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1、分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 題目 免耕播種機(jī)的研究 系 別 繼續(xù)教育學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 機(jī)電一體化 年 級(jí) 2009級(jí) 學(xué) 生 姓 名 鄒 齊 學(xué)

2、 號(hào) 0 指 導(dǎo) 教 師 徐小俊 二0一二年十一月 摘要：本課題來源于XX畜某機(jī)械有限公司，目的是研制一套與免耕機(jī)配套使用的播種、施肥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)免耕播種機(jī)播種過程，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除各種故障，保證播種和施肥的量。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由三部分組成：免耕機(jī)上的耕播監(jiān)控制分機(jī)、拖拉機(jī)上的作業(yè)監(jiān)視控制器和用于基地辦公室的作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管理機(jī)。本人承擔(dān)免耕機(jī)上的耕播監(jiān)控制分機(jī)部分的硬件設(shè)計(jì)。 硬件設(shè)計(jì)以功能強(qiáng)勁的STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，檢測(cè)信號(hào)由光電開關(guān)，霍爾感應(yīng)開關(guān)提供，實(shí)現(xiàn)對(duì)播

3、種機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)，并具有實(shí)時(shí)處理的功能。耕播監(jiān)控制分機(jī)與監(jiān)視控制器通過無線通信傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)。種肥空箱模塊實(shí)現(xiàn)了空箱檢測(cè)報(bào)警功能。 關(guān)鍵詞：智能播種；無線通信；光電檢測(cè)；實(shí)時(shí)處理 Abstract: This topic from XX livestock a machinery co., LTD., the purpose of which is to develop a set of and zero tillage machine supporting the use of sow

4、ing, fertilization automatic monitoring system, can real time monitoring no-tillage planter sowing process, can discover in time, eliminate all kinds of fault, guarantee the sowing and the amount of fertilizer. System structure consists of three parts: zero tillage farming on the broadcast monitori

5、ng system extension, the tractor homework monitor controller and used for base office operation statistics and analysis management machine. I bear no tillage farming on the broadcast monitoring system extension part of the hardware design. Hardware design with function strong STC12C5A60S2 single-ch

6、ip microcomputer as the core, to detect the signal by photoelectric switch, hall induction switch provides, realize the planter state detection, and has the function of real-time processing. Tillage broadcast monitoring system extension and surveillance controller through the wireless communication

7、transmission of the relevant data. Seed manure empty container module implements empty detection alarm function. Keywords: intelligent sowing; Wireless communication; Photoelectric detection; Real-time processing 目 錄 引言 1 1. 設(shè)計(jì)題目的來源 1 1.1 國內(nèi)外免耕播種機(jī)的研究現(xiàn)狀 2

8、 1.2 本設(shè)計(jì)的意義 3 2. 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4 2.1 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求 4 2.2 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成 5 2.2.1 耕播監(jiān)控分機(jī) 6 2.2.2 作業(yè)監(jiān)視控制器 8 2.2.3 作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管理機(jī) 10 2.3 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 12 2.3.1 耕播監(jiān)控分機(jī) 13 2.3.2 作業(yè)監(jiān)視控制器 13 2.3.3 作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管理系統(tǒng) 14 3. 耕播監(jiān)控分機(jī)硬件設(shè)計(jì) 15 3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 15 3.2 電源模塊 16 3.3 MCU選型 16

9、 3.4 模擬量信號(hào)調(diào)理電路 17 3.5 電機(jī)控制電路 17 3.6 通信模塊 18 3.7 種肥空箱檢測(cè)電路 18 3.7.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 19 3.7.2 光電傳感器選擇 19 4. 結(jié)束語 20 參考文獻(xiàn) 21 引言 1.設(shè)計(jì)題目的來源 本題來源于XX畜豐農(nóng)牧機(jī)械有限公司，農(nóng)業(yè)機(jī)械免耕機(jī)是該公司的主要產(chǎn)品類之一，“播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)”是基于免耕機(jī)的一種智能機(jī)電產(chǎn)品。 此前，XX畜豐農(nóng)牧機(jī)械有限公司的產(chǎn)品，僅有免耕機(jī)的機(jī)械部分。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是研制一套與免耕機(jī)配套使用的播種、施肥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)免耕播種機(jī)播種過程，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排

