2 4 补偿系统工作流程 在播种作业过程中，排种器上的红外线光电传感器始终检测排种轮的窝跟是否缺 种，如果缺种，则发送高电平送至单片机，单片机根掘设定的作业速度，进行适当延时， 这段时间等于缺种的窝眼转到出种口的所需时间，当缺种窝眼转到出种口时，单片机发 送高电平信号送至电磁铁驱动电路，打开继电器，电磁铁吸和拉刀：，这时排种轮的第二 排窝眼便打丌落下种子。单片机在发送高电平后再进行延时，之后取消高电平，这段的 延时时问等于一个窝眼的长度转过出种口的时间，这样才能保证补种时单粒神子落下。 在开沟器上部附近的排种管上装有另组光电传感器，该传感器可以检测种子的流动情 况，判断开沟器是否出现堵塞，并记录播种过程种子数量，其工作流程如图2 8 所示。 圈2 8 补偿系统工作流程 f j 9 2 8f 1 0 wc h a r io fa b s e n c ec o n l p e n s a t i o ns y s l e m 柴m l 农学院硕十学位论文 第3 章监测系统的设计 3 监测系统的设计 目前国外的一些精密播种机的监测系统比较成熟，其结构比较完善，检测控制系统 也非常先进，功能齐全，性能良好，作业精度较高，但结构复杂，价格昂贵，很难适应 我们目前的经济现状。结合当前的播种机发展状况，以及单片机控制的迅速发展，采用 价廉的单片机来进行设计精密播种机的监测和自动补偿系统是可行的。在进行系统的实 验时以花生种子为例进行了验证【1 6 “】。 本监测系统主要选用两组红外线传感、a t 8 9 c 5 1 单片机、8 2 5 9 a 中断控制器、8 1 5 5 并 行i o 扩展芯片、8 2 5 3 定时器及l c d 液品显示器等组成。整个监测系统安装在机械式排种 器上，利用光电传感器检查判断种子在排种轮和输种管内的流动情况，并运用机电一体 化技术对整个播种过程监控。 3 1 系统监测原理 该监测系统主要靠两组红外线传感器来实现检测，红外线传感器髓测效果良好，灵 敏度 图3 1 监控工作流程图 f i 9 3 1f l o wc h a r to fm o n i t o ra n d c o n t r 0 is y s t e m 莱农学院硕十学付论文 第3 章监测系统的设计 监测系统的第一组传感器设在排种器的种子出口处，而发在排种器上。当排种盘上 的某个窝眼罩没有种子时，传感器输出高电平，如果有秭了二则持续低电平，信号送给 单片机，然后由单片机来判断是否缺种，由于传感器检测位置丌在排种器上，这样可以 提前检测排种论的窝眼里是否有种子，从而有充分的时间来准备补种。 第二组传感器设在玎沟器附近向上的输种管上，用以计算正常播种时的种子数和均 匀度及检测输种管是否堵塞。当排种正常时，传感器检测到的是有规律的均匀的信号。 如果输种管上的传感器长时间没有脉冲信号，月第一组排种轮上的传感器没有检测到缺 种，则是排种器堵塞。如果排种器上的传感器检测到各窝眼上始终没有种子，则是排种 箱内缺种。当丌沟器堵塞时，种子向上积累遮住传感器，会出现持续、不间断性电平， 传感器向中央处理器发送开沟器堵塞信号。当单片机监测到排种异常时便进行声光报警 和显示，以提示驾驶员播种设备出现故障。 监测系统主程序框图如图3 2 所示，开机初始化后检测并记录播种行进速度，如果 该速度变化则重新进行初始化各定时器的初始值，保证速度变化后f 确延时。漏播、堵 塞报警及显示等均以中断方式实现，漏播后补偿、显示、报警、种子计数等功能都在各 自中断服务程序内实现。 图3 2 主程序框图 f i 9 3 2c h a r to fm a hp r o g r a m 3 2 精密播种监测系统的设计 精密播种检测系统要求检测灵敏、准确、快速、可靠，其灵敏和准确要靠传感器来 莱日i 农学院硕十学位沦文第3 章监测系统的设计 实现，快速和可靠性则由系统的硬件和软件来保证。 3 2 t 监测系统的组成 整个监测系统主要有两组红外线光电传感器、输种管、声光报警及液晶显示系统构 成。