淺談精密播種智能監視儀

張 良

[摘要]應用單片機技術,研制出一種精密播種機智能監測儀,該儀器與大型寬幅精密播種機配套使用,可實現播種作業的全過程監測。當播種機發生漏播時儀器發出聲音警報并有屏幕提示漏播行,同時可為播種作業提供實時的作業指導。

[關鍵詞]精密播種監測儀單片機

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110035-01

近幾年,隨著我國農業生產水平的不斷提高,精密播種技術因其具有高產、節省種肥等優點,得到了推廣和普及。由于耕播機在播種作業時有播種過程全封閉的特點,所以僅憑人的視聽無法直接監視其作業質量,如在播種作業時發生機械傳動故障,種箱排空、導種筒堵塞等現象均會造成漏播。

針對以上問題我們應用單片機技術研制出一種智能播種機監視儀。研制成功了精密播種機智能監測儀,并且實現了播種作業全過程監測。該種監視儀具有監視準確可靠,可監視多種播種農作物,硬件電路結構簡單的特點,同時還具有監視傳感器自檢功能和停播不報警功能。

一、硬件電路及工作原理

本系統的硬件電路的組成部分為:單片機系統、播種監視傳感器、多路雙向模擬轉換開關、監視傳感器光源驅動電路。下面以12行耕播機為例針對系統硬件電路各部分予以介紹。

(一)監視傳感器電路設計

由于12行耕播機每個播行具有2個苗帶,為了保證監視的準確性,對這2個苗帶均需進行監視,因此本系統需要監視傳感器24只。

種子播種過程如下:種子由種箱進入排種器,再進入排種輪內排種窩眼,排種輪在傳動機構帶動下轉動。當轉動到一定位置后,種子在重力作用下,沿導種筒滑下,播入地里完成播種過程。因種子在導種筒中滑落時會發生彈跳現象,故種子會在導種筒內較大空間范圍內落,這就給播種監視帶了一定的難度。在此我們選用外徑為Φ10mm的金屬封裝硫化隔光敏電阻作檢測元件。由光敏電阻做檢測元件組成的播種監視傳感器電路如圖2所示。

光敏電阻RG和電阻R2、R3、R4組成惠斯登電橋電路,這樣可以提高光敏電阻檢測靈敏度。

(二)單片機

本系統選用ATMEL公司高性能低價格的AT89C2051單片機,該單片機片具有2k字節的FLASH程序存儲器,其1000次的擦寫次數便于程序的修改,其內總線結構擁有很強的抗電磁干擾能力。其單片機內部硬件資源如下:15根I/O口線;1個模擬電壓比較器;2個16位定時器;5個中斷源;2k FLASH ROM和128字節RAM。其指令系統和MCS-51的指令系統完全兼容。

(三)播種監視信號的采集

本系統中有監視傳感器24只,用來對播種狀態進行監視,這24路監視信號需送入到單片機中,再由單片機對播種狀態進行檢查處理,并且還需滿足實時性的要求。因此監視信號的采集接口電路是這個設計的難點。

如采用單片機的I/O口線直接輸入不能滿足實時性要求,而采用擴展中斷控制器接口芯片如8259A,又會使硬件電路過于復雜,成本增加。經反復試驗,我們選十六選一雙向模擬開關CD4067做為信號采集接口芯片,可滿足多路開量的采集和對實時性的要求。傳感器的信號輸出線直接和雙向模擬開關的輸入端相連,模擬開關的公共輸出端和單片機的計數器T0輸入端相連,T0設定為重裝初值方式,定時器初值設定為TH←0=0FFH,TL←0=0FFH并且開放中斷,T0計數方式則選用下降沿觸發。

(四)監視傳感器自檢電路

由于播種監視傳感器的數量較多,并且安裝位置分散,故障率相對較高。為了迅速判明故障,本系統設有開機傳感器自檢功能。

自檢原理如下:由單片機的P3.7口線來控制和監視傳感器配套的LED發光管的亮滅,當其正常工作時P3.7輸出低電平,該電平信號經U1:A反相驅動后令U1:B～U1:D導通,因此二極管VD1～VD24正常發光,當傳感器自檢時P3.7口發出的24個周期20ms占空比為50%的方波信號,此信號的高電平使發光二極管熄滅24次,即發光管閃爍24次,在發光管閃爍的同時,單片機控制雙向模擬開關由1～24通道順序接通,雙向模擬開關與某個通道的傳感器接通時,單片機判斷P3.4口線即T0計數輸入端的狀態,如果該口線也能產生一個負向跳變的方波信號就說明該傳感器完好,否則表明傳感器具有故障。圖3中各個元件作用如下:ULN2003是反壓30V驅動電流500mA的達林頓管,因為需驅動24只Φ10額定電流為30mA的紅色高亮發光管,所以采用3路ULN2003并聯的方式驅動,用以滿足驅動的功率要求。

(五)多種作物監視

如今耕播機播種的作物種類不斷增多,不但可播種大豆還可播種玉米、甜菜等作物,因此要求監視儀擁有多種作物的監視功能。本系統設有播種作物的選擇開關,用來選擇監視不同的播種作物。即選擇監視單苗帶或雙苗帶以及報警時間的長短,它的具體功能由軟件通過監視奇、偶苗帶和選用不同的監視報警時間參數來完成。

(六)電源

本系統電源選用牽引車蓄電瓶,電瓶電壓選為12V,但需降至5V供本系統使用。由于穩壓元件自身壓降達7V以上,功耗很大,因此本系統選擇金封大功率穩壓塊7805K,用來完成5V穩壓功能。此外電源部分還擁有電源反接保護電路及和輸出端短路保護電路。

二、系統軟件設計

本系統程序采用模塊化結構設計,主要由監視信號采集和處理模塊、傳感器自檢模塊以及報警顯示模塊等模塊構成。下面簡單介紹一下主程序和監視信號的采集和處理程序,其它程序介紹從略。

(一)主程序

主程序主要完成對系統的電自檢、監視傳感器自檢、系統初始化,其它的工作是使雙向模擬開關逐路順序導通,然后對各通道傳感器進行高速的循環掃描。

(二)監視信號的采集處理

該部分主要由T0計數中斷程序和100ms定時中斷程序構成。T0中斷程序在單片機內RAM單元開辟一個24字節的數據區,這個數據區稱之為第一數據區,該數據區的地址和監視傳感器相對應。當單片機響應T0中斷時先通過查詢獲得監視傳感器通道號,并且通過運算得到對應RAM區的地址,使得該地址單元RAM內容加1計數,故播種正常的傳感器對應的RAM單元里會有一個非零的值,而播種故障的傳感器RAM的內容始終為零。

三、實際使用

目前國營農場采用的大型精密播種機有寬幅、高速、全液壓控制等特點,播種機不僅作業速度快并且機具起落迅速,播種機監視人員常發生受傷事故。精密播種智能監測儀便充分發揮了微機化智能儀器的以上優點,不但實現了漏播監視和播種參數的測量功能,并且具有完善的CPU自檢,播種傳感器自檢功能,同時具有多種播種作物監測的功能和非播種狀態自動停機的功能。本監視儀研制完成以后,與樺豐耕播機廠制造的2BJG-12型精密聯合耕機相配套,經過幾年的使用證明,該儀器具有報警準確及時、工作穩定可靠等特點,改變了從前靠人員站機進行監視播種的現象,大大提高了播種作業速度及生產率,很大程度的避免了漏播造成的大面積減產以及因此造成的經濟損失,由此得到了廠家的肯定和用戶的贊揚。