10、除各種故障，保證播種和施肥的質(zhì)量。能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物播種的全過程監(jiān)控： (1) 無線或串行傳輸接收監(jiān)視控制器的設(shè)置命令，設(shè)置播種、施肥的數(shù)量； (2) 檢測(cè)耕作、播種的速度或畝數(shù)； (3) 檢測(cè)開溝器、導(dǎo)種管，若堵塞則進(jìn)行排堵控制；檢測(cè)播種的均勻性，若有漏播或種箱及肥料箱空時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。 1.1 國內(nèi)外免耕播種機(jī)的研究現(xiàn)狀 保護(hù)性耕作是相對(duì)于傳統(tǒng)翻耕的一種新型耕作技術(shù)。定義是;“用大量秸稈殘茬覆蓋地表，將耕作減少到只要能保證種子發(fā)芽即可，并主要用農(nóng)藥來控制雜草和病蟲害的一種耕作技術(shù)”。由于它有利于保水保土，所以稱為保

11、護(hù)性耕作。目前，國際上一般認(rèn)為播種后地表覆蓋超過30%才能成為保護(hù)性耕作。它的前身叫“免耕法”，隨著研究的深入和推廣的擴(kuò)大，發(fā)現(xiàn)免耕只能適應(yīng)部分土壤和自然條件，1980年以后改稱保護(hù)性耕作法。機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)是相對(duì)人畜力的保護(hù)性耕作而言，其主要作業(yè)如免耕播種、秸稈處理、深松等需要使用機(jī)器來完成。 免耕播種技術(shù)經(jīng)過近二十年的研究，在歐美發(fā)達(dá)國家發(fā)展很快，已初具規(guī)模，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的GPS產(chǎn)品已日臻完善和商品化。國外學(xué)者在變量控制施肥機(jī)械設(shè)備方面做了大量的開發(fā)研制。保護(hù)性耕作的研究開始于40年代早期，美國于1942年成立了土壤保護(hù)局(SCS)，對(duì)各種保水、保土的耕作法進(jìn)行了大量研究。經(jīng)過30余年

12、，1977年以免耕為中心的保護(hù)性耕作法獲得美國政府一等獎(jiǎng)，正式確立了保護(hù)性耕作的地位。澳大利亞、前蘇聯(lián)等國也先后展開了各種保水、保土的耕作法的研究。50年代開始，前蘇聯(lián)試驗(yàn)了馬爾采夫無壁犁耕作法;隨后，結(jié)合馬爾采夫耕作法和加拿大的抗早留茬耕作法，配合施用除草劑，形成一套適合旱地的蓄水保墑保土耕作法。這種保水保土耕作法，土壤結(jié)構(gòu)基本不被破壞，用茬地免耕播種機(jī)直接播種;用無壁犁耕作，地表保留80%左右根茬及植物殘?bào)w，既穩(wěn)固土壤，減輕風(fēng)蝕水蝕，又能截留雨雪，同時(shí)減少蒸發(fā)。 國家通過加大對(duì)農(nóng)業(yè)教育、科研和技術(shù)推廣的投入來提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的國際競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。多年來，我國農(nóng)業(yè)推廣體系處一直指導(dǎo)著人

13、們的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所在引進(jìn)GPS、GIS和變異管理核心部件的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情，研制了適合我國國情的變量施肥機(jī)具。該機(jī)具以Ag170計(jì)算機(jī)為中心處理部件，以液壓驅(qū)動(dòng)為動(dòng)作部件進(jìn)行變量控制。定位系統(tǒng)采用Ag132型實(shí)時(shí)差分式全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，集成應(yīng)用取得了良好效果。2006年1月13日在上海市情報(bào)所通過由上?？莆M織的專家驗(yàn)收，開始在上海市松江泖新農(nóng)場投入使用。全球定位系統(tǒng)GPS的智能變量播種、施肥、旋耕復(fù)合機(jī)是國內(nèi)首臺(tái)的自主研制基于GPS的智能變量施肥播種機(jī)。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，施肥機(jī)、 播種機(jī)及旋耕機(jī)可自由組合，形成不同作業(yè)方式。 1.2 本設(shè)計(jì)的意義 我國雖

