智能播种机控制系统设计

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计 智能播种机控制系统设计 INTELLIGENT CONTROL SYSTEM OF SEEDS学生姓名： 青浩学 号： 200741914411年级专业及班级： 2007级机械设计制造及其自动化(4)班指导老师及职称： 康江 副教授湖南长沙提交日期：2011 年 5 月湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录摘 要1关键词11 前言12 建立播种量、速度与转速的数学模型23 智能播种机控制系统整体方案43.1 智能播种机控制系统的整体思路43.2 智能播种控制系统方框图43.3 单片机的选择与概述53.3.1 单片机的选择53.3.2 ATmega128单片机结构与性能特点54 智能播种机控制系统模块概述及原理74.1 单片机系统模块74.1.1 单片机电源模块74.1.2 ATmega128单片机最小系统模块84.2 JTAG通讯模块94.3 播量信息输入模块104.3.1 键盘输入播量104.3.2 智能播量的控制104.4 机具前进速度采样模块104.4.1 传感器的选择104.4.2 增量式旋转编码盘原理114.4.3 机具前进速度采集电路114.4.4 光电编码盘测速方法124.5 检测播种量模块134.5.1 传感器的分析及选择134.5.2 光纤传感器的结构原理144.5.3 传感器的电路原理图144.5.4 传感器的安装154.5.5 油菜籽粒检测方法164.5.6 模糊算法164.5.7 籽粒数转化成播量的算法174.6 液晶显示模块175 执行机构的确定185.1执行机构类型185.1.1可用执行机构185.1.2 执行机构的选取185.2 伺服系统介绍195.2.1 伺服电机工作原理195.2.2伺服器206 整体系统原理图217 智能播种机控制系统程序设计217.1 程序设计的目标217.2 系统软件开发工具217.2.1 C语言217.2.2 程序编程工具IAREW227.3 程序开发流程介绍227.3.1 系统主程序流程227.3.2 系统的子程序流程237.3.3 检测机具前进速度子程序237.3.4 播量检测子程序237.3.5 电机转速控制子程序237.3.5 LCD1602子程序237.4 小结238 总结24参考文献24致 谢25附录25 智能播种机控制系统设计 学 生：青 浩 指导老师：康 江(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)摘 要：本次设计的智能播种机控制系统采用ATMEGA128单片机作为主芯片。单片机先对增量式编码盘采集的信号进行分析处理得到机具的速度，然后根据所建立的数学模型，通过算法编程控制伺服电机的转速来实现智能播种，其中为了精准播种还设计两个反馈系统：伺服电机转速的反馈和实际播种量的反馈。同时还设计了1x4的独立键盘进行不同参数的设置和LCD1602显示模块，增强了系统的可操作性和人性化。关键词：ATMEGA128；编码盘；数学建模；光纤传感器；LCD1602； Intelligent Control System Of SeedsAuthor:QingHaoTutor:kangJiang(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract: This design intelligent seeder ATMEGA128 single-chip microcomputer control system adopts Lord chip. SCM first to incremental coding dish analyzed with acquisition of the signal, and then get some speed according to the established mathematical model, through the programming control algorithm servo motor speed to realize intelligent sow, which was designed to precision seeding two feedback system: servo motor speed feedback and the actual rate of feedback. Also 1x4 independent keyboard designed different parameter setting and LCD1602 display modules of the system, enhance operability and humanization.Key words: ATMEGA128; Coding dish; Mathematical modeling ; Optical fiber sensor；LCD1602； 1 前言 目前我国的播种机以传统的谷物条播机为主，与小型拖拉机配套的播种机及畜力播种机目前仍占主导地位。