气吸式精密播种机种肥监控系统设计机电一体化解读.docx

1、气吸式精密播种机种肥监控系统设计机电一体化解读气吸式精密播种机种肥监控系统1. 研究设计的要求、目的及意义1.1研究设计的要求播种是农业生产中最重要的环节，播种质量直接影响着作物的生长质量和产量。在农业机械化迅速发展的今天，精密播种机越来越多的应用到农业生产中，其广泛应用已成为现代播种技术的主要特征，是播种的主要发展方向。气吸式精密播种机是精密播种机的一种，它具有不伤种、对种子尺寸要求不严、易于实现单粒精播和高速作业等优点。但是，和其它精密播种机一样，气吸式精密播种机播种过程具有全封闭的特点，仅凭人的视觉不能很好的监视播种质量和施肥质量。因此，对播种机的播种过程进行电子监测就显得尤为重要。 此

2、气吸式精密播种机种肥监控装置的设计主要包括漏播监视、重播监视、种箱监视、肥料撒播监控等等。1.2研究设计的目的及意义中国是一个农业大国，国家很重视农业生产，随着农业发展和农民整体水平的提高，农业机械的现代化水平越来越高，精密播种机也广泛应用到农业生产中。精密播种有很多优点，它节省种子、省工时、提高作物生长质量、增加作物产量。在我国，精密播种技术是近年来国家大力推广节本增效工程技术的主要内容。由此可见，精密播种已成为播种技术的发展趋势，精密播种机也将越来越多的应用在农业生产中。在农业生产过程中，播种是非常重要的一个环节，播种质量直接影响作物的生长质量和产量，在精密播种中，播种质量尤为重要。播种机

3、要部件是排种部件或排种装置。在精密播种机上，这一排种装置称为精密排种器，它是精密播种机的核心部件，其性能优劣直接影响着精密播种机的播种质量。所以对精密排种器性能进行充分的、实时的监测，确保排种器工作可靠十分必要。气吸式精密播种机是一种新型精密播种机，除了具有精播机的各种优点外，它还不伤种子、适应力强、易于实现单粒精播和高速作业等优点，是我国农村、农场正在推广使用的先进新型精密播种机。但是在播种过程中，无论性能多么优良的播种机也会出现故障，发生漏播。如果不及时发现或者找不到漏播处，就会不可避免影响这一年的收成。尤其当播种机幅宽增加，播种速度加快和密植时，播种作业过程中更需要监测播种状态，否则，一

4、旦发生上述现象，就会发生大面积漏播，损失严重。人工监视存在弊端，这是因为气吸式精密播种机在播种作业时具有播种过程全封闭的特点，仅凭人的视觉和听觉无法及时地、准确地判断故障；长时间作业会使监视人员疲劳，降低监视质量；当播种机幅宽增加时，需要更多的人力监视，占有过多劳动力。所以，为了保证气吸式精播机的播种质量和施肥质量，有必要研究一种实用性强、能准确监测排种状况和施肥状况的监测系统，对播种机的播种进行全程监测。2. 总体方案设计与论证2.1气吸式精密播种机排种介绍2.1.1排种装置的原理图21气吸式精密播种机结构简图如图21所示，气吸式排种器由真空室、种箱和吸种盘等组成，在吸种盘的周边有若干个均匀

5、分布的吸种孔，吸种盘的一面是真空室，另一面是种箱，负压是由风机提供的，风机与真空室连接。工作时，在风机的作用下，使真空室形成负压，当吸种盘转动时，在真空室负压的作用下，使得在种箱内的种子被吸附在吸种孔上，当吸附有种子的吸种孔转出真空室时，种子靠重力落下，通过导种管进入土壤，完成播种。2.1.2排种肥的影响因素（1）气吸式播种器的真空度。真空度越大则吸附种子的能力越强，越不易产生空穴；但单个吸孔吸附几粒种子的可能性加大，使重播率增大。 （2）气吸式播种器的吸孔直径。吸孔越大，吸孔处对种子的吸力越大，同样可使空穴率减少、重播率增加。 （3）气吸式播种器的刮种器。它的作用是刮去吸孔吸附的多余种子和肥

6、料，降低重播率。在工作中由于机具的装配质量不好或运动中碰撞，使刮种器与排种盘之间的距离产生变化，或导致碎种，或达不到刮种的目的。刮种器与排种盘之间的距离应在0与种子平均直径的一半之间，使种子无法进入刮种器与排种盘之间形成的间隙。 （4）气吸式播种器的风机。它是产生负压以供排种器吸附种子的关键部件，风机叶轮要高速旋转以产生高的负压。2.1.3播种机的性能要求及指标2.1.3.1播种机的性能要求播种机监控系统以获取播种机排种性能参数为主，因此需要对播种机性能有一定的了解。播种机的性能要求，包括农业技术要求和使用要求两个方面。（1）播种机的农业技术要求：要求条播机的播种量符合农业技术要求，行距一致、

