基于Linux的自動超越補償控制系統設計*

葛世強，陳大鵬，洪草根（江蘇自動化研究所，江蘇連云港222061）

基于Linux的自動超越補償控制系統設計*

葛世強，陳大鵬，洪草根
（江蘇自動化研究所，江蘇連云港222061）

以S3C2440A微處理器為核心，設計了一種基于嵌入式的排種器漏播自補種控制系統。該系統以激光傳感器監測漏種、霍爾傳感器監測排種器轉速，通過監測排種器內部漏充種情況提前預知漏播，提出了一種基于超越離合器的漏播自補種控制算法，控制排種器自身的超越旋轉實現自動補種，設計了可視化交互界面監控播種情況和故障報警。實驗結果表明：漏種監測和轉速監測準確率為100%，系統的補種成功率和補種后粒距合格指數在19.96 r/min轉速以下能達到100%，在19.96 r/min以上時達到98%，補種及時，準確。

監控系統；嵌入式；漏播補種；自動控制

0　引言

精量播種具有省種、省工、省時、高產、經濟等諸多優點，是緩解糧食缺口，解決季節性勞動力短缺的有效手段，精量播種是未來發展的方向［1，2］。但由于排種系統設計及使用條件的限制，目前機械式精量播種機漏播現象嚴重，以玉米為例，平均漏播率在10%以上［3，4］，按4500株/667 m2種植，每株250 g，漏播空穴周圍的邊際效應按2%計算［5，6］，則玉米漏播損失在1654 kg/hm2以上。若出苗后在漏播位置人工補種或人工移栽，終因生長差異不能正常生長，需采用漏播補種裝置在播種時高質量的自動補種［7］。

目前，國內外對漏播自補種已有一定的研究，但只是在已有排種系統的基礎上，額外加裝了一套補種系統，或者僅是通過兩套排種系統同時工作來減少漏播率，不僅系統龐雜，而且采用的排種管內監測方式存在補種位置滯后、不準確等問題［8～11］。

本文研究在大籽粒作物漏播自補種裝置［12］基礎上，設計了一種基于嵌入式的漏播自補種控制系統，旨在簡化系統結構，提前預知漏播，實現排種器自身超越旋轉自動補種，提高播種質量。

1　系統設計

本系統的設計平臺是大籽粒作物排種漏播自補種裝置，其組成結構如圖1所示。該裝置利用超越離合器的單向鎖合原理，集排種器與補種裝置為一體，能夠在不干涉動力源的情況下使排種器加速旋轉補種。本控制系統監測排種器內部，提前預知漏播，根據監測的漏種信息和實時轉速，通過控制算法計算步進電機的補種轉速和旋轉角度，驅動排種器自身加速旋轉，實現位置無偏差補種并能夠故障報警。

圖1　大籽粒作物漏播自補種裝置Fig 1　Automatic reseeding device of large grain crops

1.1系統構成

漏播自補種控制系統框圖如圖2所示。

圖2　漏播自補種控制系統結構示意圖Fig 2　Structure diagram of automatic reseeding control system

系統的核心處理器是S3C2440A，主要完成排種器實時轉速和補種時機、轉角和轉速的計算、LCD觸控顯示器的驅動以及控制算法的實施；漏種監測傳感器采集漏種信息；速度傳感器采集排種速度；LCD觸控顯示器用于調整系統參數，實時顯示播種數、漏播數、排種速度、粒距等信息；步進電機及驅動器驅動排種器加速旋轉，執行補種操作；地輪電機及調速器模擬地輪為排種器提供正常作業時提供動力，電源為系統提供電力。

1.2控制方案設計

系統的控制目標是提前預知漏播，在排種器至多連續3個漏充種的情況下，當漏充種槽位本應排種的那一時刻排出補位的種子，實現位置無偏差補種，若大于連續3個漏充種時，可認為排種器故障或作物種子不合格，系統向用戶報警。

系統監控流程如圖3所示，漏種監測傳感器監測排種器內部導種輪充種情況，處理器根據漏種位置和數量以及此時的排種器轉速和空槽位旋轉到排種口的角度，通過控制算法得出補種轉速和角度，控制步進電機驅動排種器，使導種輪缺種槽位之后有種子槽位快速補位，實現補種。若漏種監測傳感器沒有監測到漏種，步進電機待機，排種器常速排種；若監測到漏種，判斷當前連續漏充種數是否不小于4，若是，則故障報警；反之，則步進電機驅動排種器加速補種。

