基于STC89C51單片機的播種性能檢測系統研究

劉 琳

（遼寧省農業機械化研究所，沈陽 110161）

播種機械是現代農業生產中不可或缺的重要設備[1]，排種器是其主要部件，決定排種質量。在傳統播種作業過程中，操作人員無法精確掌握排種量、播種合格率、株距等數據，也難以發現種子漏播、重播等問題。播種是農業生產過程中的基本環節，播種質量的優劣是出苗、保苗和增產的前提，高效精準檢測排種器作業性能成為保障播種質量的技術關鍵。近年來，計算機技術的不斷發展為播種性能檢測提供了技術支持。設計一種基于STC89C51單片機的播種性能檢測系統，利用光電檢測技術實現以上功能，以確保播種質量。

1 播種性能檢測系統設計

1.1 硬件設計

播種性能檢測系統包括中央處理器、復位電路、時鐘電路、檢測電路、顯示電路、報警電路、電源電路等功能模塊。中央處理器選擇STC89C51 單片機，這是一種低功耗、高性能的8 位CMOS 控制器，具有8K 系統可編程序Flash 存儲器，其組成的電路結構簡單、運行穩定、成本低廉。檢測電路選擇紅外光電傳感器，采用編碼和解碼技術，可最大限度地解決自然光線干擾問題，具有可靠性高、工作穩定性好的特點。其他外圍電路選擇與單片機相匹配的元器件即可。

1.2 軟件設計

單片機設計編程選用keil 作為開發環境，運用C語言執行軟件編程。工作程序流程圖如圖1所示。

圖1 工作程序流程圖Figure 1 Flowchart of the working procedure

工作過程為：單片機上電，系統初始化，同時對光電傳感器系統供電，光電傳感器系統工作，將光信號轉換為電信號，輸送給單片機識別。經單片機處理后得到的實際播種量與預設的播種量進行比較，如果超出預設的允許誤差范圍，則輸出信號給光電報警裝置報警，同時顯示播種情況。播種機單位時間行進的距離信號和播種情況經單片機處理后轉化為直觀的株距，經數字顯示模塊顯示。

1.3 工作原理

機具工作時，如果光電檢測電路沒有檢測到種子下落或檢測到連續多粒種子下落，則不符合預設程序，此時單片機輸出信號給顯示電路，顯示實際播種情況并儲存。當預設株距長度內沒有落種或連續出現多粒落種時，也不符合預設程序，此時單片機判定出現問題，給報警裝置輸出信號，報警裝置進行聲光警報。

機具作業速度由安裝在播種機地輪處的光電檢測電路提供，通過單片機換算，得出機具工作速度。播種株距為機具工作速度與相鄰兩次排種下落時間差的乘積。通過單片機編程將預設株距與實際計算株距相比較，當實際株距不符合預設株距范圍時，單片機向報警裝置輸出信號，報警器報警提醒駕駛員并實時顯示工作情況。

2 主要零部件設計

2.1 光電檢測電路

為避免傷種和干擾種子下落，光電檢測電路采用無接觸式光電傳感器。紅外發射接收是利用紅外線進行傳遞信息的一種控制方式，其電路簡單，容易實現編碼和解碼，功耗小、成本低，具有較強抗干擾能力。電路主要由調制、發射、接收和電壓比較電路構成，如圖2所示。設計所選用的紅外發光二極管平均有效探測距離0～30 cm 可調，具有良好的抗外界光干擾能力，日光下可正常工作，能保證檢測需求。

圖2 光線檢測電路構成Figure 2 Composition of light detection circuit

排種檢測電路由安裝在導種管下的紅外發射管、紅外接收器和相關電路組成。排種器排出的種子在下落過程中會劃過紅外發射管和接收器組成的光幕，遮斷光線，使紅外接收二極管失去信號，從而檢測到種子下落和粒數。經電壓比較器后，將信號輸送給單片機系統進行統計計算[2]。如果在程序規定時間內光幕沒有被遮蔽，則與單片機連接的檢測電路及相關端口也會發生電平變化，此時單片機按程序將工作指令發送給報警電路報警。這種設計的目的是避免偶發性缺種造成頻繁報警。

