一種小麥雙線精播智能控制系統的製作方法
2023-07-03 01:00:17 1
本發明涉及一種智能控制系統，尤其涉及一種小麥雙線精播智能控制系統。
背景技術：
近年來，精密播種已成為現代播種技術的主要發展方向，伴隨電子信息技術的不斷發展，自動控制技術已廣泛應用於精密播種行業。國外對精密播種的研究和應用比較早，20世紀80年代，用來測量行走速度、播種密度和穀物漏播的基於雷達的測速儀問世；1995年，波蘭科學家開發了一套裝備UKS-1型排種器的電子控制系統，系統可根據工作幅寬、地輪半徑及不同機型進行編程，改進操作條件且操作簡單提高工作效率；1996年，DickeyJohn公司採用光電傳感器監視播種機的單行播種；近年，日本正在研究根據測取地輪轉速信號控制排肥排種的自動控制系統，以保證施肥和排種不受拖拉機速度變化的影響。相比較而言，國內精播控制技術研究起步較晚，90年代後期，華中農大王樹才等採用壓電、聲電傳感器，將單粒排種的落粒物理量轉變為電量，通過信號轉換檢測其排種性能參數；黑龍江省研製的 2BJD-2型電子監測裝置，作業時其監視器可對排種軸不轉、輸種管堵塞、種箱1無種等情況進行實時監測，情況異常會及時發出聲光報警。
與國外相比，國內對精播控制技術的研究大多涉及監測播種過程的漏播、重播及故障報警等領域，且這些控制系統大都存在一定不足：1）地輪打滑現象仍不可避免，致使排種速度不能與機組前進速度相配合；2）播種量調整麻煩，且調節精度不夠，需停機手動調節鏈輪。
技術實現要素：
本發明的目的是為了彌補目前國內精播機的諸多不足，設計了一種小麥雙線精播智能控制系統。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
小麥雙線精播智能控制系統由主機系統和從機系統兩部分構成。通過速度傳感器實時檢測機組前進速度，並通過單片機控制核心使步進電機轉速和機組前進速度始終保持同步；由步進電機驅動排種，隨時調節種距和播量，確保播種精度。另外，系統將採用無線傳輸方式傳遞相關數據，簡化有線連接，方便設備的安裝與拆卸。
所述的主機系統主要完成機組前進速度信號採集、人機對話、故障報警等功能，主要包括報警系統模塊、人機對話模塊、單片機（主）。
所述的從機系統主要實現步進電機驅動排種、監視播種狀況及故障等，主要包括驅動電路、光電傳感器電路、單片機（從）。
所述的單片機採用AT89C55，AT89C55是美國ATMEL公司生產的高性能8位單片機，片內帶20KB的ROM和256Byte的RAM，兼容8052單片機內核。
所述的兩個控制單元之間通過藍牙實現相關數據的無線傳輸。
所述的排種機由留個單體組合在一起，該單體組合包括種箱、雙線排種器、步進電機、排種漏鬥、輸種管、雙線開溝器、仿形機構、地輪、旋轉編碼器、機架、模擬輪（代表拖拉機前輪）及手柄（代表提供前進動力的拖拉機頭）等部分。其中地輪起到支撐播種機的作用。進行播種試驗時，試驗員拉動機架上方手柄使其向前移動，與此同時，控制系統通過模擬輪的轉速變化實時調節排種器轉速。
本發明的有益效果是：
該智能控制系統試驗裝置通過編碼器實時採集機具前進速度信息，經主單片機接受和處理，通過無線傳輸方式發送到從單片機，從而進一步驅動和控制步進電機，使其按機具前進速度及時準確地調節排種軸轉速，以保障排種均勻；信息數據的無線傳輸省卻了拖拉機頭與播種機間的連接，方便控制裝置的組裝與拆卸；人機對話界面用按鍵調整粒距，省時省力，利于田間管理；報警系統則在出現異常狀況時自動開啟報警機制，利用多種方式提醒駕駛員完成相應糾錯操作。試驗證明，該研究所設計的單體樣機能夠在每個開溝器推進過程中，等量均勻地播種兩行種子，完成小麥單溝雙線精密布種任務。與此同時，還實現了人機對話及故障報警等多項自動控制功能，做到真正意義的智能控制。該控制系統的設計對將來提高我國農業現代化水平和農作物高質高產作業效果具有重要意義。在未來的農業生產中，農作物精播的智能控制技術必將成為一個新興的研究熱點。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是播種機控制系統結構示意圖。