全国有500家左右的企业生产播种机，其中只有10家生产与大中型拖拉机配套的播种机，与小拖配套的播种机和畜力播种机的产量已占到全国播种机产量的90%以上。近几年，我国的联合作业播种机发展也较快，其机具主要有播种一拖肥联合作业机、耕作播种联合作业机、松土施肥覆膜穴播联合作业机和施水播种联合作业机等。为提高精密智能播种，本次设计了一种用于智能播种机的排种自动控制系统。系统由单片机控制单元、光电传感器、人机接口单元和伺服电机控制单元组成，可以完成数据的输入、反馈、处理和排种器转速的控制。作业时系统采用传感器测量播种机的作业速度，用光纤传感器反馈实时播种量，用伺服电机代替步进电机作为执行机构驱动排种轴转动，减小了步进电机失步对播种精度的影响。该控制系统可以直接对排种器播种量等参数进行设置，使用方便。该系统可提高播种的精度和农作物产量,减轻农民的劳动强度,对我国农业发展具有重要意义。2 建立播种量、速度与转速的数学模型本智能播种控制系统设计中，要实现智能播种，需要建立播种量、机具前进速度和排种器转速三者间的数学模型，但耕种作物的多样性，在不同地理位置以及不同的播种季节种子的播种量就有所不同，正因为这种复杂性，建立一个理想条件下的数学模型，对于设计者来设计智能播种控制系统有一定的帮助，同时这也是本设计的重点。假设播种机匀速前进速度为v(m/min)，播种方式为条播；排种器的转速为n(r/min)；单位时间里排出的种子质量为q(g/min)；每一公顷排种机排出种子的质量为Q（g/m）；那么三者间可以列如下关系式： Q=10000q/v因为通过机具的检测装置可以检测机具的前进速度v(m/min)，实际的播种量Q操作员可以根据田间信息来确定，所以只要找出n与q的关系就可以知道不同播种量Q（g/m）对应的排种器的转速n的数据。从而通过输入不同播种量Q来用单片机编程控制对应的排种器的转速n，实现智能播种。排种器单位时间排量q与转速n关系试验：试验时，用调速电机带动与它相连的排种轴转动，由手持式数字转速表测定调速电机的转速为10、20、30100r/min,确定试验转速后，接种开始计时，连续接种五分钟，称重计算得此转速下排种器单位时间排量，重复试验20次取平均值作为试验分析数据。试验结果与分析：试验中得到的数据以转速n(r/min)为横坐标，以单位时间排量q(g/min)为纵坐标建立坐标系，将上述试验数据描绘到该坐标系中，观察试验数据点之间的关系，发现呈一次线性曲线趋势，故用最小二乘法对所得数据进行处理，可以在MATLAB中，建立其线性拟合曲线。最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。根据最小二乘法，设线性方程形式为：y=a+bx系数a、b和最小二乘法拟合曲线可以通过Matlab来实现。最小二乘法Matlab程序及图形如图1：x=14,25,36,44,56,64,78,84,90;单位时间排量q(g/min) y=3,5,7,9,12,13,14,15,14;p=polyfit(x,y,1)p = 0.1589 1.5525 x1=14:5:90;y1=polyval(p,x1);plot(x,y,*r,x1,y1,-b)求得线性方程为： y=0.1589x+1.5525即：q=0.1589n+1.5525排种器轴的转速n(r/min)再根据单位播量、速度、转速三者间的关系式得到播量Q（g/m）与排种器的转速图1 排量与转速关系Figure 1 Displacement and speed relationsn(r/min)关系式： Q=（1589n+15525）/v； 拟合线性方程通常用回归系数来衡量其拟合程度，它是对两个变量之间线性关系强度的度量值，也是排种器稳定性的衡量标准。公式： 其中， x排种轴转速 Y每个转速下对应的单位时间排量 排种轴平均转速 每个转速下对应的平均单位时间排量 线性方程的相关系数此时线性方程回归系数为=0.977说明拟合曲线与实际图形拟合程度高，与实际播种量误差不是很大，排种器比较稳定和精准。