14、然耕地、水等農(nóng)業(yè)資源總量較大，但是人均水平卻遠(yuǎn)低于世界平均水平，而且從長期看，資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間的矛盾會(huì)隨著人口增長進(jìn)一步加劇，因此，必須基于這一基本國情選擇資源集約型、勞動(dòng)力和技術(shù)密集型的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路，并注重科技要素在解決資源瓶頸中的重要作用。 免耕播種機(jī)的應(yīng)用推廣對(duì)加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有重要的意義。免耕播種機(jī)質(zhì)量的提高也將大大促進(jìn)其推廣。免耕播種機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物播種的全過程監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)免耕播種機(jī)播種過程，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除各種故障，保證播種和施肥的質(zhì)量。將改變傳統(tǒng)的耕作方式，將精播，保護(hù)性耕作的概念引入中國農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中來。 保護(hù)性耕作將作為一個(gè)全新的概念推廣開來，其優(yōu)點(diǎn)也將

15、顯現(xiàn)出來：①減少地表徑流，減輕土壤風(fēng)蝕水蝕，改善環(huán)境，增加水分入滲:②增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu);③提高水、土、光等資源的利用率;④作物根系發(fā)達(dá)，干物質(zhì)積累多，產(chǎn)量提高;⑤可實(shí)行機(jī)械化作業(yè)，有利于大面積推廣;⑥減少作業(yè)工序，節(jié)約人畜用工，增加收入，提高經(jīng)濟(jì)效益。 可以預(yù)料，智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)將在我國迅速發(fā)展，將成為我國21世紀(jì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，相應(yīng)的農(nóng)用機(jī)械配套智能系統(tǒng)也能夠?yàn)槲覀儙砗芎玫慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 2. 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.1 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求 本課題的目標(biāo)是研制一套與免耕機(jī)配套使用的播種、施肥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)免耕播

16、種機(jī)播種過程，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除各種故障，保證播種和施肥的質(zhì)量。 該系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能: 實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物播種的全過程監(jiān)控，對(duì)播種、施肥作業(yè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；及時(shí)發(fā)現(xiàn)在播種作業(yè)時(shí)發(fā)生的種箱排空、排種器卡種及輸種管堵塞等故障，減少漏播或重播；重點(diǎn)解決播種、施肥量計(jì)算和自動(dòng)調(diào)節(jié)，播種過程阻塞檢測(cè)和排阻塞控制，耕作面積和種子、肥料使用量的自動(dòng)積算等。 2.2 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成 2.2.1 耕播監(jiān)控分機(jī) 耕播監(jiān)控分機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能有： （1）測(cè)量免耕機(jī)的運(yùn)行速度，進(jìn)而計(jì)算耕播面積（畝）。 （2）根據(jù)土地、種類的要求，接收由作業(yè)監(jiān)視控制器發(fā)來的播種量和施肥量的指令，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)器調(diào)整播種量和施

17、肥量達(dá)到給定值。 （3）檢測(cè)種箱、肥料箱是否排空，并在缺種、缺肥時(shí)，向作業(yè)監(jiān)視控制器和在本機(jī)進(jìn)行聲、光報(bào)警。 （4）檢測(cè)排種管、排肥管（樓腿）是否阻塞。因?yàn)槊飧麢C(jī)約設(shè)有6樓腿用于施肥，每個(gè)樓腿兩側(cè)上方有兩個(gè)排種管，不管哪個(gè)樓腿或排種管被阻塞時(shí)要進(jìn)行聲、光報(bào)警，并用時(shí)排除故障，以免漏施漏播。排除樓腿或排種管阻塞可以控制氣動(dòng)震動(dòng)、機(jī)械震動(dòng)等方法進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。 （5）能夠發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)視控制器和接收監(jiān)視控制器的命令或參數(shù)設(shè)置。 （6） 免耕機(jī)沒有電源，智能監(jiān)控系統(tǒng)要由拖拉機(jī)頭（12V）或自帶蓄電池（12V或6V）供電，系統(tǒng)再提供電路要考慮直流穩(wěn)壓電路（5V）。 （7） 為了避免在拖拉機(jī)聯(lián)掛或

