淺談精密播種智能監(jiān)視儀

張 良

[摘要]應(yīng)用單片機(jī)技術(shù),研制出一種精密播種機(jī)智能監(jiān)測儀,該儀器與大型寬幅精密播種機(jī)配套使用,可實現(xiàn)播種作業(yè)的全過程監(jiān)測。當(dāng)播種機(jī)發(fā)生漏播時儀器發(fā)出聲音警報并有屏幕提示漏播行,同時可為播種作業(yè)提供實時的作業(yè)指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]精密播種監(jiān)測儀單片機(jī)

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

近幾年,隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高,精密播種技術(shù)因其具有高產(chǎn)、節(jié)省種肥等優(yōu)點,得到了推廣和普及。由于耕播機(jī)在播種作業(yè)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(jiān)視其作業(yè)質(zhì)量,如在播種作業(yè)時發(fā)生機(jī)械傳動故障,種箱排空、導(dǎo)種筒堵塞等現(xiàn)象均會造成漏播。

針對以上問題我們應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)研制出一種智能播種機(jī)監(jiān)視儀。研制成功了精密播種機(jī)智能監(jiān)測儀,并且實現(xiàn)了播種作業(yè)全過程監(jiān)測。該種監(jiān)視儀具有監(jiān)視準(zhǔn)確可靠,可監(jiān)視多種播種農(nóng)作物,硬件電路結(jié)構(gòu)簡單的特點,同時還具有監(jiān)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(tǒng)的硬件電路的組成部分為:單片機(jī)系統(tǒng)、播種監(jiān)視傳感器、多路雙向模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)、監(jiān)視傳感器光源驅(qū)動電路。下面以12行耕播機(jī)為例針對系統(tǒng)硬件電路各部分予以介紹。

(一)監(jiān)視傳感器電路設(shè)計

由于12行耕播機(jī)每個播行具有2個苗帶,為了保證監(jiān)視的準(zhǔn)確性,對這2個苗帶均需進(jìn)行監(jiān)視,因此本系統(tǒng)需要監(jiān)視傳感器24只。

種子播種過程如下:種子由種箱進(jìn)入排種器,再進(jìn)入排種輪內(nèi)排種窩眼,排種輪在傳動機(jī)構(gòu)帶動下轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)動到一定位置后,種子在重力作用下,沿導(dǎo)種筒滑下,播入地里完成播種過程。因種子在導(dǎo)種筒中滑落時會發(fā)生彈跳現(xiàn)象,故種子會在導(dǎo)種筒內(nèi)較大空間范圍內(nèi)落,這就給播種監(jiān)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(jiān)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(jī)

本系統(tǒng)選用ATMEL公司高性能低價格的AT89C2051單片機(jī),該單片機(jī)片具有2k字節(jié)的FLASH程序存儲器,其1000次的擦寫次數(shù)便于程序的修改,其內(nèi)總線結(jié)構(gòu)擁有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。其單片機(jī)內(nèi)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(jié)RAM。其指令系統(tǒng)和MCS-51的指令系統(tǒng)完全兼容。

(三)播種監(jiān)視信號的采集

本系統(tǒng)中有監(jiān)視傳感器24只,用來對播種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,這24路監(jiān)視信號需送入到單片機(jī)中,再由單片機(jī)對播種狀態(tài)進(jìn)行檢查處理,并且還需滿足實時性的要求。因此監(jiān)視信號的采集接口電路是這個設(shè)計的難點。

如采用單片機(jī)的I/O口線直接輸入不能滿足實時性要求,而采用擴(kuò)展中斷控制器接口芯片如8259A,又會使硬件電路過于復(fù)雜,成本增加。經(jīng)反復(fù)試驗,我們選十六選一雙向模擬開關(guān)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(guān)的輸入端相連,模擬開關(guān)的公共輸出端和單片機(jī)的計數(shù)器T0輸入端相連,T0設(shè)定為重裝初值方式,定時器初值設(shè)定為TH←0=0FFH,TL←0=0FFH并且開放中斷,T0計數(shù)方式則選用下降沿觸發(fā)。

(四)監(jiān)視傳感器自檢電路

由于播種監(jiān)視傳感器的數(shù)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(tǒng)設(shè)有開機(jī)傳感器自檢功能。