3 智能播种机控制系统整体方案3.1 智能播种机控制系统的整体思路智能播种机控制系统的目的就是通过实际需要的播种量来实现控制，根据第二章所建立的数学模型可知：播种量与机具的前进速度和排种器转速有关，因此在对控制系统进行设计时主要考虑以下内容，一是通过机具的检测装置检测机具的前进速度；二是通过控制与排种器直接相连电机的转速来改变排种器转速；另外，为了让播种量更加精确、稳定，本设计考虑在排种口安装检测排量的传感器，构成一个反馈系统，把检测的数据与输入的播种量进行比较，分析该系统的稳定性。整个控制系统包括三个输入信号一个输出信号：机具的前进速度的输入、播种量的输入、排种口检测到的播种量的输入、排种器转速的输出。 智能播种机控制系统采用单片机作为控制系统核心，因为该系统并不是很复杂，要处理的数据也不多，不需要用更高级的芯片作为CPU。单片机作用是处理分析各种输入信号，通过程序来控制与排种器相连电机的转速，从而实现智能播种。 3.2 智能播种控制系统方框图通过以上分析，总结出智能播种机控制系统的方框图如图2。播种机机具前进速度速度传感器 播种量信号驱动排种器排种伺服电机电机驱动器单片机反馈电机速度 编码盘种子计数传感器计数反馈图2 控制系统方框图Figure 2 Control system charts首先通过键盘输入一个播种量信号给单片机，单片机根据采集到的机具前进速度和播量公式进行处理得到一个对应的排种器电机的转速，然后通过PWM调速来实现控制电机的转速，同时在电机轴端上有编码盘对电机的转速进行检测，并反馈给电机驱动器使其进行转速调整后输出精确的电机转速，形成一个闭环控制系统。另外，在排种口安装有种子计数传感器对播种量进行检测，单片机通过检测信号与给定的播种量进行比较后，输出与播种量相匹配的转速信号，使整个系统又形成一个闭环反馈系统。因此，整个系统就具有两个闭环反馈系统，使电机能够精确输出与所需播种量相对应的排种转速，保证了整个系统的准确性和可靠性。3.3 单片机的选择与概述3.3.1 单片机的选择单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，且其全部型号都支持ISP在线编程、芯片可以反复擦写，这样在对系统进行反复调试时就非常方便，可以在目标电路板上直接对芯片进行编程、调试，而不需要专用的编程器和仿真器，同时由于其价格低等优势，所以最终本设计选用AVR系列的ATmega128单片机作为控制芯片。3.3.2 ATmega128单片机结构与性能特点图3 单片机引脚Figure 3 Microcontroller pinsATmega128是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。它具有先进的RISC结构，包括131条指令、32 8位通用工作寄存器和外设控制寄存器、全静态工作、工作于16MHz时性能高达16MIPS；它具有非易失程序和数据存储器，包括128K可改变程序Flash存储器、可经受10000次的擦写寿命、有独立锁定位、可选择的代码区、4K字节的EEPROM，其擦写寿命是100000次；另外，ATmega128单片机具有两个独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕获功能的16位定时器/计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器；ATmega128具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，53个可编程的I/O口，低功耗的省电和掉电模式。另外ATmega128还具有丰富的中断资源以处理随机事件和故障。ATmega128的引脚如图3。 图4 ATmega128的内部结构Figure 4 ATmega128 internal structure表1 ATmega128 中断与计数器资源配置Table 1 ATmega128 interrupts and counter allocation of resourcesATmega128具体配置如表1：序号程序地址中断源中断定义1$0000RESET外部引脚，上电、掉电检测、看门狗、JTAG AVR复位2$0002INTO外部中断请求03$0004INT1外部中断请求04$0006INT2外部中断请求05$0008INT3外部中断请求06$000AINT4外部中断请求07$000CINT5外部中断请求08$000EINT6外部中断请求09$0010INT7外部中断请求010$0012TIMER2 COMP定时器/计数器2比较匹配11$0014TIMER2 OVF定时器/计数器2溢出12$0016TIMER1 CAPT定时器/计数器1捕捉时间13$0018TIMER1 COMPA定时器/计数器1比较匹配A14$001ATIMER1 COMPB定时器/计数器1比较匹配B序号程序地址中断源续表中断定义15$001CTIMER1 OVF定时器/计数器1溢出16$001ETIMER0 COMP定时器/计数器0比较匹配17$0020TIMER0 OVF定时器/计数器0溢出ATmega128是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。