精密播種機(jī)終端及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘 要： 針對(duì)目前機(jī)械式播種機(jī)性能的不足，設(shè)計(jì)一款智能精密播種機(jī)及其監(jiān)控系統(tǒng)。基于拖拉機(jī)整機(jī)控制器和精密播種機(jī)終端以及監(jiān)控系統(tǒng)組成的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整機(jī)運(yùn)行信息和播種機(jī)播種信息的共享與交互。設(shè)計(jì)精密播種機(jī)終端的硬件電路并進(jìn)行該系統(tǒng)控制算法的研究。設(shè)計(jì)開發(fā)的精密播種機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，使得拖拉機(jī)整機(jī)運(yùn)行信息以及播種機(jī)在進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)的各種信息得到及時(shí)顯示和監(jiān)控，提高播種機(jī)的工作效率以及整機(jī)智能化水平。

　　關(guān)鍵詞： 監(jiān)控系統(tǒng); 智能精密播種機(jī); 信息顯示; 硬件設(shè)計(jì); 終端設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)處理

　　0 引 言

　　我國(guó)作為傳統(tǒng)的人口大國(guó)和農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展是我國(guó)糧食安全的根本保證，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1]。由于機(jī)械制造水平以及電子科技發(fā)展水平的限制，導(dǎo)致我國(guó)在農(nóng)業(yè)智能化技術(shù)方面起步較晚，落后于發(fā)達(dá)國(guó)家[2]。傳統(tǒng)的拖拉機(jī)過于依靠人力，并且操作復(fù)雜，不僅使駕駛員勞動(dòng)負(fù)擔(dān)加大，而且效率也很低。隨著科技水平的發(fā)展以及人民生活水平的提高，智能拖拉機(jī)越來越成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流，這也就促使了智能播種機(jī)的產(chǎn)生。

　　智能播種機(jī)在播種作業(yè)時(shí)系統(tǒng)工作是全封閉的，人們無法觀測(cè)具體的作業(yè)狀況，所以就需要將播種機(jī)的實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)和作業(yè)信息采集并顯示出來，供駕駛員了解并掌握播種時(shí)的關(guān)鍵信息以便及時(shí)進(jìn)行操控。

　　本文開發(fā)的智能播種機(jī)及其監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是：播種機(jī)在工作過程中，工作狀態(tài)依靠駕駛室內(nèi)終端顯示屏顯示，該顯示屏顯示的數(shù)據(jù)來源于與播種機(jī)控制器連接的傳感器和整機(jī)控制器(VCU)。播種機(jī)的傳感器主要提供播種機(jī)在播種過程中自身的狀態(tài)信息，整機(jī)控制器主要提供拖拉機(jī)整機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息。

　　1 播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成

　　播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要由播種機(jī)終端控制器、顯示屏控制終端以及附加傳感器組成。播種終端需要的供電電壓為5 V，所以需要對(duì)12 V電源電壓進(jìn)行降壓處理，得到5 V穩(wěn)壓電源。該播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要通過顯示屏對(duì)播種面積、行駛速度、播種量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、PTO接合狀態(tài)、電瓶電壓、行駛方向以及漏播漏肥報(bào)警等信息進(jìn)行顯示處理。播種機(jī)的信息來源不僅來源于與自身連接的傳感器，還通過CAN總線接收VCU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過CAN總線將得到的數(shù)據(jù)發(fā)往顯示屏。具體播種機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　播種機(jī)對(duì)播種量及施肥狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集來源于傳感器，本文設(shè)計(jì)時(shí)選用激光傳感器作為檢測(cè)的傳感器，傳感器與單片機(jī)通過處理電路連接，可以根據(jù)采集到的波形對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理的結(jié)果通過報(bào)警和燈光指示裝置電路反饋到報(bào)警裝置和燈光指示裝置。播種機(jī)需要的其他數(shù)據(jù)，如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等來源于VCU，播種機(jī)通過CAN總線與VCU通信來得到車輛在播種作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)信息。電源電路用于單片機(jī)的供電，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，中斷與定時(shí)系統(tǒng)用于對(duì)傳感器信號(hào)的處理。最后，播種機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)往顯示屏。