圖3　監控系統控制方案流程圖Fig 3　Flow chart of control scheme for monitoring system

1.3控制算法

1）行走速度計算：行走速度用速度傳感器輸出電平下降沿信號數量計量。本研究中排種器18個種勺均勻分布，每個種勺經過速度傳感器時會輸出一個下降沿，排種器旋轉一周輸出18個下降沿。行走速度為

式中v為行走速度，km/h；n為每秒處理器接收到的下降沿個數；d為播種粒距，m。

2）排種器轉速計算：排種器18個種槽均勻分布，每相鄰兩個槽位間的夾角為π/9 rad。排種器轉速為

式中ω為排種器轉速，rad/s。

3）補種轉速和旋轉角計算：當監測到有連續m個漏充種時，補種轉速和旋轉角為

式中ω'為補種轉速，rad/s；θ為旋轉角弧度，rad。

2　模塊設計

系統包含電源、速度傳感器、漏種監測傳感器、LCD觸控顯示器和步進電機及驅動器5個主要模塊。

2.1電源模塊

系統供電電源是車載DC12V電瓶，而控制電路需要DC5V電壓，據此設計直流降壓穩壓電路，其他模塊可直接由DC12V供電。

如圖4所示，基于LM2576設計了一種DCl2V—DC5V降壓穩壓電路，該降壓穩壓電路實測輸出電壓為5.02 V，且非常穩定。

2.2速度監測模塊

速度監測對象為勺輪，材質為鐵鋁合金，選用開關型CHE18—8NA—A710接近式霍爾傳感器，其感應方式為接近式，檢測物體為鐵鋼銅鋁等金屬，響應時間＜1 μs。

圖4　降壓穩壓電路Fig 4　Step-down and voltage-regulator circuits

測速程序采用下降沿計數方式。排種時種勺旋轉到與傳感器足夠近的距離，輸出高電平變為低電平，產生一個下降沿信號；種勺離開傳感器足夠遠的距離，輸出低電平變為高電平，產生一個上升沿信號。勺輪上均勻分布的18個種勺產生周期性的邊沿觸發信號，處理器測得每秒接收到的下降沿個數，根據式（2）得到排種器實時角速度ω，rad/s。測速程序流程圖如圖5所示。

圖5　測速程序流程圖Fig 5　Flow chart of speed measurement program

S3C2440A處理器的GPIO外部中斷EINT9接收霍爾傳感器發送來的下降沿中斷信號，監測和計算每秒接收到的下降沿個數，編寫外部中斷EINT9的定時器程序，通過定時計數緩沖寄存器TCNTB0和定時比較緩沖寄存器TCMPB0換算成TCNT0定時器的時間，根據控制算法編寫GPG1接口下降沿監測和速度換算驅動程序，得出排種器轉速。

霍爾傳感器與處理器的電路原理圖如圖6所示，CON1的17腳為GPG1接口，對應外部中斷EINT9，接收下降沿信號，Hall1的3腳接傳感器信號線。

2.3漏種監測模塊

種子在排出排種器前會在導種輪種槽中滯留一段時間，監測導種輪每個種槽是否漏充種，即可提前預知是否將會漏播。采用光電傳感器監測，漏充種時光信號導通，反之光信號阻斷。

排種器往往處于露天環境下工作，環境光復雜，玉米種子體積小，光線易衍射，因此，采用激光傳感器監測種槽，其靈敏度高、響應速度快、精度高、抗干擾能力強，可以使監測孔設計的很小，利于提高漏種監測的準確性。

圖6　速度監測模塊和漏種監測模塊電路圖Fig 6　Circuit diagram of speed monitoring module and seed monitoring module