4 智能播种机控制系统模块概述及原理4.1 单片机系统模块4.1.1 单片机电源模块本控制系统中单片机系统需要的电压为+5V直流稳压电源，一般播种机或蓄电池可以提供+12V的直流电压，所以可以设计一个电压的转换电路，但田间工作环境比较复杂，机械工作时的振动大，蓄电池供电不够稳定，从而影响整个单片机系统的正常工作，因此需要设计一个高质量电源电路，以保证一个稳定的5V电源给单片机系统供电。此电源电路将12V电压通过100Uf/50V的电解电容器C1、C2和0.1UF的瓷片电容并联在输入输出两端滤掉高次谐波，C4、C5是退偶电容，可以防止电机运转所产生电磁干扰经电源入侵单片机系统。在输入端加个二极管IN4007防止电源反接从而保护系统安全。在电路中采用了基准稳压芯片ASM1117，其可以把基准电压调整到1.5%的误差以内，以减少由稳压器和电源电路超载而造成的压力，从而输出5V稳定电压。其电路原理图如图5。图5 电源电路原理图Figure 5 Power circuit principle diagram4.1.2 ATmega128单片机最小系统模块单片机最小系统模块即为单片机系统能进行工作所必需的电路模块，其他功能都是在最小系统的基础上实现的。一个单片机最小系统模块由单片机、晶振、复位电路、JTAG接口，必要时扩展的片外程序存储器、片外数据存储器、和其他相应电路等构成。ATmega128具有128K字节的在线编程Flash、SRAM数据存储器和4K字节的EEPROM，故在一般情况下不需要扩展存储器。在ATmega128单片机的XTAL1和XTAL2引脚之间接上12MHz的晶振和22pF的电容然后接地，晶振电路提供单片机工作频率，并通过22pF电容滤掉高次谐波。复位电路是由上拉电阻、电容和按键构成，因为单片机复位脚对低电平有效，所以它的常态应为高阻态、需要一个上拉电阻，只有当按下按键时才复位。这样就构成了ATmega128单片机最小系统模块。其ATmega128单片机最小系统模块电路原理图如图6。图6 单片机最小系统模块电路原理图Figure 6 Single-chip microcomputer smallest system module circuit principle diagramATmega128单片机内部资源的分配：根据本设计控制系统所要实现的功能，需要对ATmega128单片机的端口进行分配，主要有五个功能的端口需要进行分配，分别为机具前进速度采集端口、播种量采样端口、执行机构控制端口、键盘端口、LCD1602液晶端口。具体端口分配如下：键盘端口：PF0- PF3：Key1- Key4。机具前进速度采集端口：PE7：（ICP3），采用此端口定时/计数器3的输入捕获功能。播量采样端口：PD4：(ICP1), 采用此端口定时/计数器1的输入捕获功能。电机控制端口：PB4：PWM，利用此端口的输出比较功能控制电机的转速（PWM调速）；PB5：DIN，控制电机的正反转。液晶显示端口：PA0-PA7：DO-D7 ，LCD1602数据端口；PG2：EN，LCD1602使能端口；PG1：WR，LCD1602写指令端口；PG0：RS，LCD1602读状态端口。4.2 JTAG通讯模块图7 JTAG原理图和实物Figure 7 JTAG principle chart and realPC机中程序下载到单片机需要用USB转串口通讯，需要用MAX232芯片，它可以在线编程仿真，电路原理图和实物图7。4.3 播量信息输入模块4.3.1 键盘输入播量本系统采用14独立式键盘，分别为KEY1、KEY2、KEY3、KEY4，KEY1为移位键、KEY2和KEY3为加减键、KEY4为确定键。四个按键分别接在单片机的PC0、PC1、PC2、PC3引脚上，按键相互独立，四个引脚上信号和工作状态不相互影响，设计的是低电平有效，通过程序扫描检测出PC0、PC1、PC2、PC3端口是低电平还是高电平，即可判断键盘上哪个键被按下。