基于單片機的漏播檢測系統(tǒng)的集成電路研究

張 良，楊文彩，仲廣遠，杜一帆，譙 睿，郎沖沖，闞成龍

(云南農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，昆明 650201)

0 引言

三七(PanaxNotoginseng)為傘形目五加科人參屬植物，別名田七、人參三七、金不換及盤龍七等。三七具有較高的藥用價值，近年來國內(nèi)外市場對三七的需求量逐年增大[1]。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營、專業(yè)化生產(chǎn)、機械化和自動化程度的不斷提高，工廠化育苗已成為先進農(nóng)業(yè)技術之一。基于標準化槽式育苗模式，課題組開發(fā)了三七槽式育苗精密播種機，目前已開發(fā)至三代播種樣機—2BQ-28型三七精密播種機(下面簡稱三七精密播種機)，整體播種效果良好，但在種子漏播檢測方面仍然存在不足。

三七精密播種機在播種環(huán)節(jié)中的漏播現(xiàn)象，造成育苗基質(zhì)中種子數(shù)量不足、種苗產(chǎn)量下降，現(xiàn)急需一套配套三七精密播種機的漏播檢測系統(tǒng)。漏播現(xiàn)象廣泛存在于農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)的播種環(huán)節(jié)，國外對播種質(zhì)量監(jiān)測的研究比較早。1986年，HaaseW.C.開發(fā)了名為Pioneerl的監(jiān)控系統(tǒng)，同時使用了排種傳感器和速度傳感器,可以對播種面積、播種工況、機器速度、各行播種量和粒距進行監(jiān)測并進行LCD顯示[2]。2000年，Miyazaki 大學的Nagata等研制了一款數(shù)字壓力傳感器，并且在大白菜、芥菜、菠菜種子的播種上實測了漏播檢測效果[3]。2016年，Umarkar等研究了基于Android應用程序的智能農(nóng)業(yè)機器人，該機器人通過WiFi接口使用超聲波傳感器和數(shù)字指南針傳感器對種子播種和挖掘進行自動的操作[4]。除此之外，蘇聯(lián)[5]等國家多名學者也有這方面的研究。近年來，關于漏播傳感監(jiān)測系統(tǒng)的研究也非常多。2010-2016年，丁幼春、廖慶喜、王雪玲等針對油菜精密播種機的田間漏播檢測方法進行了研究，提出了以FS-11V光纖傳感器和霍爾轉矩傳感器為傳感檢測裝置的油菜小粒徑種子的漏播檢測方法，開發(fā)了一套油菜籽漏播螺管式補種器[6-9]。2017年，林宏等使用了基于Android和4G通信的技術并運用到漏播圖像采集與傳輸系統(tǒng)上[10]。除此之外，張石平等[11]、丁時峰等[12]、李雷霞等[13]、部占軍等[14]、張順[15]等都有相關方面的研究。現(xiàn)在國內(nèi)外研究的漏播檢測系統(tǒng)，都不能適應大棚作業(yè)下的三七精密播種機。為實現(xiàn)開溝、播種、覆土一體化作業(yè)，提高播種質(zhì)量與效率，有必要研發(fā)配套三七精密播種機的漏播檢測系統(tǒng)，來適應三七精密播種機的大棚作業(yè)。

目前，三七精密播種機對種子漏播檢測機制尚不明確，缺乏相關研究。為此，本文設計一種基于單片機系統(tǒng)的集成漏播檢測系統(tǒng)，主要包括信號采集模塊、信號處理模塊、串口通信模塊、按鍵控制模塊及數(shù)據(jù)顯示模塊。工作時通過圓形設計紅外發(fā)射接收管360°檢測，傳感器信號通過LM393比較電路芯片輸送給新型STC12C4052單片機，經(jīng)過MAX3232串口通信，實現(xiàn)了對三七精密播種機的漏播檢測。

1 工作原理與方法

1.1 漏播檢測系統(tǒng)的總體方案設計

為了實現(xiàn)漏播檢測測系統(tǒng)的主要功能，使得系統(tǒng)更加完善以統(tǒng)籌全局，制定了技術路線圖，如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 The technical route figure

