免耕播种机的研究

1、分类号密级U D C编号本科毕业论文（ 设计 ）题目免耕播种机的研究系别继续教育学院专 业 名 称机电一体化年级2009 级学生姓名邹齐学号017610111467指 导 教 师徐小俊二 0 一二年十一月摘要 ： 本课题来源于XX 畜某机械有限公司，目的是研制一套与免耕机配套使用的播种、施肥自动监控系统，能够实时监测免耕播种机播种过程，能及时发现、排除各种故障，保证播种和施肥的量。系统结构由三部分组成：免耕机上的耕播监控制分机、拖拉机上的作业监视控制器和用于基地办公室的作业统计和分析的管理机。本人承担免耕机上的耕播监控制分机部分的硬件设计。硬件设计以功能强劲的STC12C5A60S单片机为核心

2、， 2检测信号由光电开关，霍尔感应开关提供，实现对播种机状态的检测，并具有实时处理的功能。耕播监控制分机与监视控制器通过无线通信传输相关的数据。种肥空箱模块实现了空箱检测报警功能。关键词 ：智能播种；无线通信；光电检测；实时处理Abstract: This topic from XX livestock a machinery co., LTD., the purpose of which is to develop a set of and zero tillage machine supporting the use of sowing, fertilization automatic m

3、onitoring system, can real time monitoring no-tillage planter sowing process, can discover in time, eliminate all kinds of fault, guarantee the sowing and the amount of fertilizer.System structure consists of three parts: zero tillage farming on the broadcast monitoring system extension, the tractor

4、 homework monitor controller and used for base office operation statistics and analysis management machine. I bear no tillage farming on the broadcast monitoring system extension part of the hardware design.Hardware design with function strong STC12C5A60S2 single-chip microcomputer as the core, to d

5、etect the signal by photoelectric switch, hall induction switch provides, realize the planter state detection, and has the function of real-time processing. Tillage broadcast monitoring system extension and surveillance controller through the wireless communication transmission of the relevant data.

6、 Seed manure empty container module implements empty detection alarm function.Keywords: intelligent sowing; Wireless communication; Photoelectric detection;Real-time processing引言 1.1. 设计题目的来源 1.1.1 国内外免耕播种机的研究现状 2.1.2 本设计的意义 3.2. 播种机作业智能监控系统设计方案 4.2.1 播种机作业智能监控系统的基本要求 4.2.2 播种机作业智能监控系统构成 5.2.2.1 耕播监

7、控分机 6.2.2.2 作业监视控制器 8.2.2.3 作业统计和分析的管理机1. 02.3 播种机作业智能监控系统的设计方案1. 22.3.1 耕播监控分机1.32.3.2 作业监视控制器1.32.3.3 作业统计和分析的管理系统1. 43. 耕播监控分机硬件设计1.53.1 硬件系统设计方案1.53.2 电源模块1.63.3 MCU 选型 1.6.3.4 模拟量信号调理电路1.73.5 电机控制电路1.73.6 通信模块1.83.7 种肥空箱检测电路1.83.7.1 检测电路设计1.93.7.2 光电传感器选择1.94. 结束语 2.0.参考文献2.1.引言1 .设计题目的来源本题来源于X

8、X畜丰农牧机械有限公司，农业机械免耕机是该公司的主要产品类之一，“播种机作业智能监控系统”是基于免耕机的一种智能机电产品。此前， XX 畜丰农牧机械有限公司的产品，仅有免耕机的机械部分。本设计的目标是研制一套与免耕机配套使用的播种、施肥自动监控系统，能够实时监测免耕播种机播种过程，能及时发现、排除各种故障，保证播种和施肥的质量。能够实现农作物播种的全过程监控：(1) 无线或串行传输接收监视控制器的设置命令，设置播种、施肥的数量；(2) 检测耕作、播种的速度或亩数；(3) 检测开沟器、导种管，若堵塞则进行排堵控制；检测播种的均匀性，若有漏播或种箱及肥料箱空时，进行声光报警。1.1 国内外免耕播种