自檢原理如下:由單片機(jī)的P3.7口線來控制和監(jiān)視傳感器配套的LED發(fā)光管的亮滅,當(dāng)其正常工作時P3.7輸出低電平,該電平信號經(jīng)U1:A反相驅(qū)動后令U1:B～U1:D導(dǎo)通,因此二極管VD1～VD24正常發(fā)光,當(dāng)傳感器自檢時P3.7口發(fā)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(fā)光二極管熄滅24次,即發(fā)光管閃爍24次,在發(fā)光管閃爍的同時,單片機(jī)控制雙向模擬開關(guān)由1～24通道順序接通,雙向模擬開關(guān)與某個通道的傳感器接通時,單片機(jī)判斷P3.4口線即T0計數(shù)輸入端的狀態(tài),如果該口線也能產(chǎn)生一個負(fù)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(qū)動電流500mA的達(dá)林頓管,因為需驅(qū)動24只Φ10額定電流為30mA的紅色高亮發(fā)光管,所以采用3路ULN2003并聯(lián)的方式驅(qū)動,用以滿足驅(qū)動的功率要求。

(五)多種作物監(jiān)視

如今耕播機(jī)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(jiān)視儀擁有多種作物的監(jiān)視功能。本系統(tǒng)設(shè)有播種作物的選擇開關(guān),用來選擇監(jiān)視不同的播種作物。即選擇監(jiān)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(jiān)視奇、偶苗帶和選用不同的監(jiān)視報警時間參數(shù)來完成。

(六)電源

本系統(tǒng)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(tǒng)使用。由于穩(wěn)壓元件自身壓降達(dá)7V以上,功耗很大,因此本系統(tǒng)選擇金封大功率穩(wěn)壓塊7805K,用來完成5V穩(wěn)壓功能。此外電源部分還擁有電源反接保護(hù)電路及和輸出端短路保護(hù)電路。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要由監(jiān)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(gòu)成。下面簡單介紹一下主程序和監(jiān)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(tǒng)的電自檢、監(jiān)視傳感器自檢、系統(tǒng)初始化,其它的工作是使雙向模擬開關(guān)逐路順序?qū)?然后對各通道傳感器進(jìn)行高速的循環(huán)掃描。

(二)監(jiān)視信號的采集處理

該部分主要由T0計數(shù)中斷程序和100ms定時中斷程序構(gòu)成。T0中斷程序在單片機(jī)內(nèi)RAM單元開辟一個24字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū),這個數(shù)據(jù)區(qū)稱之為第一數(shù)據(jù)區(qū),該數(shù)據(jù)區(qū)的地址和監(jiān)視傳感器相對應(yīng)。當(dāng)單片機(jī)響應(yīng)T0中斷時先通過查詢獲得監(jiān)視傳感器通道號,并且通過運(yùn)算得到對應(yīng)RAM區(qū)的地址,使得該地址單元RAM內(nèi)容加1計數(shù),故播種正常的傳感器對應(yīng)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(nèi)容始終為零。

三、實際使用

目前國營農(nóng)場采用的大型精密播種機(jī)有寬幅、高速、全液壓控制等特點,播種機(jī)不僅作業(yè)速度快并且機(jī)具起落迅速,播種機(jī)監(jiān)視人員常發(fā)生受傷事故。精密播種智能監(jiān)測儀便充分發(fā)揮了微機(jī)化智能儀器的以上優(yōu)點,不但實現(xiàn)了漏播監(jiān)視和播種參數(shù)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(jiān)測的功能和非播種狀態(tài)自動停機(jī)的功能。本監(jiān)視儀研制完成以后,與樺豐耕播機(jī)廠制造的2BJG-12型精密聯(lián)合耕機(jī)相配套,經(jīng)過幾年的使用證明,該儀器具有報警準(zhǔn)確及時、工作穩(wěn)定可靠等特點,改變了從前靠人員站機(jī)進(jìn)行監(jiān)視播種的現(xiàn)象,大大提高了播種作業(yè)速度及生產(chǎn)率,很大程度的避免了漏播造成的大面積減產(chǎn)以及因此造成的經(jīng)濟(jì)損失,由此得到了廠家的肯定和用戶的贊揚(yáng)。