總體方案的設計需要考慮以下幾個關鍵技術：①測試分析漏播檢測系統(tǒng)是否能對不同傳感探頭進行信號識別，是否能完成對多個傳感探頭的半雙工主從模式的信號采集，是否能對指定的傳感探頭進行編碼識別; ②是否能通過濾波電路除去雜波對單片機的干擾；③是否能基于STC12C4052系列單片機開發(fā)平臺，將漏播檢測電路集成到PCB板，實現(xiàn)漏播檢測系統(tǒng)安裝一體化。

根據(jù)以上分析，漏播檢測系統(tǒng)的硬件組成框圖，如圖2所示。

圖2 漏播檢測系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.2 Loss sowing detection system hardware block diagram

漏播監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖，如圖3所示。

圖3 漏播檢測系統(tǒng)主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart of the loss sowing detection system

系統(tǒng)開始后，按鍵輸入，在矩陣鍵盤上輸入預設播種數(shù)量。系統(tǒng)開始啟動，傳感器檢測播種數(shù)量，信號通過比較電路反饋給單片機，判斷是否有固定頻率信號，在OLED顯示屏上顯示播種數(shù)、漏播數(shù)及漏播率作為人機交互界面，實現(xiàn)對漏播情況的檢測。

1.2 漏播檢測系統(tǒng)硬件設計

1.2.1 傳感器選型

1.2.1.1 傳感器檢測原理

本設計采用紅外傳感器。由于窩眼滾筒播種機行進速度與排種頻率具有一致性，因此以機器正常工作時速度范圍為依據(jù)，計算出機器的排種頻率范圍；以播種合格率95%為標準，計算出堵種窩眼數(shù)量的上限。將上述計算值預設到漏播檢測系統(tǒng)中，在導種管上合適位置安裝傳感器，監(jiān)測播種機實際的排種情況。

1.2.1.2 漏播參數(shù)的計算

播種質(zhì)量的衡量主要通過以下幾個指標：播種效率、播種合格率、行距合格率、株距合格率、種子破碎率、漏播率及漏播檢測精度等。漏播檢測系統(tǒng)的衡量指標主要是漏播率的檢測，要求到達95%的漏播檢測精度。

1)窩眼堵種上限的確定。堵塞的窩眼數(shù)量上限用S表示，播種機導種管數(shù)量為28，窩眼滾筒單行1周的窩眼數(shù)量為24，漏播率不超過5%。

S≤28×24×(1-95%)=33.6

因此，播種機堵塞的窩眼數(shù)量不能超過33個，否則播種合格率一定達不到要求。對于傳感器的檢測來說，監(jiān)測窩眼滾筒旋轉1周所出現(xiàn)的信號斷點的數(shù)量，即為窩眼滾筒的堵種數(shù)量。

2)播種頻率范圍的確定。播種頻率用f表示，播種機窩眼滾筒線速度為S。由于播種機的行進速度與窩眼滾筒轉動線速度具有一致性，根據(jù)效率最大化原則和精確農(nóng)業(yè)中適速播種原則，機器的前進速度范圍為5～10m/min，種子行間距A為5cm，則f=S/A=1.67～3.33Hz。根據(jù)計算出的頻率范圍，可以對傳感器的選型提供依據(jù)。

1.2.1.3 傳感器分布方式

為了能全面檢測下落種子，本次設計選用的3對紅外傳感器對稱分布在內(nèi)徑為40mm孔的電路板上，紅外發(fā)射接收管的直徑為5mm，保證播種頻率在1.67～3.33Hz之間完全檢測。

1.2.2 漏播檢測模塊電路設計

1.2.2.1 串口通信電路設計

由于本設計采用傳感器直接與單片機通信，不同于同型機與機之間的通信，要對傳感器信號進行信號調(diào)理識別處理。為了同時采集多個傳感器的信號并識別，本文采用RS-232通訊協(xié)議中MAX3232通訊芯片。該芯片能將TTL電平轉化為RS-232電平，能實現(xiàn)單片機與多個傳感器之間串口通訊。Max3232通信電路如圖4所示。