9、机的研究现状保护性耕作是相对于传统翻耕的一种新型耕作技术。定义是; “用大量秸秆残茬覆盖地表，将耕作减少到只要能保证种子发芽即可，并主要用农药来控制杂草和病虫害的一种耕作技术”。由于它有利于保水保土，所以称为保护性耕作。目前， 国际上一般认为播种后地表覆盖超过30%才能成为保护性耕作。它的前身叫“免耕法”，随着研究的深入和推广的扩大，发现免耕只能适应部分土壤和自然条件，1980 年以后改称保护性耕作法。机械化保护性耕作技术是相对人畜力的保护性耕作而言，其主要作业如免耕播种、秸秆处理、深松等需要使用机器来完成。免耕播种技术经过近二十年的研究，在欧美发达国家发展很快，已初具规模，应用于农业的GPS

10、产品已日臻完善和商品化。国外学者在变量控制施肥机械设备方面做了大量的开发研制。保护性耕作的研究开始于40 年代早期，美国于1942年成立了土壤保护局(SCS)，对各种保水、保土的耕作法进行了大量研究。经过30 余年， 1977 年以免耕为中心的保护性耕作法获得美国政府一等奖，正式确立了保护性耕作的地位。澳大利亚、前苏联等国也先后展开了各种保水、保土的耕作法的研究。50 年代开始，前苏联试验了马尔采夫无壁犁耕作法;随后，结合马尔采夫耕作法和加拿大的抗早留茬耕作法，配合施用除草剂，形成一套适合旱地的蓄水保墒保土耕作法。这种保水保土耕作法，土壤结构基本不被破坏，用茬地免耕播种机直接播种;用无壁犁耕作

11、，地表保留80%左右根茬及植物残体，既稳固土壤，减轻风蚀水蚀，又能截留雨雪，同时减少蒸发。国家通过加大对农业教育、科研和技术推广的投入来提升农业产业的国际竞争力和可持续发展能力。多年来， 我国农业推广体系处一直指导着人们的农业生产实践。 中国农业科学院土壤肥料研究所在引进GPS、 GIS 和变异管理核心部件的基础上，结合我国国情，研制了适合我国国情的变量施肥机具。该机具以Ag170计算机为中心处理部件，以液压驱动为动作部件进行变量控制。定位系统采用Ag132 型实时差分式全球卫星定位系统，集成应用取得了良好效果。2006 年 1月 13 日在上海市情报所通过由上海科委组织的专家验收，开始在上海

12、市松江泖新农场投入使用。全球定位系统GPS的智能变量播种、施肥、旋耕复合机是国内首台的自主研制基于GPS的智能变量施肥播种机。采用模块化设计思想，施肥机、 播种机及旋耕机可自由组合，形成不同作业方式。1.2 本设计的意义我国虽然耕地、水等农业资源总量较大，但是人均水平却远低于世界平均水平， 而且从长期看，资源与经济社会发展之间的矛盾会随着人口增长进一步加剧，因此， 必须基于这一基本国情选择资源集约型、劳动力和技术密集型的农业产业发展道路，并注重科技要素在解决资源瓶颈中的重要作用。免耕播种机的应用推广对加速我国农业现代化进程有重要的意义。免耕播种机质量的提高也将大大促进其推广。免耕播种机能够实现

13、农作物播种的全过程监控，实时监测免耕播种机播种过程，能及时发现、排除各种故障，保证播种和施肥的质量。将改变传统的耕作方式，将精播， 保护性耕作的概念引入中国农业发展进程中来。保护性耕作将作为一个全新的概念推广开来，其优点也将显现出来：减少地表径流，减轻土壤风蚀水蚀，改善环境，增加水分入渗:增加土壤有机质含量，改善土壤结构;提高水、土、光等资源的利用率;作物根系发达，干物质积累多，产量提高;可实行机械化作业，有利于大面积推广;减少作业工序，节约人畜用工，增加收入，提高经济效益。可以预料，智能化农业信息技术将在我国迅速发展，将成为我国21 世纪农业现代化的重要内容，相应的农用机械配套智能系统也能够