播种机在田间作业时，操作员根据田间信息，手动按键输入播种量，且输入的信息都会显示在LCD1602上，便于操作者的观察和分析。键盘的电路原理图如图8。图8 键盘原理图Figure 8 Keyboard principle diagram在田间作业，机械难免震动，会影响键盘信号的稳定，因此，在程序设计中加入了键盘去抖的程序，每当按下一个按键，CPU在识别其弹上之后再延时20毫秒，以防止按键的机械抖动而重复输入某种信号造成输入信号错误。4.3.2 智能播量的控制根据第二章数学模型中得到的播量与机具的前进速度和排种转速之间的关系式Q=（1589n+15525）/v，只要输入公顷播量，单片机就能根据函数关系式来控制与排种器相连的电机的转速，从而实现智能播种。4.4 机具前进速度采样模块4.4.1 传感器的选择在本控制系统设计中，需要自动获取机具的前进速度，且传感器所采样数据的准确性对整个系统质量和精度非常重要。测量速度的方法较多，主要有雷达、霍尔、光电编码盘多种形式测量速度。雷达测速是采用物理学中的多普勒原理一种测速方法，其原理是当目标和雷达之间存在着相对位置运动时，目标回波的频率就会发生变化，频率的改智能称为多普勒频移，用于确定目标的相对径向速度。该方法测量精度高，一般用于高速测速场合，价格昂贵，不宜用于农业机械。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它具有对磁场敏感、结构简单、频率响应宽且安装维护方便等优点，但是其测量精度不高，而且很容易受干扰。光电编码盘是一种集光、机、电于一体的速度位移传感器。其具有结构简单、价格低廉、抗干扰能力强、分频能力高、测量精度高且易于控制等优点，是自动控制中经常采用的一种测速传感器。根据以上几种传感器的资料分析，选择精度高、结构比较简单价格较便宜的光电编码盘。光电编码盘常见的有增量式编码盘和绝对式编码盘，增量式旋转编码盘是以脉冲的形式输出，每转一周产生一系列脉冲，经过后续电路技术对脉冲进行处理得到转过的角度并判别转动的方向，可以实现多圈无线积累的测量；绝对式编码盘是直接将角位移或线位移转换为二元码（即0和1）的数字式传感器，在它的圆形码盘上由透光和不透光的同心码道沿着码盘径向分布，码盘上的码道数代表二进制数码的位数，其在工作过程中以代码形式输出，转动方向通过代码的变化趋势来确定。4.4.2 增量式旋转编码盘原理增量式旋转编码盘主要有光敏元件、光电码盘、光电元件和整形电路组成。其基本原理图如图3.6所示，由光敏元件发光，一片透镜收集光源光线并投射到与电动机同轴安装的光电码盘上。光电盘上刻有等距离的透光条纹，当它旋转时，三个光电元件A、B、Z将各自接受到一个光电脉冲列，这三个脉冲列经后续电路整形变成需要的A、A*、B、B*、Z、Z*六组信号，信号中A、A*、B、B*用于计算位移量，由外圈透光条纹和上面两个光敏元件产生。Z、Z*用来做位置基准，由内圈的一个粗条纹和下面的光敏元件产生。经过整形电路处理的信号，转换成标准的矩形波（1和0）。通过统计1和0之间的转换次数即可知道旋转过的角度。通过旋转的角度和时间即可计算出相应的线速度。图9 光电编码盘原理图Figure 9 Photoelectric coding dish principle diagram 接受整形电路光敏元件透 镜码 盘光电元件ZBAZ*ZB*BA*A 4.4.3 机具前进速度采集电路在对机具的前进速度进行采集时，单片机与编码盘连接三根线，+5v的电源线、接地线，脉冲输出线，电源ATmega128单片机共用，脉冲输出与ATmega128的定时/计数器3的输入端口相连接，采用定时/计数器3的输入捕获功能对脉冲的上升沿进行捕捉。光电编码盘输出的脉冲信号携带干扰信号，影响系统的精度，导致较大的系统误差，因此电路设计中采用高速光耦6N137对干扰信号进行隔离，从而提高系统的精度。采集到的脉冲信号，通过信号转换并处理得到机具的前进速度。其电路原理图如图10。图10 机具速度采集电路原理图Figure 10 Machine speed acquisition circuit principle diagram4.4.4 光电编码盘测速方法测速方法：在通过增量编码盘进行测速时，主要有三种方法：T法、M法、M/T法。T法，是通过测量编码器产生一个脉冲所用的时间来计算转速，该方法适合速度较低的场合；M法，由于码盘转过一周的脉冲个数是确定的，因此在编码器工作时，测量一个确定的时间内编码盘的脉冲数即可确定转速，比较适合于工作转速比较高的场合；M/T法，是M和T两种方法的结合，通过测量一定时间内增量编码盘输出脉冲的数目来确定转速，该方法适合转速范围变化较大的场合。由于播种机前进速度属于低速，因此采用T法进行测量。