一款小型智能播種機的設計*

程 鵬 ， 朱文興 ， 董 亮

（齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161003）

0 引言

近年來，由于人口的增加和對糧食需求的提高，我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展迅速，有力推動了我國播種機行業(yè)的發(fā)展。在主要使用傳統(tǒng)的條播機和穴播機的同時，還成功研制了多種精密播種機，雖然全國精密播種機具推廣勢頭比較猛，小麥等幾類常見作物的精密播種機推廣應用迅速，但我國精密播種還并未完全普及，能精密播種的作物仍局限于幾種常見作物，受限于技術等方面的原因，國內(nèi)播種機存在效果不理想、效率低等問題[1-3]。

國內(nèi)成熟的機型相對較少。歐美發(fā)達國家對播種機的研究較早，其播種機研究和開發(fā)的技術水平很高[4]，盡管新型播種機的開發(fā)時間短，但其對播種的種子適應性好、效率高。目前，在播種機已經(jīng)相當完善的背景下，我國不少地方已基本實現(xiàn)了精密播種。在采用多種新式工作原理的情況下，播種機控制精準，播種的質(zhì)量很高[5]。

本項目是基于STM32單片機制作的小型智能自動播種機。與傳統(tǒng)的自動播種機相比，更小型，更輕便，更適用于零散土地。相比于傳統(tǒng)的小型手動播種機，避免了大量人力資源的浪費，解放了勞動力，也提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。本項目的設計擁有多種播種模式，可適用于不同的地形，播種不同的種子。

1 整體設計結構

小型智能播種機的系統(tǒng)主要包括主控模塊，電源模塊，驅動模塊，顯示模塊，聲音模塊，檢障模塊，遠控模塊，播種模塊，如圖1所示。主控模塊是STM32F103C8T6即意法半導體公司（ST）推出的芯片，電源模塊與驅動模塊同時由L298N模塊來完成工作，顯示模塊采用Script HMI Controller，聲音模塊選用JQ8900-16P，避障模塊采用HC-SR04，遠控模塊采用HC-05，播種模塊采用市面上流行的傳統(tǒng)播種機，在此基礎上進行改造[6]。

圖1 整體結構設計圖

2 硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊選擇STM32F103C8T6，除了簡單的I/O口，還具有全雙工異步通信、數(shù)模模數(shù)轉換、通用定時器和高級定時器、DMA傳輸數(shù)據(jù)、片內(nèi)FLASH編程、SPI IIC操作等功能。

本設計主要用到I/O口通用定時器串口SYSTICK等功能。

2.2 電源模塊與驅動模塊

驅動STM32F103C8T6單片機需要5 V電壓，而電機驅動則需要6 V ～12 V的電壓，為了解決供電問題采用L298N。

L298N主要由穩(wěn)壓部分和雙H橋直流電機驅動芯片兩部分組成，通過穩(wěn)壓部分產(chǎn)生可向單片機供電的5 V電壓通過雙H橋直流電機驅動芯片來控制電機驅動[7]。

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用Script HMI Controller，即腳本人機控制器。該控制器有觸摸屏，采用分離式存儲將程序存儲在TF卡上，方便替換與編寫，可以直接在屏上運行自己編寫的可視化程序。此模塊設計了一套獨特的仿C代碼，便于開發(fā)人員設計和編寫，此屏幕支持2路串口和6個擴展口，可以充當控制系統(tǒng)中的上位機。

2.4 聲音模塊

JQ8900-16P有多種控制模式：串口控制模式、線性控制模式、按鍵控制模式。連接一條數(shù)據(jù)線可以直接打開此模塊內(nèi)部儲存，更改控制音頻，使用方便，即插即用，硬件系統(tǒng)穩(wěn)定，可適應一些極端環(huán)境。

2.5 避障模塊

超聲波避障的原理主要是通過超聲波發(fā)出端發(fā)出超聲波，接收端接收超聲波，根據(jù)接收器收到超聲波的時間來計算發(fā)射點到障礙物的距離。超聲波在空氣中傳播的速度為340 m/s，時間差為t，即發(fā)射點到障礙物的距離D＝170*t[8-9]。

2.6 遠控模塊

使用USB轉TTL連接電腦與HC-05，進行調(diào)試。首先按下使能按鈕進入at模式，當串口發(fā)送at、藍牙模塊回復ok時，代表成功進入at模式。然后使用模塊特有指令進行查看或修改相應參數(shù)，例如“AT＋PSWD? ”查看連接密碼，“AT＋UART＝”修改波特率等。