14、为我们带来很好的经济效益和社会效益。2. 播种机作业智能监控系统设计方案2.1 播种机作业智能监控系统的基本要求本课题的目标是研制一套与免耕机配套使用的播种、施肥自动监控系统，能够实时监测免耕播种机播种过程，能及时发现、排除各种故障，保证播种和施肥的质量。该系统应具备如下功能: 实现农作物播种的全过程监控，对播种、施肥作业参数进行测量；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堵塞等故障，减少漏播或重播；重点解决播种、施肥量计算和自动调节，播种过程阻塞检测和排阻塞控制，耕作面积和种子、肥料使用量的自动积算等。2.2 播种机作业智能监控系统构成2.2.1 耕播监控分机耕播监控分机实现

15、的主要功能有：（ 1） 量免耕机的运行速度，进而计算耕播面积（亩）。（ 2） 据土地、种类的要求，接收由作业监视控制器发来的播种量和施肥量的指令，控制电动调节器调整播种量和施肥量达到给定值。（ 3） 测种箱、肥料箱是否排空，并在缺种、缺肥时，向作业监视控制器和在本机进行声、光报警。（ 4） 测排种管、排肥管（楼腿）是否阻塞。因为免耕机约设有6 楼腿用于施肥， 每个楼腿两侧上方有两个排种管，不管哪个楼腿或排种管被阻塞时要进行声、光报警，并用时排除故障，以免漏施漏播。排除楼腿或排种管阻塞可以控制气动震动、机械震动等方法进行实时处理。（ 5） 够发送数据到监视控制器和接收监视控制器的命令或参数设置。

16、（ 6） 免耕机没有电源，智能监控系统要由拖拉机头（12V）或自带蓄电池（ 12V或 6V）供电，系统再提供电路要考虑直流稳压电路（5V）。（ 7） 为了避免在拖拉机联挂或分离时，对通信系统造成破坏，可以采用无线通信方式。2.2.2 作业监视控制器作业监视控制器实现的主要功能有：（ 1）用串行或无线通信方式与耕播监控制分机进行通信，向监控制分机发送设置命令或接收监控制分机上的耕播信息或故障报警。（ 2）为监控制分机播种设置初始数据，包括播种类型（玉米、小麦等）、播种数量（Kg/亩）、施肥数量（Kg/亩）、喷药量（g/亩）、行走速度限制等。（ 3） 正常运行时，显示耕播作业信息，包括耕播速度（米

17、/ 分）、总机播种流量（ g / 米）、积算面积（亩）、耕播作业开始的时间（年- 月 - 日 时：分：秒）、作业总时间（时：分：秒）向管理主机转载数据，接收管理主机的相关设置；（ 4） 为每个拖拉机驾驶员设定初始密码，并能修改，要设计一个管理员密码。2.2.3 作业统计和分析的管理机作业统计和分析的管理机实现的主要功能有：（ 1）拖拉机回到基地办公室时，可通过串口或无线收发器与管理机进行数据转载通讯，使管理机取得近期作业的相关数据。（ 2）建立作业数据库，用于查询或统计数据，包括作业日期和时间、拖拉机主、作业地块和户主、作业类型、耕播面积、播种量、施肥量等。（ 3）按月建立新数据库，具有自动生