设光电编码盘每转脉冲个数为Y，一个脉冲周期值为T，则转速为：，单位r/min；线速度为： ； 式中：r为轮子的半径，Y为光电编码盘每转脉冲个数，对于一个选定的光电编码盘其脉冲个数即盘码盘上的光珊数是确定的，Y=1024。因此只要测出一个脉冲周期值T就可根据公式计算出机具的前进速度，下面对测量一个脉冲周期值的测量方法进行介绍。测量周期T算法：采用增量式光电编码盘对机具的前进速度进行采集时需要对脉冲进行精确计数，一般的单片机采用定时的方法进行频率测量，这种方法就需要一个定时器和一个外部中断，这样就要占用两个硬件资源，影响精度，Atmega128单片机的定时器/计数器3本身具有输入捕获功能单元，见图11，该功能可以对外部事件的发生进行精确捕捉，并记录该事件发生的事件痕迹。利用该功能进行频率测量时只占用一个硬件资源从而提高了测量精度。在对机具的前进速度进行检测时，因为编码盘输出的是方波信号，因此只要对产生的两个连续的上升沿进行捕捉并记录两个上升沿的时间差即可得出一个周期值。图11 T/C3的输入捕捉单元Figure 11 T/C3 input capture unit当有一个上升沿触发时，利用引ICP3噪声抑制边缘检测器ICR3TCNT3ICF3脚ICP3上的输入捕捉功能对该时间进行捕捉，此时定时器/计数器3的计数寄存器TCNT3进行记录，然后把记录的内容自动同步赋予捕捉寄存器ICR3中，并置位输入捕获标志位ICF3并产生中断申请。即当每一次ICP3捕捉到上升沿时，TCNT3中的内容都会再次同步赋予ICR3。因此，如果连续两次的ICR3数据被记录下来，那么两次的ICR3的值相减再与计数器计数脉冲的周期相乘即可得到编码盘输出信号的一个周期值。 4.5 检测播种量模块 4.5.1 传感器的分析及选择检测播种量传感器主要有红外传感器、超声波传感器和光电传感器、光纤传感器。红外传感器：红外传感器是利用红外线来探测物体的测量器件，内部发射特殊红外线光波，相当数据流，也就是数字信号转成红外信号-红外信号转成数字信号（达到控制，信号传输的效果）。 红外传感器属于精密型传感器，它具有相当好的测量针对性。但其电路比较复杂且受温度、环境影响大，不利于种子计数。超声波传感器：声波传感器是应用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频(人耳听不见)声波来停止感应的，假如这声波碰到了某个物体反射回来，传感器就能接纳到回波。传感器依据声波波长和发射及接纳回波的时间差就能肯定传感器探头与物体之间的间隔，因此超声波传感器测量系统太复杂，不适合本设计。光电传感器：光电传感器是一种将光能转化成电信号的传感器，其电路比较简单，但是对于微小颗粒的物品进行测量，其精度不高，容易产生漏检。光纤传感器：光纤传感器是一种把可见光转换成某种电量的传感器，光纤传感器较传统的传感器相比有许多持点：灵敏度高；结构简单；体积小；耗电量少；耐腐蚀；绝缘性好。 综上所述，从油菜籽粒的大小；传感器的成本、性能、精度；电路的复杂程度以及实验室现有的条件等综合考虑，本检测系统选用FFTQ-1025光纤传感器，并与其相配套的FF-300高性能双数显两路输出光纤放大器。如图3.9、3.10所示。 此光纤传感器检测距离高精度模式是25mm,一般模式是10mm，最小可以检测直径为1mm的物体，其区域光纤为25mm10mm；光纤放大器最快的反应时间为16us，检测距离最远可达20mm。 图13 光纤放大器Figure 13 Fiber amplifier图12 光纤传感器Figure 12 Optical fiber sensor4.5.2 光纤传感器的结构原理光纤传感器由光发电器（光源）、敏感元件（光纤）、光电元件、信号处理系统等构成，由光源发出的正弦光波经光纤引导至测量对象，光波特征参量（如振幅、相位、偏振态等）会由于外界因素对光纤的作用发生变化，这时光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质将受到调制，被调制的光经过光纤耦合后输出给光接收器中的光电元件，光电元件将光信号变为电信号，经信号放大及相应脉冲电路的处理得到被测量的参数。图14 光纤传感器原理Figure 14 Optical fiber sensor principle4.5.3 传感器的电路原理图光纤传感器放大器输出的电压信号是6v左右的脉冲信号，与单片机的电平信号不兼容，所以需要一个电平调理电路，4.7v的稳压管进行限定信号幅值在5V左右并进行转换，使与单片机的电平兼容，然后与单片机上的ICP1端口相连接。其电路图如图15所示。