圖2是播種機單體結構圖。
圖3是主單片機系統電路圖。
圖4是從機的控制電路圖。
其中，1. 種箱 2. 雙線排種器 3. 步進電機 4. 排種漏鬥 5. 輸種管 6. 雙線開溝器 7. 仿形機構及地輪 8. 旋轉編碼器 9.模擬輪（代替拖拉機前輪）10. 機架 11. 手柄。
具體實施方式
如圖1所示，小麥雙線精播智能控制系統由主機系統和從機系統兩部分構成，主機系統主要完成機組前進速度信號採集、人機對話、故障報警等功能；從機系統主要實現步進電機驅動排種、監視播種狀況及故障等；兩個控制單元通過藍牙實現相關數據的無線傳輸。該智控精播機利用獨立按鍵對播種參數（包括種子間距和播種量）進行設置；採用旋轉編碼器測量播種機的前進速度。測速信號經調理電路送入主機並被接收處理後，主機隨即將當前車速和設置的播量（粒距）等參數信息通過藍牙無線收發模塊發送到從機，由從機進行綜合計算，得出此時步進電機應有的轉速，從而實時控制排種軸轉速。此外，從機還利用光電傳感器監視播種故障。一旦種箱1內種子不足或輸種管堵塞，從機便通過藍牙將故障信號發送到主機，由主機發出聲光報警，提醒操作人員及時採取相應措施；同樣，當步進電機接近其極限轉速時，系統將自啟動LED燈，令其閃爍並蜂鳴報警。一般精密播種要求單粒種子在田間具有合適的播深、行距和粒距，降低播量，提高播種質量。小麥是分櫱作物，由於分櫱可多可少，其精播的行距與粒距視不同地區、不同品種而變化。作為小麥單溝雙線播種，其行距一般為15～30cm，播深為3～7cm，每公頃播量控制在150kg以下，粒距則隨著播量和行距的變化而變化。運用該研究設計的智控精播機單體進行播種試驗時，設定行距為25cm、粒距為Lcm，在（25*L）cm2播種面積內，如果播下2粒種子，由此可推算出每公頃播下種子為8×106/L粒。該播種試驗所用的小麥品種為43g/千粒，則每公頃地播種小麥的質量約為344/Lkg。將此對應關係寫入程序，根據實際播種要求，通過獨立按鍵使粒距在一定範圍內任意增減；液晶屏則顯示當前粒距及每平方米對應所需播量。
如圖2所示，該研究所設計的小麥雙線播種機單體結構示意圖。這樣相同的6個單體組合加工在一起，將構成一個完整的播種機。該單體組合包括種箱1、雙線排種器2、步進電機3、排種漏鬥4、輸種管5、雙線開溝器6、仿形機構及地輪7、旋轉編碼器8、機架10、模擬輪9（代表拖拉機前輪）及手柄11（代表提供前進動力的拖拉機頭）等部分。其中地輪7起到支撐播種機的作用。進行播種試驗時，試驗員拉動機架上方手柄11使其向前移動，與此同時，控制系統通過模擬輪9的轉速變化實時調節排種器轉速。該單體樣機（除9、10、11 部分）的外形尺寸為96cm×35cm×80cm。整機質量為82 kg。單體設計中採用雙線排種方式，圖中的雙線排種器「2」接2個排種漏鬥「4」，每個漏鬥各接一根輸種管，將2根輸種管連接至雙線開溝器「6」，開溝器6底端內側分左右2個下種口，其中心間距約5cm。通過縮小行距、加大株距，總株數不變的播種方式，解決了株苗行內擁擠、相互遮光和行間漏光等問題，提高了土地佔用率和空間利用率，從而更有利於小麥生育前期的植株個體發育。拖拉機前輪打滑率相對於播種機地輪來說要小得多，試驗表明僅為地輪打滑率的1/3左右。因此，設計中將旋轉編碼器8與拖拉機前輪軸相連，能夠改善地輪驅動有較大滑移的現象。考慮到在室內使用拖拉機作牽引不易實現，則室內試驗利用模擬輪臨時代替拖拉機前輪，用於測量精播機的前進速度，並使用12V的蓄電池為步進電機3提供電能。實際田間作業時不添加模擬輪，需將圖中的「9、10、11」部分卸掉，換之以四輪拖拉機頭，此時旋轉編碼器8安裝於拖拉機前輪軸，並通過拖拉機的12V電瓶為步進電機3供電。