如图3 3 所示，排种轮传感器位于排种器上，检测窗口开在种子转出落种区且刚刚 进入护种区的位置上检测窝眼旱是否有种子，如果缺少种子，传感器便向中央处理器( 单 片机) 发送高电平缺种信号，然后由单片机来进行计算适当延时，以开启电磁铁来进行 补种或者发出报警信号。输种管传感器则监视整个播种过程是否流畅，是否均匀，并记 录所有播种数目，同时检测开沟器或输种管是否堵塞，如果丌沟器或输种管堵塞，种子 便向上积累遮住传感器，这时传感器变向单片机发送高电平信号，再由单片机来进行声 光报警并显示出示是哪一行开沟器堵塞。 种子箱 图3 3 监测系统圈 f i 9 3 3s t m c t u r eo ft h em o n i t o rs y s t e m 32 2 系统硬件组成 整个系统需要中央控制器，显示部分，监测部分，补偿部分和报警部分几大部分， 因此设计监测系统硬件结构方案，如图3 4 所示。 整个硬件系统能实现对播种工况的控制，在系统控制面板上加有发光二极管，分别 柴刚农学院硕+ 学位论文第3 章监测系统的设计 代表每行播种机的播种状况显示灯。l ( d 液品显示器，用米显示种子的播种量，和部分 故障信息。另外设有输入数据键及功能键，建立了十六个输入键，根据不同的作业速度 可以设定不同的延时时问。在控制面板上设置复位键，因此整个安装、调试过程中，系 统一旦出现故障，除了系统软件具有自我保护功能外，系统硬件还具有复位的功能，能 及时的初始化到原来的正常工作状态。 系统对整个播种过程进行自动监测控制，排种器传感器监测排种过程中是否有空现 象，排种轮的窝眼是否有种子，即是否出现漏播。当排种轮的窝眼空穴后，传感器检测 到，并向单片机发送一个高电平，在有单片机计算好延时的时间后丌启电磁铁，进行补 种。输种管传感器主要是判断播种的均匀程度，以及输种管、开沟器是否出现堵塞。每 一个传感器对应的一个指示灯，当其中一行出现不正常时，对应该行的指示灯闪烁，同 时液晶显示屏显示相关故障原因及位置等信息，并且蜂鸣器鸣响，以提示驾驶员出现异 溯。 图3 4 监控系统结构框图 f i 9 3 4c h a r to ft h cm o n i t o ra dc o t r o ls y s t e m 3 2 3 直流稳压电源 直流电源可以通过多种渠道获得，大多数情况是利用电网的交流电源经过转换而得 柴农学院硕士学位论文 第3 章监测系统的设计 到的。2 2 0 v 交流电一般经过整流电路后进行滤波，这时交流电变成含有一定成分的直流 电压，然后送入稳压器( 7 8 0 5 ) 的输入侧，再进行稳压，最后得到基本上不受外界影响 的、稳定的直流电 1 9 1 。由于罔l 训作业的拖拉机都带有直流1 2 v 电瓶电源，因此不必外需 整流和滤波电路部分，但是该电源电压不稳定，脉动大，若作为电源来供给系统电路时， 电路的工作状态也会随之变化而影响性能，不能满足整个单片机控制系统的要求，因此 需要变压和稳压电路。本系统的单片机控制系统需要+ 5 v 电源供电，因此将1 2 v 电源变成 稳定的直流5 v 电源即可【。其稳压电路如图3 5 所示。 图3 5 电源稳压电路图 f j 9 3 5r e g u 】a t o ro fe i e c t r i c a is o u r c e 电路中的7 8 0 5 稳压器一种三端固定集成稳压器，有输出端、输出端和公共端三个 引出端，输入电压为7 3 5 v ，输出的稳定电压为+ 5 v ，最大的输出电流为1 o a ，内部设 过热保护电路和过流保护电路，所以使用安全可靠。一般的三端式稳压器输出电流有一 定的限制，为了在此基础上进一步扩大输出电流，外接大功率三极管的方法，以上图示 电路就是利用外接电路来扩大输出电流的一种方式。负载所需的大电流由大功率三极管 t 来提供，而三极管的基极有三端集成稳压器驱动。电路中接入一个二极管用以补偿三 极管的发射结电压u b e ，使电路的输出电压基本上等于三端集成稳压器的输出电压。同 时，接入的二极管也补偿了温度对三极管u b e 的影响，使输出电压比较稳定。