基于嵌入式技術(shù)的小麥自動(dòng)播種機(jī)設(shè)計(jì)

游雨云

（上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 上饒 334109）

1 整體設(shè)計(jì)思路

小麥自動(dòng)播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵作業(yè)項(xiàng)目。目前，市場(chǎng)上以機(jī)械排種器為主流農(nóng)機(jī)設(shè)備，雖然能夠完成小麥的播種作業(yè)任務(wù)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動(dòng)化程度和播種間距控制精度較低等問(wèn)題。為有效解決上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式單片機(jī)的自動(dòng)化小麥播種機(jī)，具體設(shè)計(jì)思路如下。

以STM32F0為嵌入式自動(dòng)播種系統(tǒng)的控制核心，外接播種運(yùn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)指夾式排種器運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施自動(dòng)化播種。播種作業(yè)的過(guò)程中，STM32F0實(shí)時(shí)采集和對(duì)比運(yùn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及播種間距測(cè)控模塊反饋回的種間距，并根據(jù)比較的結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整輸出到播種運(yùn)動(dòng)電機(jī)上的電流和電壓值，使運(yùn)動(dòng)電機(jī)控制的排種作業(yè)頻率與測(cè)距模塊監(jiān)測(cè)到的實(shí)際種距相互對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)小麥播種間距的恒定控制。系統(tǒng)外設(shè)播種參數(shù)數(shù)字化輸入控制和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥播種間距、力度、頻度的輸入控制和對(duì)播種效果的監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)由嵌入式單片機(jī)通過(guò)程序編譯實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化播種控制，采用播種運(yùn)動(dòng)電機(jī)直接帶動(dòng)排種器作業(yè)，省去常規(guī)小麥播種機(jī)由萬(wàn)向傳動(dòng)軸、鏈條、變速箱構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)采購(gòu)和安裝費(fèi)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用性。如圖1所示，為本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 小麥自動(dòng)播種機(jī)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 主要硬件選型及設(shè)計(jì)

2.1 核心控制模塊

本系統(tǒng)選用STM32F0單片機(jī)為核心控制器。STM32F0是一款基于ARMRCortex R-M0的32位單片機(jī)，具有功耗低、實(shí)時(shí)性能強(qiáng)、多種存儲(chǔ)容量、封裝多元化等特點(diǎn)，且該款單片機(jī)自帶CAN總線(xiàn)和USB2.0接口，能夠適應(yīng)不同通信狀態(tài)下的數(shù)據(jù)通訊編程需要[1]。此外，由于STM32F0單片機(jī)本身采用DC1.8 V供電，并且擁有豐富的引腳和擴(kuò)展功能，特別適合在數(shù)據(jù)微處理和高效運(yùn)算的場(chǎng)合下應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，STM32F0單片機(jī)的主要功能為：1）通過(guò)程序編譯進(jìn)行總控，實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算；2）對(duì)播種電機(jī)轉(zhuǎn)速、指夾式排種器的工作狀態(tài)等輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控；3）對(duì)播種間距進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的播種參數(shù)設(shè)置需求；4）對(duì)播種電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋裝置的反饋信息進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果與播種間距檢測(cè)傳感器的采集結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥播種間距、力度等參數(shù)的精確控制。在外圍電路設(shè)計(jì)中需要首先建立起STM32F0單片機(jī)的最小電路，此外，由于該款單片機(jī)有豐富的端口資源，可根據(jù)具體的I/O設(shè)計(jì)需要自由分配引腳功能。

2.2 指夾式排種器模塊

指夾式排種器模塊是小麥自動(dòng)播種的主要機(jī)械部件，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指夾式排種器一周由18個(gè)指夾構(gòu)成，在排種作業(yè)過(guò)程中，播種單體隨著地面形狀起伏，能夠有效地保障播種的深度和力度，整個(gè)模塊的作業(yè)速度能夠達(dá)到5 km/h~8 km/h，并保持播種性能的穩(wěn)定[2]。為確保排種作業(yè)的連續(xù)性動(dòng)能，選擇DC12 V直流電機(jī)作為動(dòng)能提供源，并在電機(jī)上安裝了轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)檢測(cè)并向STM32F0單片機(jī)反饋排種器的實(shí)時(shí)速率，通過(guò)單片機(jī)的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)排種間距的有效控制。此外，用戶(hù)可根據(jù)排種的需求實(shí)時(shí)設(shè)置播種參數(shù)，對(duì)小麥播種的株距、力度等參數(shù)進(jìn)行控制，以確保播種作業(yè)的質(zhì)量。系統(tǒng)指夾式排種器模塊的設(shè)計(jì)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 指夾式排種器模塊