7、播种均匀；种子播入湿土层中且用湿土覆盖，播深一致，种子损伤率低。对单粒精密播种机的要求是每穴1 粒，株距精密。表2-1列出了玉米作物播种的农业技术要求。2-1 玉米作物播种的农业技术要求作物播种方法播种量(kg/亩)播深(cm)行距（cm）株距（cm）穴粒数（个）玉米精播121848507015401（2）播种机的使用要求：通用性好，能播多种种子，不损伤种子，调整、换种方便可靠；在田作、套种、播种的同时，能进行施肥、开沟、筑埂、起垄及镇压等作业。 2.1.3.2播种机的性能指标：（1）排种量稳定性 指排种量不随时间变化而保持稳定的程度。（2）各行排种量一致性 各排种器相同条件下排种量一致程度。

8、（3）排/播种均匀性 排种器排种的均匀程度和种子在种床上分布的均匀程度。（4）穴粒数合格率。（5）粒距合格率 以0.5t株距t1.5t为合格。（6）播深稳定性 指种子上面所覆土层厚度的稳定程度。（7）种子破损率。2.1.4排种参数的确定 考虑到上述因素影响，排种量，排种速度，重播率，漏播率都可能发生变化。因此，在设计监控装置的过程中，必须考虑这些参数。排种量：一定时间内的播种数量；排种速度：单位时间内的播种数量；重播：同一位置重复播种；漏播：某一位置没有播种。肥料与此类似。2.1.5监控内容的确定2.1.5.1漏播监视当播种机正常工作时，种子有规律的下落并通过下种通道的传感器检测空间，遮断红外

9、二极管光束，光敏三极管将接收到的光信号转变为电脉冲信号，传递给单片机系统，单片机系统处理并使指示灯（发光二极管）有规律地闪烁；当种箱空或排种器不正常播种时，光敏三极管收到的光信号转化为电信号输入单片机，由单片机系统对信号处理并发出声光信号，对漏播进行提示。2.1.5.2重播监视当排种管堵塞或其他原因导致落种加快时，接收管收到的光信号断续次数增加，由单片机计数，当单位时间播种数量超过设定值时，声光报警系统系统将对重播进行提示。设地轮行走速度为0.2m/s,地轮直径为0.8m，地轮到播种盘的传动比为1.25，播种盘的孔数为16个，则地轮转速为n1=0.2*60/（*0.8）=4.78 r/min播

10、种速率为 d =n1 * i * n = 95.6 96 个/min2.1.5.3种箱监控由于精密播种机在作业时，无法直接对种子箱的种子数量进行监控，当种子箱没有种子时，造成漏种，会给农业生产造成经济损失。因此必须设计种箱监控。当种子数量少于额定数量时，发出报警，提醒及时加种。为了解决这一难题，可以再种子箱底部一定位置安装监控装置，当种子数量少于额定数量时，监控装置发出报警信号。2.1.6监控方案方案整体框图如下：监控装置由传感器、整形电路、单片机、声光报警装置、缓冲器、LED显示器组成。将所采用的传感器，安装在排种器出种口附近。传感器的作用是将输种管中种子流动的情况变换成电信号，并将其信号经

11、过整形电路送入单片机，对播种机作业过程进行实时监控。图4：方案整体框图该传感器共有四组，正常播种时，灯有规律的闪烁，当由于种箱空或输种管堵塞漏播时，使指示灯（发光二极管）常亮，当某一路由于开沟器堵塞或其它原因重播时，使指示灯（发光二极管）常亮。整体电路图如下：图5：硬件原理图2.2设计方案论证本方案采用了以单片机为核心的监控系统，结合机械结构，比较全面的考虑了各种播种工况，包括正常播种，漏播，重播，电路简单简单明了，思路可行。方案成本分析：单片机采用AT89C51，大约5元，每组传感器大约10元，整形电路，声光报警电路，缓冲电路大约每块10元，LED显示管每个10元，整体方案大约100元左右，