18、分離時(shí)，對(duì)通信系統(tǒng)造成破壞，可以采用無線通信方式。 2.2.2 作業(yè)監(jiān)視控制器 作業(yè)監(jiān)視控制器實(shí)現(xiàn)的主要功能有： （1）用串行或無線通信方式與耕播監(jiān)控制分機(jī)進(jìn)行通信，向監(jiān)控制分機(jī)發(fā)送設(shè)置命令或接收監(jiān)控制分機(jī)上的耕播信息或故障報(bào)警。 （2）為監(jiān)控制分機(jī)播種設(shè)置初始數(shù)據(jù)，包括播種類型（玉米、小麥等）、播種數(shù)量（Kg/畝）、施肥數(shù)量（Kg/畝）、噴藥量（g/畝）、行走速度限制等。 （3） 正常運(yùn)行時(shí)，顯示耕播作業(yè)信息，包括耕播速度（米/分）、總機(jī)播種流量（g /米）、積算面積（畝）、耕播作業(yè)開始的時(shí)間（年-月-日 時(shí)：分：秒）、作業(yè)總時(shí)間（時(shí)：分：秒）向管理主機(jī)轉(zhuǎn)載數(shù)據(jù)，接收管理主機(jī)的

19、相關(guān)設(shè)置； （4） 為每個(gè)拖拉機(jī)駕駛員設(shè)定初始密碼，并能修改，要設(shè)計(jì)一個(gè)管理員密碼。 2.2.3 作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管理機(jī) 作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管理機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能有： （1）拖拉機(jī)回到基地辦公室時(shí)，可通過串口或無線收發(fā)器與管理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)載通訊，使管理機(jī)取得近期作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。 （2）建立作業(yè)數(shù)據(jù)庫，用于查詢或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括作業(yè)日期和時(shí)間、拖拉機(jī)主、作業(yè)地塊和戶主、作業(yè)類型、耕播面積、播種量、施肥量等。 （3）按月建立新數(shù)據(jù)庫，具有自動(dòng)生成數(shù)據(jù)庫的功能。 （4）數(shù)據(jù)庫可自動(dòng)保存若干年，設(shè)置刪除功能，根據(jù)需要自選刪除。 （5）進(jìn)入或刪除數(shù)據(jù)庫要設(shè)置管理員密碼。 （6）用VB或

20、VC設(shè)計(jì)較好人機(jī)界面。 2.3 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 2.3.1 耕播監(jiān)控分機(jī) 耕播監(jiān)控分機(jī)目的實(shí)現(xiàn)對(duì)播種過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，首先要以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)?？紤]到農(nóng)民的實(shí)際經(jīng)濟(jì)能力和成本問題，單片機(jī)型號(hào)要常見且自身功能要強(qiáng)，這對(duì)于設(shè)計(jì)電路的簡化有很大幫助，經(jīng)過選擇，決定以STC單片機(jī)作為主控芯片。對(duì)于檢測(cè)種箱、肥料箱是否排空，檢測(cè)排種管、排肥管是否堵塞的問題，以光電開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)較為合適。考慮到成本，部分光電檢測(cè)開關(guān)可以自己制作。對(duì)于本機(jī)進(jìn)行聲音報(bào)警，則用相應(yīng)的硬件電路來完成。對(duì)于測(cè)量免耕機(jī)的運(yùn)行速度、計(jì)算播種面積，設(shè)計(jì)中通過霍爾傳感器來測(cè)量壓輪轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于無線方式上傳給監(jiān)

21、視控制器，選擇較為合適的無線傳輸模塊就可以解決。 2.3.2 作業(yè)監(jiān)視控制器 監(jiān)視控制器也應(yīng)當(dāng)以單片機(jī)作為主控芯片，其外圍要包含無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、時(shí)鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、顯示模塊、光電報(bào)警模塊，鍵盤等幾部分。設(shè)計(jì)電路時(shí)通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控分機(jī)的監(jiān)測(cè)信息交流（設(shè)置播種、施肥量并計(jì)算播種槽開度百分比，免耕播種機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)），光電報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)故障進(jìn)行生光報(bào)警。視控制器由拖拉機(jī)頭提供+12V直流電源經(jīng)過穩(wěn)壓電源降壓為系統(tǒng)供電，同時(shí)還配備了+6V蓄電池備用，使其在拖拉機(jī)供電故障的情況下也能正常工作，保證了監(jiān)視控制器工作的穩(wěn)定性。 2.3.3 作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管理系統(tǒng) 作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管