其中电容 器c ，是在输入线较长时抵消其电感效应以防止产生自激振荡；c 2 的作用是滤掉二极管两 端的脉动电压，以减少输出电压的脉动成分；c ，是为了削弱电路的高频噪声。 3 2 4 传感器电路设计 由于单片机机只能接收数字信号，刘非电量式模拟信号是无能为力的，因此它需要 由传感器把非电量转换成电量，再把模拟信号转换成数字信号，然后才能在微处理器内 某刚农学院硕l 学能论文第3 章监测系统的设计 进行刊算处理，再发出各种控制命令。传感器位于整个监测系统的丌始，是获取信号的 第一环节，其性能直接决定以后的工作效果。在本监测系统中，传感器的任务主要是检 测种子的流动情况，即检测种子的有无。 32 4 1 传感器的选用1 2 1 。2 5 】 传感器在动态特性( 即频率响应与时间响应) 方面，以光电信增管和光电二极管( 尤 其是pin 管与雪崩管) 为最好；在光电特性( 即线性性) 方面，以光电倍增管、光电 二极管和光电池最好；在灵敏度方面，以电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电 三极管为最好。灵敏度高，不一定就是输出电流大。长期工作的稳定性方面，以光电二 极管、光电池为最好，其次是光电倍增管与光电三极管；在光谱响应方面，以红外光 电倍增管和c d s e 光敏电阻为最宽，但是光电倍增管响应偏紫外方向，而光敏电阻响应偏 红外方向。 0 u t g n d 图36 光电传感器内部主线路图 f i 9 3 6t h em a i nj n s i d ec i r c u j to fp h o t o e l e c t r i cs e n s o r 从传感器成本电路复杂程度、便于使用来考虑，本系统采用的是内部有光敏三极管 的观点传感器来检测种子播种是否正常。其内部电路结构如图3 6 所示。传感器的红外 线发光二极管( l e d ) 对准目标发射光束，光束不问断地发射，接收器有光敏三极管组 成，光敏三极管灵敏度高，长期稳定可靠。如果在发光二极管和光敏三极管之间没有物 体的遮挡，这时光敏三极管接收到红外光线并导通，r 2 上的电压近似等于v c c 电源电压， 这时在0 u t 输出端输出高电平。当发光二极管和光敏三极管之问有物体存在时，红外光 线被遮挡住，光敏三极管此时不导通，r 2 上压降为零，o u t 输出端为低电平。一般地光 敏二极管输出的信号比较小，不是标准的电平电压，所以要外接放大电路。 莱农学院硕十学位论文第3 章监测系统的设计 图3 7 光电传感器外部控制输出电路 f i 窨3 7o u t s i d ec o n t r 0 ic i r c u j to fp h o t o e i e c t r j cs e n s o r 本监测系统排种器检测传感器采用的是b m l 0 0 一m d t 系列的传感器，它是一种镜而反 射型的传感器【2 6 j ，其最大输出电流可达2 0 0 毫安，外部控制电路如图3 7 所示。 该系列的传感器需要1 2 2 4 v 的电压，该产品对电源的要求不高，电源电压叮在 1 22 4 v 之间波动，其波动幅度为1 2 2 4 v 1 0 左右，因此拖拉机上的电瓶电源就可以满 足，不需要另设稳定的电源。其动作模式方式是可选的，控制线接在v c c 电源上时，检 测到种子是高电平输出脉冲信号，控制线接在地线上时是低电平输出脉冲信号，如图 38 。 劫佟方式 l 嘧h 1 0 n d a 墩0 n 镁收动终 盒嚣盥凰 一阙豳 动你精承辩 搽凰凰 凰一豳。豳 融e 0 ) t r 幸自出 群一豳j 豇随豳豳 图3 8 传感器动作模式 f i 9 3 8w o r h n gm o d eo fp h o t o e i e c t r i cs e n s o r 输种管监测传感器要求不高，可以用简单的小功率发光二极管和光敏三极管构成的 检测装置完成种子流动情况的检测，如图3 9 所示。 莱农学院硕士学位论文第3 章髓洲系统的设计 图3 9 光电传感器电路 f i 9 3 9c i r c u i to f t h ep h o