12、比较经济，经济上可行。综上所述：此方案可行。3. 硬件设计系统的硬件设计是整个系统设计的基础，主要实现各个物理信号的采集、放大、整形、处理和转换。该监测系统的硬件主要由种箱监控电路、传感器测试电路、整形电路、声光报警电路、单片机系统、显示系统电路组成。应具有以下特点：(1)抗干扰性能：由于田间作业的环境非常恶劣，所以选择抗干扰能力强的单片机成为首选条件：(2)速度：考虑系统要求有较快的执行速度，应尽可能地选择运行速度快的单片机；(3)功能：尽量选择功能强，集成度高的单片机；(4)价格：考虑到产品的推广和应用，低成本也是本次设计的一个主要考虑因素。种肥箱监控电路完成对种子箱内种肥数量的监控，少于

13、额定数量时，发出报警信号。传感器测试电路主要完成对播种量、排种速度、漏播等信息的采集，并且将这些非电量的模拟量转换成电信号。报警电路的主要功能是当出现漏播或排种器堵塞时进行声光报警。考虑以上选型因素，本监测系统上位机设计主控制器采用STC89C58RD+单片机控制芯片作为控制核心元件，STC89C58RD+系列单片机是美国STC公司设计，国内宏晶公司贴牌生产的新一代51增强型单片机。它具有加密性强、超强抗干扰、超低功耗、在线系统可编程、内含专用复位电路等特点。显示系统电路包括缓冲器和LED管电路，用于显示播种速度。3.1种肥箱监控电路的设计种肥箱监控电路的目的是为了监控种箱内种子数量，为了监控

14、种肥数量，必须在种肥箱一定位置安装监控装置。本设计中采用光电耦合放大电路，图中，LED是发光二极管，T是光电晶体管，两者光电耦合；T1出晶体管。当有光照时，即种子数量减少，T1种子内露出，T1导通，U0=0V，灯泡不会发光；当光被种子遮住时，T1截止，U0=+5V，灯泡发光报警。 图6：种箱监控电路图3.2传感器的选择传感器是一种能按一定规律将各种被检测量或信息转换成便于处理的物理量的装置或器件。传感器位于系统的入口处，是获取信息的第一个环节。播种检测传感器用于检测有无种子通过检测截面，传感器的作用是将输种管中种子流动的情况变换成电信号。传感器采用光电元件（包括可见光和红外光等），安装在输种管

15、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。当某一组或者数组发生故障时，无种子通过，将发出报警声响，因此它的性能好坏直接影响着排种监控装置的工作性能。为确实保证监控的可靠性，对每一组均需进行可靠的监视。因此，检测传感器的检测元件的选择至关重要，它直接影响到监测的精确度、灵敏度和可靠性。在本设计中采用四组传感器并行监测。321光电传感器选用原则 选择光电传感器的时候，应注意以下几个原则：(1)覆盖性能：首先必须保证检测范围尽量能够覆盖排种管径和排肥管径，这样才能确保准确的检测落种及落肥情况。(2)抗尘性能：播种机在田间作业时，环境比较恶劣，灰尘较大，在传感器表

16、面会不断的积累灰尘，会影响光信号的传递，因此要选择抗尘性能良好的发光器件和光敏器件，以确保检测的准确性。(3)光谱特性：发光元件和接收元件的光谱特性要吻合，发光元件的光谱峰值波长与接收元件的光谱灵敏度必须一致或相近。图21给出了光波的光谱。 图21光波的光谱范围由图可以看出，波长为038um-076um的光波为可见光。波长为OOllum-038um的光波为紫外线，波长为076um-1000Ium的光波为红外线。(4)对发光元件，还要考虑其光度特性，即光强和辐射要满足检测的需要。综合上述几个原则，考虑采用光电传感器，其主要原因在于其结构简单、价格低廉、抗电磁干扰性能好，尤其是它对种子的运动没有任

17、何影响。3.2.2发光二极管的选择 常用的发光器件有普通发光二极管、高亮度发光二极管、红外发光二极管、红外激光二极管等。用普通发光二极管作为光源，发光强度较弱，很容易受到灰尘的蒙盖而影响到信号的传递，所以不予以考虑。激光二极管LD是受激辐射式发光器件，发光强度大光线的单色性好，会聚性好，但价格贵，成本较高。与激光二极管相比，尽管高亮度发光二极管和红外发光二极管在单色性、方向性、亮度等方面都比激光二极管差，但是就价格方面来说，高亮度单色发光二极管和红外发光二极管要比激光二极管便宜得多，且寿命较长。对于高亮度发光二极管和红外发光二极管，两者都是固体光电器件，使用砷铝化镓(OaAlAs)等材料制成，