　　2.2 播種機(jī)終端硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.2.1 電源電路

　　在該監(jiān)控系統(tǒng)中，單片機(jī)需要的供電電壓為5 V，蓄電池電源提供12 V電壓，所以需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓給單片機(jī)供電。圖3為電源電路圖。電路左端為起始端，端口處連接一個(gè)整流二極管D9，可以阻擋電流中混雜的交流電。SM8S33AHE為瞬態(tài)抑制二極管D2，簡(jiǎn)稱TVS，它是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，可以吸收二極管兩極間的瞬態(tài)高能量，將兩極電壓箝穩(wěn)定在一個(gè)安全值，可以保護(hù)電路中的精密元器件[3]。電感L1和電容C9并聯(lián)成LC濾波電路，其作用是隔離負(fù)載與電源的噪聲。TPS5430是電壓轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電壓由R11和R12決定，本文將R11設(shè)計(jì)為10 kΩ，R12設(shè)計(jì)為3.24 kΩ，可以將12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓輸出。

　　2.2.2 CAN總線接口電路

　　圖4為CAN總線接口電路，包括CAN總線收發(fā)器(TLE6250G)以及CAN共模抑制器(ZJYS81)。在CAN_H和CAN_L與地之間并聯(lián)了一個(gè)47 pF的電容C64，可以過濾掉CAN總線上的高頻干擾信號(hào)，同時(shí)在CAN_H和CAN_L與地之間加了一個(gè)雙向瞬態(tài)抑制二極管D42，可以抑制總線上的瞬變電壓[4]。R63和R59構(gòu)成CAN總線的終端電阻。

　　2.2.3 播種和施肥檢測(cè)傳感器與單片機(jī)接口電路

　　本文在設(shè)計(jì)時(shí)，采用激光傳感器對(duì)播種與施肥進(jìn)行檢測(cè)，電路圖如圖5所示。傳感器工作時(shí)，單片機(jī)通過in端輸出高電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，激光發(fā)射管D2發(fā)出光束;激光接收管D6收到激光發(fā)射管發(fā)出的激光后，三極管Q5導(dǎo)通，工作指示燈D5點(diǎn)亮，單片機(jī)通過out端采集到傳感器發(fā)出的電平信號(hào)，當(dāng)正常施肥或者播種時(shí)，種子或者肥料會(huì)阻擋激光發(fā)射管發(fā)出的光束并使單片機(jī)接收的電平信號(hào)產(chǎn)生變化[5]。

　　3 數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

　　3.1 播種機(jī)播種量計(jì)算

　　本設(shè)計(jì)中，播種機(jī)的播種量由激光傳感器測(cè)量。激光傳感器能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，具有速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。播種機(jī)在播種時(shí)，種子通過激光傳感器會(huì)遮擋激光發(fā)射管發(fā)出的光束，激光傳感器向單片機(jī)輸出高電平。如果沒有種子經(jīng)過，那么傳感器輸出端向單片機(jī)輸出低電平。單片機(jī)接收到傳感器輸出的電平值，如果接收到高電平，就會(huì)觸發(fā)定時(shí)器輸入捕捉中斷，在中斷中設(shè)置一個(gè)變量，每次進(jìn)入中斷就會(huì)使變量的值累加，變量的值就是播種量，然后單片機(jī)再將播種量發(fā)送到顯示屏上顯示[7?8]。

　　3.2 播種機(jī)漏播及肥料堵塞報(bào)警處理

　　播種機(jī)在正常播種過程中，播種與施肥是同步的，并且都由激光傳感器檢測(cè)是否出現(xiàn)播種故障。當(dāng)正常播種時(shí)，播種機(jī)采集的傳感器的波形為規(guī)律的方波。單片機(jī)捕捉到方波上升沿觸發(fā)中斷時(shí)，通過CAN總線發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)文，點(diǎn)亮播種及施肥指示燈，當(dāng)單片機(jī)捕捉到方波下降沿時(shí)，讓播種和施肥指示燈熄滅，并且計(jì)時(shí)器對(duì)高電平時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。理論上指示燈光處于閃爍狀態(tài)，實(shí)際上由于波形變化頻率過快，使得燈光閃爍過快，人眼察覺不到燈光的閃爍，所以給人以指示燈常亮狀態(tài)的現(xiàn)象。

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