22、理系統(tǒng)采用VB設(shè)計(jì)，要通過無線模塊可與監(jiān)視控制器建立數(shù)據(jù)通信，并且能夠?qū)崿F(xiàn)和數(shù)據(jù)庫的并聯(lián)，來保存數(shù)據(jù)。作業(yè)統(tǒng)計(jì)和分析的管理系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、保存、查詢和打印功能，可以用表格和曲線的形式顯示數(shù)據(jù)記錄，長期保存播種數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)庫功能的操作、相關(guān)內(nèi)容的查詢和打印備份。 3 耕播監(jiān)控分機(jī)硬件設(shè)計(jì) 3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)信號(hào)的采集、調(diào)理、輸入、處理和輸出。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用人群是普通農(nóng)戶，所以特別需要考慮到生產(chǎn)成本，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)算量，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不宜采用造價(jià)昂貴的控制芯片，可適當(dāng)采用集成芯片以降低控制系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度。

23、 本次設(shè)計(jì)選擇芯片有以下幾方面考慮：芯片的成本盡量降低以保證推廣，芯片的功能齊全，以簡化設(shè)計(jì)電路。 耕播監(jiān)控分機(jī)系統(tǒng)以STC12C5A60S2作為主控芯片,與外圍的nRF905無線模塊，鏤腿堵塞檢測(cè)電路，模擬量信號(hào)調(diào)理電路，鏤腿堵塞處理電路，種肥箱檢測(cè)電路，報(bào)警電路共同組成。其結(jié)構(gòu)見圖 2.1 圖 2.1 耕播監(jiān)控分機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 主控芯片采用STC12C5A60S2低功耗、高速，超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合，完全適用于戶外作業(yè)的農(nóng)耕場合。采用n

24、RF905無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，同時(shí)還可以選擇485總線傳輸，消除了產(chǎn)品容易受戶外惡劣環(huán)境影響的弊端。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)選擇了較為常見的電子器件，降低了成本，并且利于產(chǎn)品的維護(hù)。 通信模塊選擇購買生產(chǎn)廠家的通信模塊以保證通信質(zhì)量，種肥箱檢測(cè)初步選定采用光電檢測(cè)。鏤腿堵塞處理電路相對(duì)簡單，難點(diǎn)在于外部鏤腿導(dǎo)通氣動(dòng)震動(dòng)、機(jī)械震動(dòng)等方法的選擇和相應(yīng)的機(jī)械。 外圍器件與STC12C5A60S2連接主要使用其通用I/O口功能，但A/D轉(zhuǎn)換，串行通信使用了I/O口第二功能。 本系統(tǒng)需要采集的信號(hào)主要有速度傳感器采集的壓輪速度(播種機(jī)行進(jìn)速度)信號(hào)，排種傳感器(鏤腿內(nèi))采集的排種信號(hào)，種箱傳感器采集的

25、種箱內(nèi)有無種子信號(hào)，肥箱傳感器采集的肥箱內(nèi)有無肥料信號(hào)。 系統(tǒng)需要控制的信號(hào)主要有對(duì)調(diào)節(jié)種肥箱開口大小的電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)信號(hào)，聲光報(bào)警信號(hào)，打通堵塞鏤腿的控制信號(hào)。 3.2 電源模塊 免耕播種機(jī)沒有電源，智能監(jiān)控系統(tǒng)要由拖拉機(jī)頭（12V）或自帶蓄電池（12V）供電，系統(tǒng)再提供電路要考慮直流穩(wěn)壓電路（5V），由于還利用了9V電壓，因此采用7809將12V轉(zhuǎn)換為9V，再通過7805將9V轉(zhuǎn)換為5V，使得轉(zhuǎn)換的電壓更穩(wěn)定，而且還產(chǎn)生9V電壓供系統(tǒng)利用接線，如圖4.1。 圖 4.1 系統(tǒng)電源電路 電路通過7809將電壓又12V轉(zhuǎn)為9V，再通過7805將9V轉(zhuǎn)化為5V。 但7

26、805，7809芯片存在相應(yīng)的缺點(diǎn)，例如工作過程中發(fā)熱量大，轉(zhuǎn)換過程功耗較大，相對(duì)其他穩(wěn)壓，電壓轉(zhuǎn)換芯片精度不是非常高；但可以通過在排版中設(shè)計(jì)較寬松的環(huán)境來為芯片降溫，用拖拉機(jī)提供12V直流電可以忽略功耗，來取得需要的9V電壓。 3.3 MCU選型 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)耕播監(jiān)控分機(jī)必定工作在戶外狀態(tài)下，加之監(jiān)控分機(jī)必須安裝在播種機(jī)上，播種機(jī)工作所帶來的震動(dòng)及灰塵必定影響系統(tǒng)的運(yùn)行，是影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要因素，因此要求印制電路必須簡單使用。這就要求MCU有較強(qiáng)的功能，因此在綜合考慮性能、功耗和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的情況下，決定選用宏晶科技公司推出的STC12C5A60S2型單片機(jī)。這種單片機(jī)