2.3 播種間距監(jiān)測(cè)模塊

播種間距監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥自動(dòng)播種過(guò)程中的株距實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)的結(jié)果反饋給STM32F0單片機(jī)，通過(guò)實(shí)時(shí)運(yùn)算調(diào)整，確保小麥自動(dòng)播種株距的均勻合理。本系統(tǒng)選用國(guó)內(nèi)JCJM公司研發(fā)的U85-210224戶(hù)外激光測(cè)距模塊為硬件核心，該模塊采用激光測(cè)距原理，是一款小尺寸的精確測(cè)距模塊，能夠在0.03 m~10 m范圍內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)距，測(cè)量精度達(dá)到±1 mm，測(cè)量的頻率為3 Hz，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間為0.3 s~4 s，能夠與單片機(jī)等微處理器連接工作，且擁有串口異步通信、UART兩種通信方式[3]，實(shí)際應(yīng)用中便于與STM32F0單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。整個(gè)模塊具有測(cè)量效率高、響應(yīng)時(shí)間短、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)，且模塊尺寸僅為41 mm*17 mm*7 mm，便于安裝在小麥自動(dòng)播種機(jī)的設(shè)計(jì)集成電路板上。如圖3所示，為該模塊的實(shí)物外形圖。

圖3 播種間距監(jiān)測(cè)模塊

2.4 播種運(yùn)動(dòng)電機(jī)控制模塊

播種運(yùn)動(dòng)電機(jī)控制模塊的功能為：提供小麥自動(dòng)播種機(jī)運(yùn)行的動(dòng)能，并將動(dòng)能實(shí)時(shí)反饋給STM32F0單片機(jī)，單片機(jī)接收到反饋信號(hào)后通過(guò)運(yùn)算調(diào)整，確保播種機(jī)的運(yùn)行速率與小麥排種模塊的作業(yè)頻率相一致，實(shí)現(xiàn)小麥自動(dòng)播種的連續(xù)運(yùn)行和排種作業(yè)精度。在綜合考慮控制精度、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性等多方面要素的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)選用伺服電機(jī)閉環(huán)控制方案，具體的控制方法為：選用伺服電機(jī)為小麥自動(dòng)播種機(jī)的動(dòng)力源，以伺服電機(jī)U/V/W三相電形成電控磁場(chǎng)[4]，通過(guò)交替電磁效應(yīng)為播種機(jī)驅(qū)動(dòng)輪供能，并通過(guò)自帶的編碼器采集驅(qū)動(dòng)輪行進(jìn)速率，將其反饋給STM32F0單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置值比對(duì)，并進(jìn)行PID運(yùn)算，實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行的速率。在上述控制過(guò)程中，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和編碼器脈沖之間構(gòu)成了閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，再通過(guò)STM32F0單片機(jī)的反饋運(yùn)算和PID調(diào)控，達(dá)到精準(zhǔn)播種效果。

3 軟件程序編譯及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 系統(tǒng)軟件程序編譯思路

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，具體的程序編譯思路為：1）啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)行自檢和初始化操作，包括開(kāi)定時(shí)器和開(kāi)中斷；2）播種間距監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集排種株距，播種機(jī)在DC12 V直流電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)施自動(dòng)排種作業(yè)，株距反饋值與排種直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)運(yùn)算；3）同時(shí)播種運(yùn)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)播種機(jī)前行，并通過(guò)電機(jī)上自帶的編碼器采集驅(qū)動(dòng)輪行進(jìn)速率，將其反饋給STM32F0單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置值比對(duì)運(yùn)算；4）單片機(jī)根據(jù)反饋比對(duì)運(yùn)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，確保實(shí)現(xiàn)小麥自動(dòng)播種株距和力度的精準(zhǔn)控制。具體的程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在寬100 m、長(zhǎng)50 m的戶(hù)外試驗(yàn)田進(jìn)行自動(dòng)播種試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，播種機(jī)運(yùn)行速度設(shè)置為低檔8 km/h，播種株距設(shè)置為28 cm，采用2行播種機(jī)進(jìn)行敞開(kāi)式播種，在中間30 m內(nèi)對(duì)5個(gè)種子株距進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，允許株距誤差為±1 cm，結(jié)果如表1所示。

表1 播種試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)定小麥播種株距為28 cm時(shí)，播種的株距合格率達(dá)到100%，重播和漏播率為0，播種的自動(dòng)化程度和間距精度更高，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式技術(shù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備必將越來(lái)越普及，不僅能夠大大提升播種作業(yè)的效率、精準(zhǔn)性和自動(dòng)化程度，對(duì)推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向自動(dòng)化和智能化發(fā)展也將產(chǎn)生積極作用[5]。