激光傳感器與處理器的電路原理圖如圖6所示，CON1的16腳為GPG0接口，對應外部中斷EINT8，接收漏種信號，Laser1的3腳接傳感器信號線。

2.4LCD觸控顯示模塊

觸控顯示屏作為監控系統的人機交互界面，提供直觀的監測結果和便捷的操作方式。選用統寶3.5 in（1in= 2.54 cm）真彩LCD顯示屏，分辨率為240×320，壓阻式觸控。界面由“Qt圖形用戶界面應用程序開發框架”編寫，顯示數據包括播種速度、株距、當前排種行、漏播穴數、補種穴數、報警提示等，設計開始、停止、復位等虛擬按鍵。

2.5步進電機模塊

選用42HS08型步進電機（雷賽智能控制股份有限公司，深圳）精確控制補種角度和轉速。選用JK0220數字式中低壓步進電機驅動器（常州精控電機電器有限公司，常州）與之配套，能夠達到高細分的效果，運行平穩，噪音小，具備良好的調速性能。

驅動器撥碼開關SW1～SW3設定為OFF，以便為步進電機提供穩定電流；SW4設定為OFF，減少步進電機和驅動器的發熱量，提高可靠性；SW5設定為OFF，SW7，SW6 和SW8設定為ON，使微步細分調整為400 step/r。

處理器依據控制算法，利用TCNT1定時器得出一定數量和頻率的PWM信號，由GPB1接口輸出到驅動器PUL控制接口，控制步進電機的補種轉角和轉速。

3　性能實驗

3.1軟件仿真

利用Proteus軟件搭建該系統，并對其進行仿真。仿真用兩個脈沖發生器分別代替速度傳感器和漏種檢測傳感器，用示波器監測步進電機模塊控制端信號輸出結果。仿真結果表明：硬件電路設計合理，軟件程序運行正確。

3.2實驗結果

為驗證系統設計的可行性，根據各模塊原理圖搭建了實際電路和實驗臺，實驗裝置如圖7所示。

圖7　漏播自補種性能實驗臺Fig 7　Test-bed of automatic reseeding characteristics

實驗臺以種床帶的前進速度模擬播種機的工作速度，由電動機驅動并且通過變頻器調節速度，為防止種子發生滾動和彈跳，種床帶進行“溜沙”處理，便于粒距測量。試驗材料為鄭單958玉米種，半馬齒型，千粒質量330.4 g，質量含水率12.7%。

1）排種器轉速精度實驗：利用接觸式DM6235P轉速表檢測速度監測模塊測速精度。排種器實際作業轉速為7.4～23.1 r/min，在此范圍均勻地取 6個測速點：7.4，10.54，13.68，16.82，19.96，23.1 r/min，對比轉速表和速度監測模塊轉速的差異，每個測速點實驗50次，統計轉速誤差Δω，實驗結果如表1所示。

2）LCD觸控顯示實驗：觀察播種速度、當前排種行、漏播穴數、補播穴數和株距的數據以及故障指示燈是否顯示正確，虛擬按鍵是否可用。

3）漏種監測準確性實驗：將排種器中種子清空，調節排種器至以上6種轉速下運轉，每種轉速實驗50圈，測試漏種監測模塊能否監測到每一個空種槽，統計漏種監測準確率B，實驗結果如表1所示。

4）補種精度實驗：在以上6種轉速下，人為使排種器漏充種，連續漏充種數分別為1粒、2粒、3粒及以上，每種轉速實驗50次，檢驗補種成功率K、報警指示燈正確率W，測量補種后粒距，根據國標JB/T 10293—2013單粒（精密）播種機技術條件提供的標準，計算出補種后粒距合格指數A，實驗結果如表1所示。