27、是一種低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)、強(qiáng)抗干擾能力的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成了MAX810復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），特別針對(duì)與電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 該微處理器具有貼片封裝形式和插件DIP封裝形式?？紤]到實(shí)際對(duì)體積無太大限制和價(jià)格文集選擇插件DIP封裝形式，它有40管腳見圖4.2 圖 4.2 DIP封裝圖 選用STC12C5A60S2單片機(jī)是新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容8051，8051為廣大電子電路設(shè)計(jì)人員都所熟悉，掌握的。選用其還有另一個(gè)重要原因，就是其可用C語言高級(jí)語言編程，大

28、大降低了設(shè)計(jì)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，可較短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)，并易于調(diào)試和排錯(cuò)處理。本次設(shè)計(jì)就采用C語言開發(fā)，使用Keilc開發(fā)環(huán)境。 3.4 模擬量信號(hào)調(diào)理電路 模擬量信號(hào)調(diào)理電路利用設(shè)計(jì)電位器電壓隨種肥箱開口變化而變化，來反饋調(diào)節(jié)種箱，肥箱開口，使得依據(jù)種子，化肥的類型和數(shù)量設(shè)計(jì)不同的播種密度成為可能。 STC12C5A60S2內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換功能，因此A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)非常簡單。 A/D轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠于軟件編程。如圖4.3所示： 圖4.3 模擬量信號(hào)調(diào)理電路 插排與外部提供轉(zhuǎn)換電壓的電位器三個(gè)接口相連，其中兩個(gè)為電位器提供電源，電壓為+5V，因此輸入的A/D轉(zhuǎn)換電壓的波動(dòng)范

29、圍為0V-5V。和一個(gè)接口用于接收隨開口大小變化的電壓數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。LM135放大器電路構(gòu)成了阻抗變換器，其主要用于阻抗變換，使得輸入的電壓信號(hào)滿足單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換要求。 電位器選用合成碳膜電位器，型號(hào)：WTH118-1A 2W 4K7，旋轉(zhuǎn)角度：≥270° 額定電壓： 400v，啟動(dòng)力矩：5~80mN·mmN·m，與小型電機(jī)配套。 3.5 電機(jī)控制電路 電機(jī)控制電路主要是通過單片機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以此來調(diào)節(jié)種箱肥箱開口的大小?？梢哉f是A/D轉(zhuǎn)換的執(zhí)行電路。依靠他來調(diào)節(jié)開口的大小，調(diào)節(jié)播種密度，改變電位機(jī)輸入到A/D轉(zhuǎn)換端的電壓。 圖4.4 電機(jī)控制電

30、路 當(dāng)I1輸入邏輯高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，電流能夠通過D9，Q2流入到地。這時(shí)由于D9壓降（-0.6V）使Q1截止，當(dāng)I1輸入邏輯低電平時(shí)，Q2截止，T1通過R1獲得基極電流，如果I2輸入邏輯高電平，Q4導(dǎo)通，則Q1，Q4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)，從“+”端流動(dòng)到“—”端。同樣，當(dāng)I1輸入邏輯高電平，I2輸入邏輯低電平時(shí)，Q3，Q4驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電流從“—”端流向“+”端。當(dāng)兩個(gè)輸入邏輯相同時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于下位機(jī)采用拖拉機(jī)頭的+12V直流電壓供電，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)選擇12V直流雙向電機(jī)。 3.6 通信模塊 通信模塊用于作業(yè)監(jiān)視控制器和耕播監(jiān)控分機(jī)的信息交換，是播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分

31、。 通信模塊設(shè)計(jì)分為無線通信和有線通信兩種，下面先介紹有線通信，再介紹無線通信。 為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，本系統(tǒng)選用上海桑銳電子科技有限公司推出的SRWF-501型微功率無線傳輸模塊，該模塊采用高效FEC前向糾錯(cuò)技術(shù)結(jié)合高性能的無線射頻IC CC1020技術(shù)。 該模塊具有如下優(yōu)點(diǎn)： （1） 微發(fā)射功率：最大10dbm(10mW)的發(fā)射功率。 （2） 高抗干擾能力和低誤碼率?；贔SK的調(diào)制方式，采用高效通信協(xié)議，在信道誤碼率為10 （3） 完善的通信協(xié)議，傳輸距離遠(yuǎn)。 （4） 透明的數(shù)據(jù)傳輸。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，自動(dòng)過濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號(hào)及假數(shù)據(jù)。