2.7 播種模塊

在原有的基礎上增加hex711稱重傳感器，當播種機缺少種子時及時發(fā)出提醒，避免無種可播。制作相應的外部播種鴨嘴輪，適應不同種子的不同間距，增加輔助輪，提高播種時行進的穩(wěn)定性。

3 軟件設計

3.1 整體軟件運行流程

整體軟件運行流程如圖2所示。

圖2 整體軟件運行流程圖

3.2 檢障模塊的實現(xiàn)

檢障模塊使用超聲波模塊，為保證測量高電平精準，采用通用定時器捕獲的方式來測量高電平持續(xù)時間輸入。捕獲Input Capture基本原理如下。

定時器針對外部輸入信號或內(nèi)部觸發(fā)信號實行邊沿捕捉，記錄捕捉時刻計數(shù)器的值?；谶@個原理，配合計數(shù)器實時計數(shù)功能可以對捕捉信號進行脈沖寬度的測量，進而實現(xiàn)對周期性波形測量其周期或占空比，或者用來通信解碼。

由于存在輸入高電平時間過長無法測量，以及如何使用一個捕獲通道記錄一次上升沿一次下降沿等問題，采用兩個全局變量作為虛擬寄存器進行設置，其中一個變量負責捕獲高電平，另一個變量則負責記錄高電平時間。工作流程如圖3所示。

圖3 檢障模塊工作流程圖

3.3 驅動的實現(xiàn)

單片機無法通過直接控制電機來實現(xiàn)車體的運動，因此需要電機驅動芯片來解決這個問題。編寫驅動芯片程序，電機驅動芯片由兩個驅動端口、四個信號輸入端口、兩個使能端口和一個變壓芯片組成。驅動端口連接電機正負極，利用正反轉電壓的大小來控制轉速。四個信號輸入端用來控制驅動端電壓方向。使能端通過pwm波形來控制電壓的占空比，從而控制轉速。通過這個流程，明確了要實現(xiàn)的設計目標，首先要實現(xiàn)四個信號輸入，其次要產(chǎn)生pwm波形來控制電機的轉速。四個輸入信號十分容易實現(xiàn)，只需要簡單的I/O口配置，然后通過串口傳來的信息來確定四個信號的高低電平。而產(chǎn)生pwm波要較為復雜一點，首先要明確pwm的定義，即脈沖寬度調(diào)制，通俗一點來說，就是在固定時間里等時間間隔地產(chǎn)生相同時間寬度的高電平或低電平。因此，需要確定固定時間。所以，需要定時器并了解定時器的時間計算。設置分頻值asd與計數(shù)值act，定時器的時鐘源是固定的Tclk，得出頻率H＝Tclk/(asd＋1)MHZ，記每一個數(shù)的時間為(asd＋1)/Tclk，則總時間T＝(act＋1)*(asd＋1)/Tclk。設置完總時間后，需要選取產(chǎn)生pwm波的通道，因為STM32引腳數(shù)量有限，一個引腳有許多功能，需要復用引腳。然后設置pwm波輸出極性，設置占空比，就可以輸出想要的波形。將其直接連在驅動芯片上，可以直接使能[9]。

3.4 穩(wěn)定直線行走的實現(xiàn)

通過L298N控制直流電機雖然可以實現(xiàn)，但是整體的驅動受制于電壓、車體、輪胎等外在因素，很少能正確走出筆直的直線。因此要采用pid算法。

pid算法是在工業(yè)上廣泛應用的直線型反饋控制體系，因其操作簡單、便于實現(xiàn)，所以被廣泛應用。但存在一定的局限性，只適用于一階齊次的系統(tǒng)，面對復雜的系統(tǒng)，只能采用簡化或拆分的方式才能使用pid算法。其中，比例系數(shù)為p，積分為i，微分為d，公式為u＝Kp*e＋Ki*e總＋Kd*Δe。

確定了解決問題的算法，然后要找出真正解決這個問題三個系數(shù)的意義和e。讓車體可以穩(wěn)定直線行走的關鍵是兩側車輪速度相同，那么就需要測量車速。使用旋轉編碼器測量車速，編碼器電機轉動，編碼器通過A相和B相可以產(chǎn)生脈沖信號，根據(jù)脈沖信號可以計算出輪胎的轉速。一般采用4倍頻來求車輪速度，即記錄A相和B相的上升沿和下降沿。

電機旋轉一圈會輸出固定的脈沖數(shù)，利用這個脈沖數(shù)來求輪胎的轉動速度，即M法測量，V＝Mt/M*T（Mt是所設時間內(nèi)記錄的總脈沖數(shù)，M是電機旋轉一圈的脈沖數(shù)，T是設定的時間）?？梢酝ㄟ^STM32芯片定時器特有的編碼器接口模式來記錄脈沖數(shù)。