18、成数据库的功能。（ 4）数据库可自动保存若干年，设置删除功能，根据需要自选删除。（ 5）进入或删除数据库要设置管理员密码。（ 6）用VB 或 VC 设计较好人机界面。2.3 播种机作业智能监控系统的设计方案2.3.1 耕播监控分机耕播监控分机目的实现对播种过程的实时监控，首先要以单片机为核心设计整个系统。考虑到农民的实际经济能力和成本问题，单片机型号要常见且自身功能要强， 这对于设计电路的简化有很大帮助，经过选择，决定以STC单片机作为主控芯片。对于检测种箱、肥料箱是否排空，检测排种管、排肥管是否堵塞的问题， 以光电开关进行检测较为合适。考虑到成本，部分光电检测开关可以自己制作。 对于本机进行

19、声音报警，则用相应的硬件电路来完成。对于测量免耕机的运行速度、 计算播种面积，设计中通过霍尔传感器来测量压轮转速来实现。对于无线方式上传给监视控制器，选择较为合适的无线传输模块就可以解决。2.3.2 作业监视控制器监视控制器也应当以单片机作为主控芯片，其外围要包含无线数据传输模块、时钟芯片、数据存储器、显示模块、光电报警模块，键盘等几部分。设计电路时通过无线通信模块实现对监控分机的监测信息交流（设置播种、施肥量并计算播种槽开度百分比，免耕播种机的实时运行参数）， 光电报警模块实现对故障进行生光报警。视控制器由拖拉机头提供+12V 直流电源经过稳压电源降压为系统供电，同时还配备了+6V蓄电池备用

20、，使其在拖拉机供电故障的情况下也能正常工作，保证了监视控制器工作的稳定性。2.3.3 作业统计和分析的管理系统作业统计和分析的管理系统采用VB设计，要通过无线模块可与监视控制器建立数据通信，并且能够实现和数据库的并联，来保存数据。作业统计和分析的管理系统应该能够实现数据的接收、保存、 查询和打印功能，可以用表格和曲线的形式显示数据记录，长期保存播种数据，并能进行数据库功能的操作、相关内容的查询和打印备份。3 耕播监控分机硬件设计3.1 硬件系统设计方案系统的硬件设计是整个系统设计的基础，主要实现各个信号的采集、调理、输入、 处理和输出。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，

21、 结合实际监测系统的运算量，监测系统不宜采用造价昂贵的控制芯片，可适当采用集成芯片以降低控制系统硬件的复杂程度。本次设计选择芯片有以下几方面考虑：芯片的成本尽量降低以保证推广，芯耕播监控分机系统以STC12C5A60S2作为主控芯片,与外围的nRF905无线2.1图 2.1 耕播监控分机系统构成主控芯片采用STC12C5A60S2低功耗、高速，超强抗干扰的新一代8051 单8051， 但速度快8-12倍， 内部集成MAX810 专用复2 路 PWM ， 8 路 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合，完全适用于nRF905无线模块实现数据的无线传输，同时还可以485 总线传输，消除了产品容易受

22、户外恶劣环境影响的弊端。对于检测系统通信模块选择购买生产厂家的通信模块以保证通信质量，种肥箱检测初步选镂腿堵塞处理电路相对简单，难点在于外部镂腿导通气动震动、外围器件与STC12C5A60S2连接主要使用其通用I/O 口功能， 但 A/D 转换，I/O 口第二功能。本系统需要采集的信号主要有速度传感器采集的压轮速度（播种机行进速度）（镂腿内）采集的排种信号，种箱传感器采集的种箱内有无种子系统需要控制的信号主要有对调节种肥箱开口大小的电动机的正反转调节信号，声光报警信号，打通堵塞镂腿的控制信号。3.2 电源模块免耕播种机没有电源，智能监控系统要由拖拉机头（12V）或自带蓄电池（ 12V）供电，系