32、 （5） 只能數(shù)據(jù)控制。只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)連接、控制等操作可自動(dòng)完成。 （6） 高可靠性，體積小，重量輕。采用高性能單片處理ATMega8L，外圍電路少，故障率低。 （7） 雙串口，3種接口方式，無需另加電平轉(zhuǎn)換電路 SRWF-501型無線模塊提供一個(gè)9針的連接器，其接口定義如表4.1所示。 表4.1 SRWF-501接口定義 為防止無線通信模塊發(fā)生故障影響免耕機(jī)的使用給播種作業(yè)帶來損失，同時(shí)添加有線通信模塊備用。有線通信選用RS485模塊。485通信為較常見的有線通信方式，RS485與單片機(jī)的接線如圖4.5。

33、 圖4.5 通信電路 3.7 種肥空箱檢測(cè)電路 3.7.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 種肥空箱檢測(cè)電路的檢測(cè)部分利用光電開關(guān)器件，連接外部電路和內(nèi)部電路，其電路設(shè)計(jì)如圖4.6所示。 插排接口有兩個(gè)作用：用于給傳感器提供電源（1，3接口）；接收傳感器信號(hào)（2接口）。U2為TLP521-4（含四個(gè)光電耦合）的一部分主要用于電壓的轉(zhuǎn)換連接，外側(cè)為+12V電壓，主要用于給光電開關(guān)提供電源，內(nèi)側(cè)為+5V電壓，主要是輸入到STC12C5A60S2單片機(jī)引腳的高低電平。當(dāng)外部光電開關(guān)為高電平時(shí)（箱子空時(shí)），輸入高電平，光電耦合不導(dǎo)通，因此，單片機(jī)引腳為低電平。反之，當(dāng)外部光電開關(guān)為低電平時(shí)（有種子，

34、肥料存在時(shí)），輸入低電平，光電耦合導(dǎo)通，因此，單片機(jī)引腳為高電平。所以，軟件編程時(shí)，相應(yīng)引腳的高電平‘1’表示種箱，肥箱正常；低電平‘0’表示箱子缺種子或肥料。 圖4.6 種肥空箱檢測(cè)電路 3.7.2 光電傳感器選擇 安裝在種箱，肥箱上的傳感器選擇光電開關(guān)。光電開關(guān)(光電傳感器)是光電接近開關(guān)的簡稱,它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射,由同步回路選通電路,從而檢測(cè)物體有無的.物體不限于金屬,所有能反射光線的物體均可被檢測(cè).光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出,接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè).。 此次選用光電開關(guān)為對(duì)射式光電開關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)

35、上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器,發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。其型號(hào)為.樂清滬工傳感器有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為E3F-5L的光電開關(guān)。 3.8 鏤腿堵塞檢測(cè)與處理電路 3.8.1 鏤腿堵塞檢測(cè)電路 鏤腿堵塞檢測(cè)主要采用自制的光電對(duì)管來實(shí)現(xiàn)。使用時(shí)，兩者距離很近，當(dāng)兩者之間無障礙物（鏤腿導(dǎo)通）時(shí)，發(fā)射管能將光射入到接收管，當(dāng)存在障礙物（鏤腿堵塞）時(shí)，光線的無法通過。如圖，四線插排為一個(gè)鏤腿的連接口，1，2，3為信號(hào)接收端。由于每個(gè)樓腿兩側(cè)上方有兩個(gè)排種管，所以需要檢測(cè)3個(gè)管道，每個(gè)鏤腿有3個(gè)輸入信號(hào)。同時(shí)，免