图15 传感器采样电路原理图Figure 15 Sensors sampling circuit principle diagram 4.5.4 传感器的安装 初步对油菜种子经过排种器排种时进行传感器计数试验发现传感器计数误差较大，而当对单个种子下落时进行计数试验，其精度可达5%,因此通过反复对比和试验发现，出现该种误差最主要原因是：（1） 导种管过长，种子从型孔下落时首先存在一个初速度，经过排种管到达排种口时在重力加速度的影响下其速度加速的非常快，油菜种子颗粒又比较小，平均直径只有1.2mm，因此经过排种口通过传感器的时间很短，即使传感器的响应时间为1ms，也就有可能出现传感器对速度过快的油菜籽无法响应的现象。（2） 对于本系统所使用的偏心轮型孔轮式排种器，其型孔的大小是5mm，孔深为3mm，其一次可以充种45粒，这样就可能出现有两粒以上的种子同时通过传感器的现象，而光纤传感器主要使用脉冲下降沿计数，就有可能对水平线上连续通过的种子只计数一次，从而导致漏检影响精度。以上问题最终会导致油菜种子的漏检并产生较大的误差，漏检将直接影响整个系统的精确度，基于此问题作者为了减少漏检率，提高精度，设计了可以对油菜种子进行排序、减小油菜种下落速度的一种装置。如图16。图16 排序装置图Figure 16 Sorting device figure 经过对几种槽型以及安装尺寸的试验，安装一个与排种器底板夹角为40的V型槽对排出的的油菜籽粒进行排序，这时排种器型孔轮型孔排出的油菜籽粒经过V型槽后籽粒即能够排列有序又不会堵塞。另外，考虑到油菜种子下落过程中由于重力加速度的影响下落速度会越来越快，因此应保证有足够的长度让籽粒均匀排序的前提下减少籽粒下落距离，通过试验设计V型槽的长度为200mm。这样此装置就可以实现油菜籽粒的排序，以便于检测。经过此装置排序后排出的油菜其播种均匀性将得到进一步的提高，从而提高了整个智能播种系统的精度。4.5.5 油菜籽粒检测方法 光纤传感器检测口尺寸为25cm10cm，在检测口内部有排列均匀的光纤网，因此当有一粒油菜种子落下时光纤就会被挡住，受光器电路马上作出反应输出一个脉冲信号。1、检测口；2、油菜籽粒；3、传感器；4、光纤图17 传感器采样电路原理图Figure 17 Sensor sampling circuit principle diagram当排种器工作时会有多颗种子连续经过检测口，只要每两粒种子之间有一定的时间间隔，下落一粒种子信号灯就会闪烁一次并输出一个脉冲信号，种子连续的下落就产生多次脉冲信号，只要对光脉冲数量进行计数就可以检测到种子数，从而检测到播量。如图17所示。但是，在排种的过程中由于受各种外界条件的影响，虽然经过了排序装置，但是还是有两粒种子同时落下、或者没有时间间隔的两粒及以上种子不间断的重叠下落的情况，这样，信号灯就只闪烁一下，输出一个脉冲信号。因此会造成漏检的现象，产生误差。4.5.6 模糊算法对油菜籽粒进行检测时采用了ATmega128定时/计数器1输入捕获功能和溢出中断功能，对一个脉冲的上升沿和下降沿进行输入捕获并产生中断计时来实现脉冲计数。另外根据对油菜籽粒经过传感器的状态分析，本研究还采用了模糊算法对计数脉冲的脉宽进行补偿，从而使漏检率降低到最小。油菜籽粒在下落过程中会产生脉冲信号，可以得出脉冲频率和脉宽，种子的大小不同脉宽也会不相同，当有两粒或者两粒以上种子没有时间间隔连续通过检测口时，如图所示情况，只会产生一个脉宽，其脉宽比一粒种子落下时检测的脉宽大。因此在检测过程中产生的脉宽的大小具有随机性，如图18所示，M表示每一个脉冲的脉宽，t表示产生一个脉宽的时间，T表示产生20个脉冲的总时间。所以采用算术平均法对采集到的脉冲信号进行处理，其算法如下：一组数据采集20组脉冲信号，产生20个脉宽分别为M1、M2 、M3 M20 ，去掉一个最大值和一个最小值之后还剩下18个脉宽，取18个脉宽的平均值，设为M平，设i为比例系数，其值为，则；如果 ，计为1粒种子通过； ，计为2粒种子通过； ，计为3粒种子通过；这样通过算数平均值算法补偿就可以降低漏检率，提高整个智能控制系统的精度。图18 检测过程中产生的随机脉宽示意图Figure 18 Testing process by the random pulse-width schemes pulse-width schemes 4.5.7 籽粒数转化成播量的算法通过算数平均值算法对种子产生的脉宽进行处理之后，检测系统就根据脉宽数对排出的油菜种子进行计数，但是本论文研究的是每公顷播种量，因此需要通过算法对传感器检测到的籽粒数进行处理，最终得到每公顷播种量。算法如下：设：一定时间t内检测到的籽粒数为Z,排量为q,单位g；油菜的千粒重为，单位g；播种机播完一公顷所用的时间为T，单位s；实际输出播种为,单位g；机具的前进速度为v,单位m/s。