表1　漏播自補種精度實驗Tab 1　Precision test of automatic reseeding

4　結論

1）LCD觸控顯示屏工作良好，各項數據和指示燈顯示及時準確，虛擬按鍵響應正常。

2）在低轉速下，測速精度較高，隨著轉速的增加，機架振動加劇致使速度監測精度有所降低，測速誤差增高，但轉速誤差Δω不高于1.16%，系統仍具有較高的測速精度。

3）在每種轉速下，漏種監測準確率為100%，系統的漏種監測精度較高。

4）系統在7.4～23.1 r/min的排種速度下具有良好的補種效果，系統對于排種器的故障能夠準確報警，報警指示燈準確率達到100%。

5）在漏充種1粒和2粒的情況下，系統補種成功率K為100%，補種后粒距合格指數A為100%；當連續3粒漏充種時，排種器轉速不高時補種成功率為100%，但在轉速高達19.96r/min以上時，出現了2%的補種滯后，這是由于排種速度本身很高，而補種需要超越旋轉的角度和速度，在此基礎上提高了3倍，導致步進電機扭矩在高速旋轉時有所降低，加之排種器自身摩擦阻力較大，造成了偶然的步進電機丟步現象，超越旋轉角度偏小，補種后粒距偏大，但在實際作業中，排種器轉速達到19.96 r/min以上的情況很少，即便如此，系統補種成功率和粒距合格指數仍達到了98%的較高水平。

［1］李雷霞，郝志明，楊薇，等.精密播種機排種性能檢測系統的研制［J］.農業工程學報，2012，2（8）：16-19.

［2］陳進，邊疆，李耀明，等.基于高速攝像系統的精密排種器性能檢測試驗［J］.農業工程學報，2009，25（9）：90-95.

［3］祁兵，張東興，崔濤.中央集排氣送式玉米精量排種器設計與試驗［J］.農業工程學報，2013，29（18）：8-15.

［4］劉佳，崔濤，張東興，等.氣吹式精密排種器工作壓力試驗研究［J］.農業工程學報，2011，27（12）：18-22.

［5］王鐵固，趙新亮，張懷勝，等.玉米產量的邊際效應及與主要農藝性狀的相關分析［J］.中國農學通報，2012，28（18）：122-126.

［6］王鐵固，趙新亮，張懷勝，等.玉米產量及主要農藝性狀的邊際效應［J］.廣東農業科學，2012，39（4）：22-25.

［7］張繼成，陳海濤，歐陽斌林，等.基于光敏傳感器的精密播種機監測裝置［J］.清華大學學報：自然科學版，2013，53（2）：265-268，273.

［8］周利明，王書茂，張小超，等.基于電容信號的玉米播種機排種性能監測系統［J］.農業工程學報，2012，28（13）：16-21.

［9］Du Ruicheng，Gong Bingcai，Liu Ningning，et al.Design and experiment on intelligent fuzzy monitoring system for corn planters［J］. International Journal of Agricultural&Biological Engineering，2013，6（3）：11-18.

［10］Singh T，Mane D.Development and laboratory performance of an electronically controlled metering mechanism for okra seed［J］. Agricultural Mechanization in Asia，Africa and Latin America，2011，42（2）：63-69.

［11］ Wang Zhanglei，Fang Hongxia，Chakrabarty K，et al.Deviationbased LFSR reseeding for test-data compression［J］.IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，2009，28（2）：259-271.

［12］朱瑞祥，葛世強，翟長遠，等.大籽粒作物漏播自補種裝置設計與試驗［J］.農業工程學報，2014，30（21）：1-8.

Design of automatic over-compensation control system based on Linux*

GE Shi-qiang，CHEN Da-peng，HONG Cao-gen
（Jiangsu Automation Research Institute，Lianyungang 222061，China）

In order to solve these problems，an automatic reseeding system based on Linux is designed.The system uses S3C2440A as core.The system adopts a Hall sensor to get the speed of the seed-metering device.A laser sensor is used to monitor the loss of seeds.The system can monitor inside of the seed-metering device to foresee the loss.An automatic reseeding control algorithm based on overrunning clutch is proposed.Through the control algorithm，the seed-metering device can overrun itself to reseed，an interactive visualization interface is designed to monitor the loss of seeds and give failure warning to the user if the seed-metering device has a breakdown. Experimental result shows that the accuracy rate of the loss and speed monitoring are 100%，the reseeding rate and the qualified index of seed space both are 100%while rotating speed is lower than 19.96 r/min and are 98% while rotating speed is higher than 19.96r/min，the automatic reseeding system can reseed timely and accurately.

monitoring system；embedded；reseeding compensation；autocontrol

TP302.1

A

1000—9787（2016）06—0099—05

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0099—05

2015—10—13

國家自然科學基金青年科學基金資助項目（61305050）

葛世強（1989-），男，江蘇連云港人，工程師，從事嵌入式系統設計與研究。