23、统再提供电路要考虑直流稳压电路（5V），由于还利用了9V电压，因此采用7809 将 12V 转换为9V，再通过7805 将 9V 转换为 5V，使得转换的电压更稳定，而且还产生9V 电压供系统利用接线，如图4.1。4.1 系统电源电路电路通过7809将电压又12V 转为 9V，再通过7805将 9V转化为 5V。但 7805， 7809 芯片存在相应的缺点，例如工作过程中发热量大，转换过程功耗较大，相对其他稳压，电压转换芯片精度不是非常高；但可以通过在排版中设计较宽松的环境来为芯片降温，用拖拉机提供12V 直流电可以忽略功耗，来取得需要的9V 电压。3.3 MCU 选型播种机作业智能监控系统耕

24、播监控分机必定工作在户外状态下，加之监控分机必须安装在播种机上，播种机工作所带来的震动及灰尘必定影响系统的运行，是影响系统正常运行的主要因素，因此要求印制电路必须简单使用。这就要求MCU 有较强的功能，因此在综合考虑性能、功耗和技术风险的情况下，决定选用宏晶科技公司推出的STC12C5A60S2型单片机。这种单片机是一种低功耗、高速度、体积小、功能强、强抗干扰能力的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容 8051，但速度快8-12倍。内部集成了MAX810 复位电路，2路 PWM， 8路高速 10 位 A/D 转换（250K/S），特别针对与电机控制，强干扰场合。该微处理器具有贴片封装形式和

25、插件DIP 封装形式。考虑到实际对体积无DIP 封装形式，它有40管脚见图4.2图 4.2 DIP 封装图选用STC12C5A60S2单片机是新一代8051 单片机， 指令代码完全兼容8051，8051 为广大电子电路设计人员都所熟悉，掌握的。选用其还有另一个重要原因，C 语言高级语言编程，大大降低了设计的技术风险，可较短的时间C 语言开发，使用Keilc3.4 模拟量信号调理电路模拟量信号调理电路利用设计电位器电压随种肥箱开口变化而变化，来反馈调节种箱，肥箱开口，使得依据种子，化肥的类型和数量设计不同的播种密度成为可能。STC12C5A60S内含 2A/D 转换功能，因此A/D 转换电路设计

26、非常简单。A/D 转换功能的实现主要依靠于软件编程。如图4.3所示：插排与外部提供转换电压的电位器三个接口相连，其中两个为电位器提供电源，电压为+5V，因此输入的A/D 转换电压的波动范围为0V-5V。和一个接口用于接收随开口大小变化的电压数据，将其进行A/D 转换。 LM135放大器电路构成了阻抗变换器，其主要用于阻抗变换，使得输入的电压信号满足单片机的A/D 转换要求。电位器选用合成碳膜电位器，型号：WTH118-1A 2W 4K7 ，旋转角度： 270° 额定电压：400v，启动力矩：580mN · mmN · m，与小型电机配套。3.5 电机控制电路电机控

27、制电路主要是通过单片机控制电机的正反转，以此来调节种箱肥箱开口的大小。可以说是A/D 转换的执行电路。依靠他来调节开口的大小，调节播种密度，改变电位机输入到A/D 转换端的电压。4.4 电机控制电路当 I1 输入逻辑高电平时，Q2导通，电流能够通过D9， Q2 流入到地。这时由于 D9 压降（ -0.6V）使 Q1 截止，当I1 输入逻辑低电平时，Q2截止， T1 通过R1 获得基极电流，如果I2 输入逻辑高电平，Q4导通，则Q1， Q4驱动电机转，从“+”端流动到“” 端。 同样，当I1 输入逻辑高电平，I2 输入逻辑低电平时，Q3， Q4 驱动电机转动，电流从“”端流向“+”端。当两个输入

28、逻辑相同时，电机停止转动。由于下位机采用拖拉机头的+12V 直流电压供电，因此电动机应选择12V 直流双向电机。3.6 通信模块通信模块用于作业监视控制器和耕播监控分机的信息交换，是播种机作业智能监控系统的重要组成部分。通信模块设计分为无线通信和有线通信两种，下面先介绍有线通信，再介绍无线通信。为实现数据无线传输，本系统选用上海桑锐电子科技有限公司推出的SRWF-501 型微功率无线传输模块，该模块采用高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC CC1020技术。该模块具有如下优点：（ 1） 微发射功率：最大10dbm（10mW）的发射功率。（ 2） 高抗干扰能力和低误码率。基于FSK的调