對機具前進速度的檢測，由光電檢測電路完成。該電路由拖拉機輪胎腹板和平行放置的發射器和接收器組成。機具作業時，拖拉機輪胎轉動，輪胎腹板上的輻條及孔眼結構會反射紅外發射管發射的光線，紅外接收器接收到這些斷續的信號后，由電壓比較器將信號輸送給單片機系統，從而計算出機具的前進速度，同時，單片機系統還會計算出排種器的性能指標。

2.2 單片機模塊

STC89C51 單片機是高性能、低功耗的8 位微處理器，具有RISC結構，內部集成2個16位定時器／計數器和5個微型計算機（兩個優先級中斷源的一種控制芯片）。STC89C51 單片機系統包括晶振、存儲器、地址鎖存器、邏輯門、七段譯碼器（顯示器）、按鈕（類似鍵盤）、擴展芯片、接口等，共有40 個引腳，其作用可分為電源、時鐘、控制和I/O引腳四大類。引腳及功能如圖3所示。

圖3 STC89C51單片機引腳功能圖Figure 3 Pin function diagram of STC89C5l SCM

2.3 鍵盤按鍵模塊

鍵盤系統主要用于檢測系統所需工作指令和工作參數的輸入，設有16 個按鍵，分別是啟動鍵、暫停鍵、播種誤差設置鍵、總播量顯示鍵、清零鍵、復位鍵等。由于STC89C51 單片機端口數的限制，按鍵模塊設有三路獨立的輸入按鍵，直接接到單片機的P1.0，P1.1，P1.2 端口，用于手動與自動之間的切換。P1.0鍵為自動與手動模式切換按鍵，常閉時為自動模式，強制斷開時為手動模式，主要在清種時使用。P1.1，P1.2連接的按鍵用于強制運轉。

2.4 顯示與報警電路

顯示裝置選用迪文DMG80600C080-01W型號觸摸顯示屏，采用M600內核，功能完善，電路結構簡單，僅需4 條數據線與單片機連接即可完成數據傳輸與顯示。該裝置內部自帶串口電平轉換電路，系統抗干擾能力強[3]。顯示裝置自帶操作指令軟件系統，終端顯示是基于圖形界面進行操作的，圖形界面開發與軟硬件開發同時進行，應用簡單。

警報裝置由蜂鳴器和報警燈組成，由開關三極管控制。當出現漏播或重播現象時，單片機向報警裝置發出指令，蜂鳴器會發出持續的聲響，同時報警燈閃亮，提醒操作員排除故障。

2.5 系統供電電路

檢測系統電源由拖拉機蓄電池提供，由拖拉機蓄電池、開關K、熔斷器FU、隔離二極管D、濾波電容器C1，C2，C3，C4、三端穩壓集成電路IC7805、保險電阻R1、限流電阻器R2 和電源指示發光組成。如圖4所示。

圖4 電源電路原理圖Figure 4 Schematic diagram of the power supply circuit

該電路經開關K、熔斷器FU、濾波電容器C1 及C2、隔離二極管D，與拖拉機蓄電池12 V電源隔離，使其變成穩定的12 V 電源，再通過三端穩壓集成電路IC7805 降壓穩壓、濾波，變成系統穩定的5 V 直流電源，從而為單片機及其他邏輯單元供電。

3 試驗效果

基于STC89C51 單片機的播種性能檢測系統于2022 年4 月安裝在遼寧省農業機械化研究所播種試驗臺上進行試驗，結果表明：該系統具備排種量、播種合格率、株距等多項檢測功能，出現漏播或重播現象時能及時有效識別報警，具有電路簡單、成本較低、檢測準確、穩定性高等優勢。鑒于該系統僅在試驗室內進行了初步試驗，有待在應用實踐中加以充分驗證和優化設計，使其具備實際應用價值。