36、耕機(jī)約設(shè)有6樓腿用于施肥，因此有硬件設(shè)計(jì)中有6個(gè)這樣的插排。單個(gè)鏤腿管道檢測(cè)的原理圖，如圖4.6： 圖4.6 鏤腿檢測(cè)電路 由圖可以看出，當(dāng)鏤腿通暢時(shí)，接收管能夠接收到發(fā)送管的光線導(dǎo)通，因此+5V電壓接入電路，相當(dāng)與高電平，當(dāng)鏤腿堵塞時(shí)，接收管不能夠接收到發(fā)送管的光線而不能導(dǎo)通，因此0V電壓（GND）接入電路，相當(dāng)與低電平，因此，硬件設(shè)計(jì)決定了軟件設(shè)計(jì)中，只能用高電平‘1’來表示此鏤腿通暢，低電平‘0’表示此鏤腿堵塞。 3.8.2 鏤腿堵塞處理電路 鏤腿處理主要采用氣動(dòng)或水流將堵塞的管道打通。其電源接線如圖中JP11。U3為TLP521-4（其含四個(gè)光電耦合）主要用于電壓的轉(zhuǎn)

37、換連接。如圖4.7中所示，左側(cè)為5V電壓，與單片機(jī)相連，右側(cè)為堵塞處理裝置，應(yīng)用12V電壓供電。 圖4.7 鏤腿堵塞處理電路 當(dāng)單片機(jī)傳來的信號(hào)是低電平‘0’時(shí)，U3導(dǎo)通，此時(shí)三極管2N3904導(dǎo)通，加上外部機(jī)械在排線1，2兩端的通路，整個(gè)電路導(dǎo)通，堵塞處理器械能夠工作；當(dāng)單片機(jī)傳來的信號(hào)是高電平‘1’時(shí)，U3不導(dǎo)通，此時(shí)三極管2N3904截止，雖然加上外部機(jī)械在排線1，2兩端的通路，但整個(gè)電路因2N3904的截止而出現(xiàn)斷線，堵塞處理器械停止工作。 3.9 報(bào)警電路 設(shè)計(jì)中選用的報(bào)警裝置是蜂鳴器，采用光電管P521和三極管S8050將報(bào)警信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器， 用+12V

38、電源為蜂鳴器供電。電路圖如圖4.8所示。 P2.0口輸出低電平‘0’時(shí)，光電耦合器件U4導(dǎo)通，此時(shí)+12V電壓加在三極管S8050基極，其導(dǎo)通，使得蜂鳴器處于工作狀態(tài)。P2.0口輸出高電平‘1’時(shí)，光電耦合器件U4截止，此時(shí)三極管S8050基極為0V，其截止，使得蜂鳴器處于待機(jī)狀態(tài)。狀態(tài)的判斷，應(yīng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)予以應(yīng)用。 圖4.8 報(bào)警電路 4 結(jié)束語 本設(shè)計(jì)是源于XX某農(nóng)牧機(jī)械有限公司，此前，該公司只存在播種機(jī)的機(jī)械部分，“播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)”是基于免耕機(jī)的一種智能機(jī)電產(chǎn)品。使其在成本增加不大的情況下大大提高了系統(tǒng)性能和檔次。該系統(tǒng)是一套與免耕機(jī)配套使用的播種、施肥

39、自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)免耕播種機(jī)播種過程。 本設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有的免耕機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行科技改造，通過自動(dòng)設(shè)置播種量、施肥量、對(duì)播種施肥的全過程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，播種、施肥作業(yè)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量及在播種作業(yè)時(shí)發(fā)生的種箱排空、排種器卡種、輸種管堵塞及漏播或重播等故障的檢測(cè)，并可聲音報(bào)警提醒駕駛員停車檢查，可以極大的提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約勞動(dòng)力成本，降低漏播和重播的概率，減少種子和肥料的浪費(fèi)，對(duì)提高播種機(jī)械的自動(dòng)化程度及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的現(xiàn)代化具有重要的意義。 播種機(jī)作業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用使得精密播種智能監(jiān)控系統(tǒng)的研制，對(duì)提高播種機(jī)械的自動(dòng)化程度具有重要的意義，尤其是變量播種功能和無線數(shù)

40、據(jù)傳送功能對(duì)提高作物產(chǎn)量及實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的現(xiàn)代化和高質(zhì)量的作業(yè)效果具有非常重要的意義，因此該系統(tǒng)的研究在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) [1] 何希才. 穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用, 中國電力出版社, 2006，127-135 [2] Joe Camp bell .C Programmer's Guide to Serial Communications, Second Edition [M]. Indianapolis: SAMS Publishing, 1993. 213-224 [3] Single chip 433/868/915MHz.Transceiver nRF905 Datasheet. Nordic Inc,2005