圖4 MAX3232通信電路Fig.4 MAX3232 communication circuit

1.2.2.2 紅外檢測電路設計

紅外檢測電路由紅外發(fā)射接收電路和電壓比較電路組成，如圖5所示。其中，每對紅外發(fā)射接收電路都是由1個紅外發(fā)射管和1個紅外接受管后接1個LM393雙電壓比較器集成電路。當種子落下時，紅外發(fā)射管和接受管兩端的電壓變化通過LM393雙電壓比較器集成電路轉換為數(shù)字信號傳輸給單片機。

圖5 紅外檢測電路Fig.5 Infrared detection circuit

1.2.2.3 單片機控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)核心采用STC12C4052 單片機，為STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機。單片機系統(tǒng)電路包括按鍵電路、濾波、顯示電路及MAX3232串口電路等 ，傳感器信號通過比較電路輸出信號接單片機的 p3.2、p3.3、p3.7I/O口，程序通過串口通訊的方式傳輸給單片機。通過矩陣按鍵電路設定播種次數(shù)，按鍵啟動傳感器工作根據(jù)計算的播種頻率檢測漏播情況，并在OLED顯示屏上顯示播種數(shù)目、漏播個數(shù)及漏播率等。電路系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 單片機控制系統(tǒng)圖Fig.6 SCM control system diagram

1.2.2.4 漏播檢測系統(tǒng)集成

本次設計將漏播檢測系統(tǒng)集成在一塊8cm×8cm的PCB板上，極大地節(jié)約了空間。集成PCB板的特點：①體積小、質(zhì)量輕；②可靠性高，壽命長，安裝方便；③頻率特性好，速度快。配套2BQ-28三七精密播種機的圓形導種管，PCB板中心有1個直徑4cm的圓形孔對下落的三七種子進行檢測。通過系統(tǒng)優(yōu)化的方法對PCB板的線路進行如圖7所示的布局。主要元器件如表1所示。

圖7 漏播檢測系統(tǒng)PCB集成電路Fig.7 Loss sowing detection system PCB integrated circuits

表1 PCB板主要元件Table 1 PCB board main components

續(xù)表1

1.2.3 漏播檢測系統(tǒng)的安裝

漏播檢測系統(tǒng)的安裝位置如圖8所示。

1.機架 2.種子箱隔板 3.種子箱4.滾筒 5.檢測集成系統(tǒng) 6.導種管圖8 漏播檢測系統(tǒng)的安裝位置Fig.8 Location of the loss sowing detection system

2 實驗結果與分析

實驗室漏播檢測測試采用普通的三七種子，采用人工投種方式進行檢測試驗,排種每穴為 1粒，每次試驗投種300粒 ,重復 3 次,取平均值；人工記錄播種數(shù)據(jù)，并與系統(tǒng)測試結果進行對比，實驗結果如表2所示。其中，實際播種量為播種機充種不充分引起的。由表2可知,該檢測系統(tǒng)單粒監(jiān)測精度達到95.7%。

表2 漏播檢測實驗Table 2 Loss sowing detection test

3 結論

針對2BQ-28型三七精密播種機的漏播情況設計了一套便于安裝的漏播檢測集成系統(tǒng)。系統(tǒng)針對紅外二極管的指向特性，設計了信號轉換電路和濾波電路加強對信號采集的穩(wěn)定性，提高了漏播檢測精度。運用Altium Designer軟件設計出系統(tǒng)電路圖，并通過Keil和Proteus仿真軟件對程序設計和電路設計進行驗證，提高了檢測電路的科學性和準確性。傳感器布局采用圓形結構的設計，且將設計的檢測電路集成在傳感器布局的PCB板上，實現(xiàn)了檢測與安裝的一體化，既不影響對種子的檢測，同時也方便檢測系統(tǒng)的安裝。實驗結果表明：本設計能夠實現(xiàn)95%以上的檢測精度，有應用推廣價值。