29、制方式，采用高效通信协议，在信道误码率为10（ 3） 完善的通信协议，传输距离远。（ 4） 透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议，自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据。（ 5） 只能数据控制。只要从接口收/ 发数据即可，其它如空中收/ 发转换，网络连接、控制等操作可自动完成。（ 6） 高可靠性，体积小，重量轻。采用高性能单片处理ATMega8，外围L电路少，故障率低。（ 7） 双串口， 3 种接口方式，无需另加电平转换电路SRWF-501型无线模块提供一个9 针的连接器，其接口定义如表4.1 所示。表 4.1 SRWF-501 接口定义为防止无线通信模块发生故障

30、影响免耕机的使用给播种作业带来损失，同时添加有线通信模块备用。有线通信选用RS485模块。485 通信为较常见的有线通信方式，RS485与单片机的接线如图4.5。图 4.5 通信电路3.7 种肥空箱检测电路3.7.1 检测电路设计种肥空箱检测电路的检测部分利用光电开关器件，连接外部电路和内部电4.6所示。插排接口有两个作用：用于给传感器提供电源（1， 3 接口）；接收传感器2 接口）。 U2 为 TLP521-4（含四个光电耦合）的一部分主要用于电压的外侧为 +12V 电压， 主要用于给光电开关提供电源，内侧为 +5V 电压，主要是输入到STC12C5A60S2单片机引脚的高低电平。当外部光电

31、开关为高电（箱子空时）， 输入高电平，光电耦合不导通，因此， 单片机引脚为低电平。 1表示种箱，肥箱正常；低电平0 表示箱子缺种子或肥料。图 4.6 种肥空箱检测电路3.7.2 光电传感器选择安装在种箱，肥箱上的传感器选择光电开关。光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路 ,从而检测物体有无的.物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测 .光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测.。此次选用光电开关为对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器,发

32、射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。其型号为.乐清沪工传感器有限公司生产的型号为E3F-5L 的光电开关。3.8 镂腿堵塞检测与处理电路3.8.1 镂腿堵塞检测电路镂腿堵塞检测主要采用自制的光电对管来实现。使用时， 两者距离很近，当两者之间无障碍物（镂腿导通）时，发射管能将光射入到接收管，当存在障碍物（镂腿堵塞）时， 光线的无法通过。如图， 四线插排为一个镂腿的连接口，1， 2，3.8.2 为信号接收端。由于每个楼腿两侧上方有两个排种管，所以需要检测3 个管道，每个镂腿有3 个输入信号。同时， 免耕机约设有6 楼腿用于施肥，因

33、此有硬件设计中有 6 个这样的插排。单个镂腿管道检测的原理图，如图4.6：图 4.6 镂腿检测电路由图可以看出，当镂腿通畅时，接收管能够接收到发送管的光线导通，因此+5V 电压接入电路，相当与高电平，当镂腿堵塞时，接收管不能够接收到发送管的光线而不能导通，因此0V 电压（GND）接入电路，相当与低电平，因此，硬件设计决定了软件设计中，只能用高电平1来表示此镂腿通畅，低电平0表示此镂腿堵塞。3.8.3 镂腿堵塞处理电路镂腿处理主要采用气动或水流将堵塞的管道打通。其电源接线如图中JP11。U3 为 TLP521-4（其含四个光电耦合）主要用于电压的转换连接。如图4.7中所示， 左侧为 5V 电压， 与单片机相连，右侧为堵塞处理装置，应用 12V 电压供电。24图 4.7 镂腿堵塞处理电路当单片机传来的信号是低电平