则： ； ；4.6 液晶显示模块LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。它可以显示两行，每行16个字符，共可显示32个字符，不但可以显示数字还自带字母、符号等192种ASC码对应的字符库，都有对应的地址。LCD1602作为人机交互界面，显示智能播种机在工作过程中的各项参数和状态，更加让操作者容易上手，更加人性化。其电路原理图如图19。图19 LCD1602原理图Figure 19 LCD1602 principle diagram5 执行机构的确定5.1执行机构类型5.1.1可用执行机构执行机构是智能控制系统的主要组成部分，目前比较适合智能播种系统的主要有液压系统控制型、直流电机控制型、步进电机控制型等三种类型。液压系统控制型:液压控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。步进电机控制型：步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合单片机控制。 直流伺服电机控制型：在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确，将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。5.1.2 执行机构的选取液压系统控制型精度高、响应快，但其结构相对复杂，体积大，成本高，只适合大型机械场合。步进电机系统控制型，步进电机控制系统属于开环控制系统，没有反馈环节，而且步进电机启动或震动较大时，容易出现失步现象，因此会造成系统的不稳定性。直流伺服系统控制型，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器可以反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转动速度，这样自身就形成了一个闭环控制系统，控制精度比较高；另外伺服电机的响应时间比较快，可以根据输入的播种量信号的不同，快速调整电机的转速以达到精确智能播种的要求，发热和噪音比较小，所以适合智能播种机控制系统。通过以上的综合分析，最后选择伺服系统作为驱动排种器的动力，伺服系统包括伺服电机、伺服驱动器和编码盘，结构图如图3.15所示。系统通过单片机输出一个电信号给电机驱动器，伺服电机驱动器根据信号转化成相应的转速脉冲给伺服电机，编码盘把采集到的速度再反馈给驱动器，与原来值进行比较输出更精确脉冲信号给伺服电机，整个系统形成一个闭环反馈系统，从而实现智能播种的目的。图20 伺服系统结构图Figure 20 Servo system structure单片机直流伺服电机伺服驱动器编码盘反馈线A,B,Z相驱动线5.2 伺服系统介绍5.2.1 伺服电机工作原理伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。根据系统负载要求本论文选用36SYK型直流伺服电机，其相关参数如表2：表2 36SYK伺服电机的参数Table 2 36SYK servo motor parameters 名称参数型号额定电压额定转矩额定转速最大效率电机总长电机直径输出轴长减速比编码盘点数36SYK型直流伺服电机24 V85mNm6300rpm/min85%72mm36mm24mm1:23200点5.2.2伺服器伺服器是用来控制伺服电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器芯片（DSP）作为核心，处理数字能力强，功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。本设计选用的是铭朗科技生产的MLDS3810型伺服驱动器，有过流、过载、过压、欠压、高低温、位置误差超限保护功能；具有体积小、发热低、性价比高等特点。MLDS3810型伺服控制器的主要技术参数如下表3：表3 伺服控制器的主要技术参数Table 3 36SYK servo motor parameters 参数标号参数值单位电源电压U12-38VDCPWM开关频率fPWMDS3810E/DS3810:62.5DS3810E/DS3810T:20KHZ最大连续输出电流Idauer10A最大峰值输出电流Imax20A可控制速度范围130000Rpm输出编码器电源Vcc5VDCIcc60mAPWM控制信号标准低电平00.3，高电平35V频段100500HZ编码盘输入逻辑电平低电平00