18、结构、原理类似，在发光亮度方面要比普通发光二极管强很多。在红外线中，760nm1500nm的红外光被称为近红外光，红外发光二极管波长落在近红外光波段内，从光敏电阻的光谱响应特性图可以看出，在该范围，光敏电阻的灵敏度很低。而市面上高亮度发光二极管的种类很多，包括红、黄、蓝、绿等各种高亮度单色发光二极管，发光光谱均在可见光范围内，其中红色高亮度发光二极管发光波长为620-625nm，该范围内光敏电阻的相对灵敏度可达90以上，所以研究采用5mm红色高亮度LED发光二极管作为发光器件。输种管的直径26-4Omm 之间（一般取30mm ) ，而光电传感器的发光二极管和光敏三极管的直径约为5mm ，故将4

19、对传感器水平均匀安装在输种管上组成传感器组，其检测范围能覆盖整个输种管.如图所示：图7：光电传感器安装图3.2.3受光器件的选择常用受光器件有光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻等。光敏三极管（Phototransistor）和普通三极管相似，也有电流（Current）放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏

20、度。因为光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。 光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。综上所述，本设计选择光敏三极管，型号为ST-1KL3A，接受半径角正负5。3.2.4传感器电路设计综上所述，本检测电路选用红外光敏三极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管，对播种机下种情况进行监测，以下是传感器电路图的设计。3.2.5.1种肥状态检测传感器安装 种肥状态的检测包括排空和堵塞。排空是指种箱或肥箱内种粒或肥粒排完，导种管和排肥管内没有种子或肥粒通过，堵塞是指导种管或肥管内被种子或肥粒堵住，根据这两种情况发生的位置，将传感器安装

21、在导种管或排肥管低端，可以实现对排空和堵塞的检测。传感器安装结构简图如图8所示：图8传感器安装结构发光管和光敏电阻对接在导种管或肥管的底部，当种子或肥粒经过时，会挡住一部分照在光敏电阻上的光，光敏电阻的电阻值发生变化，通过该变化来分析种肥状态。3.2.5.2排种量检测传感器安装 排种量检测要求对每个种子进行计数，如果采用检测种肥状态传感器安装方式，并不能准确的检测排种量，这是因为：(1)种粒在导种管内的下落路径随机，挡光程度也不同，在传感器上输出的信号就不一致，在电路上实现种粒计数就很困难；(2)在导种管内可能存在两个种子同时经过传感器的现象，传感器会当作一个种子计数，这样，影响了检测结果。考

22、虑到上述因素，决定将检测排种量传感器安装在排种器上，安装结构简图如图9所示：图9传感器电路安装简图 把传感器对接在排种器两侧，由于盘孔是严格按照顺序经过传感器的，这样就不会存在两个种子重复问题。另外当盘孔和盘空间的间隔经过传感器时，光敏电阻的阻值变化是很规律的，根据光敏电阻的输出信号很容易实现对盘孔计数3.3整形电路的设计本设计中，四组传感器采用并行连接，只有四组同时接收到信号时，说明无种子播下，则种箱无种或者种子通道堵塞，因此对四组传感器采用与电路进行整形。如图所示：图10：整形电路422漏播、转速检测电路 漏播检测电路和排种速度检测都是采用同一电路，主要由红色高亮度发光二极管、12mm光敏

23、电阻及比较器组成，其电路图如图11所示。图11检测电路图 将光敏电阻串联100K电阻，调节R2，设置的比较电压为25V。当发光管照在光敏电阻上时，光敏电阻阻值很小，光敏电阻电压小于比较电压，比较器输出低电平，当照在光敏电阻上的光被挡住时，光敏电阻上电压值大于比较电压，比较器输出高电平。在排种盘投种点的前后对接两组传感器，分别为传感器l和传感器2，如图4-10所示。图12传感器电路安装简图播种机正常工作时，排种盘上吸满种子，传感器l光敏电阻始终没有光照在上面，所以系统的硬件设计电路没有产生脉冲，如果吸盘上某个孔没有种子，当这个孔经过传感器1时，光会照到传感器上，传感器电路会产生一个脉冲，传感器l

24、的功能是检测漏播数量N leak。传感器2在投种点之后，也就是说，所有排种盘上的种子在转到传感器2的安装部位之前就已经落下来了，所以经过传感器2的都是没有吸附种子的盘孔，传感器2能将所有转过的盘孔计数。传感器2的计数值有两个用途：(1)该数值可以计算出排种速，通过定时，每秒计算一次排种速度，将1秒时间间隔的两个计数值做差，求出的便是排种速度；(2)传感器1可以计算出漏播量，那么排种器的实际排种量为传感器2的计数值减去传感器1的计数值。综上所述，在排种盘上安装的两对传感器实现了漏播量，排种速度和排种量的检测。423种流及肥流检测电路 排种器落下种子要经过导种管后落入土壤中，肥料也要经过排肥管落入