測出車輪速度后，以左邊車輪為基準，進行測速。當右方車輪速度與左方車輪速度不相等時，進行pid調(diào)節(jié)使速度相等，即e＝預期速度（左輪速度）-右輪速度。比例系數(shù)p主要負責大體控制以及控制進程的快慢，積分i主要負責比例系數(shù)無法到達的小部分控制（即之前錯誤的累計）。微分d主要負責當速度相差過大時或者輪子被卡住再釋放以及人為操作不當時，產(chǎn)生的過矯（現(xiàn)在的錯誤與之前的錯誤作差，產(chǎn)生的方向與前兩項相反）[10]。大體流程如圖4所示。

圖4 測速流程圖

3.5 遠控模塊的實現(xiàn)

STM32單片機多采用USART的通信方式，即全雙工異步串口通信。全雙工指的是數(shù)據(jù)的接收端與發(fā)出端在同一時刻，可以互相發(fā)送信息。異步通信指的是在通信過程中每一幀信息之間的間隔是任意的，但是要求每一幀中的字符相隔時間相同。串行通信是指將每一位數(shù)據(jù)通過一條數(shù)據(jù)線傳輸，這種通信方式特別適用于外設與外設之間的通信。通過STM32內(nèi)部關于串口通信的結構體，可以直接設置波特率、數(shù)據(jù)位、收發(fā)端等。同時，STM32通信也有兩種方式，查詢方式和中斷方式。中斷方式更適用于來回傳輸信息的模式，例如本項目；而查詢模式更適用于只接收命令的下位機。

3.6 顯示模塊的實現(xiàn)

顯示模塊是通過顯示模塊自帶的編譯器進行編譯，此編譯器存在一套特殊的編譯流程，因為既可以對系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)與外部人機的交互，也可以實現(xiàn)對外的電信號交互。

它的編譯流程首先要解決人機交互問題，因此要編輯軟件對外界面。首先，選取想要實現(xiàn)的功能控件，通過調(diào)節(jié)控件參數(shù)來更改整體布局。其次，通過此編譯器特有的仿C語言編寫控件代碼，實現(xiàn)控件與人的交互。然后，編寫顯示模塊，硬件參數(shù)與選擇的中控模塊參數(shù)相同，在編寫相應的仿C代碼進行相應的電信號處理。然后進行軟件仿真調(diào)試改錯，最后進行實機檢驗。

3.7 聲音模塊的實現(xiàn)

JQ8900-16P具有多種控制模式：串口控制模式、線性控制模式、按鍵控制模式。為了節(jié)省I/O口并使程序更簡潔，摒棄了串口控制模式和按鍵控制模式，選擇了更為簡單和方便的線性控制模式。線性控制模式是此模塊獨有的一種通信方式，其通信協(xié)議要求單片機起始碼引導要大于2 ms，每個字節(jié)之間要求間隔10 ms。高電平持續(xù)時間是低電平持續(xù)時間的三倍，則芯片檢測為高電平；低電平持續(xù)時間是高電平持續(xù)時間的三倍，則表示為低電平。因此，需要準確的毫秒甚至納秒級的定時，這時如果使用定時器會浪費很多資源，也無法做到隨用隨取，所以選用SYSTICK來解決這個問題。SYSTICK定時器是一個24位的節(jié)拍定時器，具有自動重裝初值和中斷的功能。SYSTICK存在的意義是提供必要的時鐘節(jié)拍，在運行不同的任務時提供可以依照的節(jié)拍，類似于演奏中的節(jié)拍器，可以防止演奏出錯，此處即防止程序調(diào)動出錯。SYSTICK定時器除了能服務于操作系統(tǒng)之外，只要設置好初值、算好中斷時間、寫好中斷函數(shù)，就可以把它作為一個合格的鬧鐘或者鐘表。

4 結論

本研究設計并實現(xiàn)了一款基于STM32的小型智能播種機，介紹了播種機的整體設計、模塊設計和軟件設計。我國土地遼闊，土地類型多樣，可以用于農(nóng)業(yè)的土地中有一些因為地形地貌等原因形成的零散耕地，由于無法應用大型耕地設備，只能應用人工和一些簡單的機械設備，使零散耕地的土地利用率低下，造成了土地資源的極大浪費，嚴重影響著土地的集約利用程度，因此本項目具有巨大的現(xiàn)實意義和應用前景。