精密播種機終端及監控系統設計

　　摘 要： 針對目前機械式播種機性能的不足，設計一款智能精密播種機及其監控系統。基于拖拉機整機控制器和精密播種機終端以及監控系統組成的CAN總線通信網絡，實現拖拉機整機運行信息和播種機播種信息的共享與交互。設計精密播種機終端的硬件電路并進行該系統控制算法的研究。設計開發的精密播種機的監控系統，使得拖拉機整機運行信息以及播種機在進行播種作業時的各種信息得到及時顯示和監控，提高播種機的工作效率以及整機智能化水平。

　　關鍵詞： 監控系統; 智能精密播種機; 信息顯示; 硬件設計; 終端設計; 數據處理

　　0 引 言

　　我國作為傳統的人口大國和農業大國，農業的發展是我國糧食安全的根本保證，農業機械化水平的提高對農業的發展起著至關重要的作用[1]。由于機械制造水平以及電子科技發展水平的限制，導致我國在農業智能化技術方面起步較晚，落后于發達國家[2]。傳統的拖拉機過于依靠人力，并且操作復雜，不僅使駕駛員勞動負擔加大，而且效率也很低。隨著科技水平的發展以及人民生活水平的提高，智能拖拉機越來越成為農業發展的主流，這也就促使了智能播種機的產生。

　　智能播種機在播種作業時系統工作是全封閉的，人們無法觀測具體的作業狀況，所以就需要將播種機的實時作業狀態和作業信息采集并顯示出來，供駕駛員了解并掌握播種時的關鍵信息以便及時進行操控。

　　本文開發的智能播種機及其監控系統的特點是：播種機在工作過程中，工作狀態依靠駕駛室內終端顯示屏顯示，該顯示屏顯示的數據來源于與播種機控制器連接的傳感器和整機控制器(VCU)。播種機的傳感器主要提供播種機在播種過程中自身的狀態信息，整機控制器主要提供拖拉機整機運行時的狀態信息。

　　1 播種機監控系統組成

　　播種機監控系統主要由播種機終端控制器、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12 V電源電壓進行降壓處理，得到5 V穩壓電源。該播種機監控系統主要通過顯示屏對播種面積、行駛速度、播種量、發動機轉速、PTO接合狀態、電瓶電壓、行駛方向以及漏播漏肥報警等信息進行顯示處理。播種機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發送過來的數據，并通過CAN總線將得到的數據發往顯示屏。具體播種機的監控系統結構如圖1所示。

　　播種機對播種量及施肥狀態的數據采集來源于傳感器，本文設計時選用激光傳感器作為檢測的傳感器，傳感器與單片機通過處理電路連接，可以根據采集到的波形對傳感器的數據進行處理，并將處理的結果通過報警和燈光指示裝置電路反饋到報警裝置和燈光指示裝置。播種機需要的其他數據，如車速、發動機轉速等來源于VCU，播種機通過CAN總線與VCU通信來得到車輛在播種作業時的實時信息。電源電路用于單片機的供電，保證系統正常運行，中斷與定時系統用于對傳感器信號的處理。最后，播種機將處理后的數據通過CAN總線發往顯示屏。

　　2.2 播種機終端硬件電路設計

　　2.2.1 電源電路

　　在該監控系統中，單片機需要的供電電壓為5 V，蓄電池電源提供12 V電壓，所以需要一個電壓轉換電路將12 V電壓轉換成5 V電壓給單片機供電。圖3為電源電路圖。電路左端為起始端，端口處連接一個整流二極管D9，可以阻擋電流中混雜的交流電。SM8S33AHE為瞬態抑制二極管D2，簡稱TVS，它是一種二極管形式的高效能保護器件，可以吸收二極管兩極間的瞬態高能量，將兩極電壓箝穩定在一個安全值，可以保護電路中的精密元器件[3]。電感L1和電容C9并聯成LC濾波電路，其作用是隔離負載與電源的噪聲。TPS5430是電壓轉換芯片，其輸出電壓由R11和R12決定，本文將R11設計為10 kΩ，R12設計為3.24 kΩ，可以將12 V電壓轉換成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總線收發器(TLE6250G)以及CAN共模抑制器(ZJYS81)。在CAN_H和CAN_L與地之間并聯了一個47 pF的電容C64，可以過濾掉CAN總線上的高頻干擾信號，同時在CAN_H和CAN_L與地之間加了一個雙向瞬態抑制二極管D42，可以抑制總線上的瞬變電壓[4]。R63和R59構成CAN總線的終端電阻。

　　2.2.3 播種和施肥檢測傳感器與單片機接口電路

　　本文在設計時，采用激光傳感器對播種與施肥進行檢測，電路圖如圖5所示。傳感器工作時，單片機通過in端輸出高電平信號，三極管導通，激光發射管D2發出光束;激光接收管D6收到激光發射管發出的激光后，三極管Q5導通，工作指示燈D5點亮，單片機通過out端采集到傳感器發出的電平信號，當正常施肥或者播種時，種子或者肥料會阻擋激光發射管發出的光束并使單片機接收的電平信號產生變化[5]。

　　3 數據計算與處理

　　3.1 播種機播種量計算

　　本設計中，播種機的播種量由激光傳感器測量。激光傳感器能實現無接觸遠距離測量，具有速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等特點[6]。播種機在播種時，種子通過激光傳感器會遮擋激光發射管發出的光束，激光傳感器向單片機輸出高電平。如果沒有種子經過，那么傳感器輸出端向單片機輸出低電平。單片機接收到傳感器輸出的電平值，如果接收到高電平，就會觸發定時器輸入捕捉中斷，在中斷中設置一個變量，每次進入中斷就會使變量的值累加，變量的值就是播種量，然后單片機再將播種量發送到顯示屏上顯示[7?8]。

　　3.2 播種機漏播及肥料堵塞報警處理

　　播種機在正常播種過程中，播種與施肥是同步的，并且都由激光傳感器檢測是否出現播種故障。當正常播種時，播種機采集的傳感器的波形為規律的方波。單片機捕捉到方波上升沿觸發中斷時，通過CAN總線發出數據報文，點亮播種及施肥指示燈，當單片機捕捉到方波下降沿時，讓播種和施肥指示燈熄滅，并且計時器對高電平時間進行計時。理論上指示燈光處于閃爍狀態，實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的現象。

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