25、土壤中，所以有必要在导种管和肥管上安装光电传感器电路，检测是否堵塞或排空。种子在导种管里落下的路径是随机的的、没有规律的，肥粒的下落更是如此，这就需要在安装传感器时考虑覆盖性问题，即传感器要尽可能的覆盖到种粒或肥粒经过的截面。经过测量，选用直径为20mm的光敏电阻较为合适。 在种子或肥粒下落管道的两侧分别接有发光管和光敏电阻电路，发光管的光照在光敏电阻上，当种子通过时，由于种子的下落挡住了发光管照在光敏电阻的一部分光，而使光敏电阻光照强度变小，电阻变大，光敏电阻上的电压增大，通过采集、处理、分析光敏电阻上的电压值来实现种肥状态的检测。 由于种粒在导种管下落的随机性，种粒挡光程度就不一样，所以光

26、敏电阻产生的脉冲的宽度和高度不一致，如果接比较器，难以设定比较电压，所以在种流和肥流传感器电路上做了改动，电路图如图13所示。图13种肥检测电路图 该电路较漏播和转速检测电路相比，去掉了比较器部分，光敏电阻电压经过一级跟随后直接接入单片机的AD接口，将电压值经过AD转换来分析种流状态，肥流检测电路也是如此。3.4单片机硬件系统的选择与配置AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软

27、件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。这种CMOS工艺的存储器，低电压，高效能。它对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。根据研究的特点，经过比较分析，选用ATMEL公司生产的AT89C51单片机。AT89C51单片机采用40 线双列直插封装（DIP ）方式。下面简要介绍这些引脚的功能。（1）主电源引脚 VCC 为电源端，GND 为接地端（2）时钟电路引脚 XTAL1 和XTAL2（3）控制信号引脚 RST 、ALE / PROG、PSEN和EA / VPP(4)输入输出引脚 P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2

28、.7、P3.0P3.7表3-1 P3口第二功能定义端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断0输入)P3.3INT1(外部中断1输入)P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）图14：单片机AT89C51元件图3.5声光报警电路的设计在播种作业中，若出现漏种或输种管堵塞故障或者出现重播，超过额定播种速度时，就应启动声光报警装置，提示驾驶员停车排除故障。3.5.1声光报警电路的设计 播种机在播种过程中，环境噪音极大，当发生故障时，监测系统仅靠声音报

29、警，驾驶员可能听不到，为了更好的将报警信息传达给驾驶员，本研究设计了声光报警电路。电路图如图15所示。图15为报警电路 声音报警电路选用蜂鸣器作为发声器件，在此基础上，选用发光二极管作为发光器件，提示报警。当有故障发生时，不但蜂鸣器发出声音报警，发光二极管也点亮，在听觉和视觉上同时提醒驾驶员有异常情况发生，这样，驾驶员能及时发现报警信息，排除故障。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，除指示灯（发光二极管）常亮之外，同时警报装置发出警报响声。本电路采用了连续声的蜂鸣器作为报警器件（如若可以，也可以分别设计成声音报警器、闪光报警器）。3.6时

30、钟及复位电路电路设计3.6.1时钟电路时钟电路是单片机电路的重要组成部分，它决定着单片机工作速度。在AT89C51 芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二次分频之后，才能成为单片机的时钟脉冲信号。电容C1和C2 取30PF 左右，晶体的振荡频率范围是0-24MHz 。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。本系统采用6MHz的晶振，电容取3OpF。图16：时钟电路图3

31、.6.2复位电路单片机复位是使CPU 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，同时复位电路还是单片机系统上电瞬间时钟振荡电路正常起振条件。本系统采用RC 复位电路中的上电复位电路（如图示）。RST复位输入引脚通过一电容接至VCC端，同时经过一个电阻接地。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落。只要保证RST为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。由于AT89C51和MCS-51兼容，复位电路一样。图17：复位电路图3.7显示系统电路显示系统用来实时显示播种机的播种速度即每分钟的播种数。单片机从传感器信息采集信号，将它们经过运算处理，得出播种速度，然后驱动显示设备显示。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。本设计采用静态显示方式，数码管采用共阴极LED，选通电平为低电平。工作时使每位保持延时一段时间直至下次显示新的数字。显示接口电路8位段选线接74LS245，74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。74LS245还具