如圖3所示，編碼器是把角位移或直線位移等非電量信號轉換為電量信號的裝置。該設計中選用的是歐姆龍旋轉編碼器E6B2-CWZ6C，能同時輸出a、b兩相脈衝，相位差為90°，旋轉一周每相輸出600個脈衝。這種編碼器解析度比較高，具有動力矩小，耐電壓，動態噪聲小的優良性能。脈衝信號調理電路將脈衝信號放大並濾掉雜波，確保輸出標準方波。P3.2和P3.6分別連接編碼器的a、b兩相，主機的INT0 連接編碼器，每0.05s檢測一次a相的脈衝積累個數，從而計算出播種機的前進速度；b相用以判斷車輪轉動方向。試驗過程中，使用外徑為25cm的模擬輪代替拖拉機前輪，利用模擬輪的轉速反映機組的前進速度。編碼器輸出脈衝信號時難免存在抖動，可能導致誤判斷。為此，程序中設計一種算法：a下降沿時進入中斷，此時對b相電平高低進行5次判斷，如果5次判斷中有多於3次高電平，設為車輪正轉；反之，則車輪不轉或反轉。主機的T1做波特率發生器，負責串口通信，通過藍牙將主機處理的車輪速度大小、方向及種距參數發送到從機系統，控制步進電機的工作情況。當車輪正轉，步進電機帶動排種器正常工作；由於其他原因車輪停轉或反轉時，步進電機不工作，播種停止。
鍵盤電路將兩個獨立按鍵S1 和S2 分別定義為「增大」和「減小」鍵，操作人員可以通過按鍵使粒距以1cm為單位任意增減，其變化範圍為0～59cm。啟動控制系統後，系統默認種距值為3cm。顯示電路選用內置漢字庫的LCD12864液晶顯示模塊，可顯示8×4行的32個漢字，採用並行接口通訊方式由主機的P0 口提供顯示數據，前3 行顯示內容分別為種距、播量和機組前進速度的實際數值。播種機正常工作時，液晶屏最後一行顯示「正常運行中」，當出現故障時則顯示為「注意！請勿超速」、「種量不足，請加種」或「排種不暢，請處理」等相應故障信息。
在種箱和輸種管口上安裝光電傳感器，當檢測到播種故障時，從機通過藍牙將故障信號發送到主機，主機經過處理後，發出控制指令實現聲光報警。主機連接3個LED燈，分別標號為LED1、LED2 和LED3。當種箱種子不足時，LED1閃爍；輸種管內堵塞時，LED2閃爍；LED燈閃爍的同時，蜂鳴器發出報警信號。由兩相步進電機的固有特性可知，其運行頻率跟轉速成正比，當步進電機轉速超過最大允許值後，轉軸卡死，電機將無法正常工作。播種過程中，當車速變快時，電機轉速也隨之增大。當電機接近最大轉速時，通過藍牙將信號發送到主機系統，使LED3燈不斷閃爍，與此同時，蜂鳴器按發聲頻率分4個等級進行報警：電機越接近最大轉速，發聲頻率越高，以便及時提醒駕駛員降速前進。
如圖4所示，系統利用步進電機作為播種驅動機構。兩相混合式步進電機具有步進頻率高、無低頻共振現象，運行平穩、反應速度快等優點，是較為理想的終端執行元件。該系統選用57BYGH7630兩相步進電機，扭矩為1.89N·m，步矩角為1.8°。經過測試，在種箱加滿麥種的情況下，電機的驅動力足以帶動單體中的雙線排種器，不存在制動現象。由於單片機不能直接驅動步進電機工作，中間必需通過驅動器把從機發出的脈衝信號放大後，才能進一步控制電機工作。設計中採用TB6560 型驅動器，選擇16細分驅動，即步進電機每轉一步的度數為0.1125°。
無線傳輸模塊採用型號為HC-06的藍牙主從機來完成無線傳輸任務。藍牙是一種支持設備短距離通信的無線電技術，它具有低成本、低功耗等優點，HC-06能夠在10m範圍內實現無線串口通信。程序進入串口中斷後，HC-06主機可以向HC-06從機發送機組速度及方向的8位數據，HC-06從機可以向HC-06主機發送步進電機超速、種箱缺種及輸種管堵塞的8位數據。藍牙的工作電壓為3.3 V，而單片機的工作電壓為5V，因此需要在藍牙的數據發送和數據接收埠上各串聯1K的電阻再接到單片機上。如果需要更換藍牙從機系統，可以按下HC-06主機的WAKEUP鍵放棄記憶，重新搜索新的藍牙從機；如果不放棄記憶，藍牙主機將一直搜索上次配對過的藍牙從機。相反。