肖盛聪
(四川建筑职业技术学院，四川德阳518000)
摘要：随着玉米种植规模的扩大，玉米播种机的工作性能直接决定了玉米产量的高低。传统玉米播种机采用的是机械式作业方式，播种过程中存在漏播、播种株距不均匀等诸多问题，严重影响了玉米的生产质量和产量。为解决这一难题，将单片机技术、传感器技术等先进技术应用在玉米播种机上，在深入研究分析单体玉米播种机结构和工作原理的基础上，完成了玉米播种机全自动控制系统的总体方案设计，并对控制系统的硬件部分进行了模块选型，完成了单片机、测速传感器、步进电机等关键部件的电路原理图的设计及软件运行流程进行优化设计。播种株距检测试验结果表明：优化后的玉米播种机全自动控制系统具有较高的播种精度，播种株距均匀，无漏播现象，具有较大的推广价值。 关键词：玉米播种机；单片机；全自动；控制；优化
中图分类号：S223；S220.39文献标识码：A文章编号：1003-188X(2021)07-0131-05
0引言
我国是传统的农业生产大国，玉米种植规模呈逐年递增趋势，在玉米种植过程中，播种是最基础的一项工作，也是最关键的一个环节，播种质量的好坏直接影响玉米种植的产量和质量。随着高新科技的发展，玉米种植的播种作业不再依靠人工进行，而是逐渐向机械化、智能化方向发展，越来越多的玉米播种机应用在玉米种植上。
传统的玉米播种机以机械式和气吸式为主，其应用在一定程度上提高了玉米播种效率，极大节省了人力和物力，降低了劳动生产成本。但是，由于播种机受地表环境影响较大，容易出现漏播现象，同时由于缺乏精确的控制，播种株距容易出现间距不均匀的现象。若播种株距过大，会导致玉米产量严重下降；若播种株距过小，则会导致农作物无法获取足够的光照和通风，从而影响玉米种植的质量。因此，为了提高玉米播种机的播种精度和环境适应性，引入了单片机技术、自动控制技术和传感器技术，对玉米播种机的控制系统进行优化，实现玉米播种机的全自动控制，完成对玉米播种机的运行工况监测及对运行故障预警，从而实现玉米播种的精确化、智能化播种，提升农
收稿日期：2020-01-2
基金项目：四川省科技计划项目(2219YJ2553)
作者简介：肖盛聪(1982-)，男，四川德阳，副教授，硕士，(E-mLl) 。业发展水平，降低农业生产成本o
1播种机结构及工作原理
玉米播种机主要由播种箱、步进电机、平衡轮、犁地器、排种检测装置、排种器、行走轮、驱动电机及其他辅助装置组成，如图1所示。
2播种箱2•步进电机3•播种机前轮4•犁地器5•排种检测装置5•排种器7•播种机后轮8•驱动电机
图1玉米播种机结构简图
Fig.0Schematic diagram of corn planter
播种箱位于播种机的最上方，方便作业人员随时观察种子数量情况，并进行适当补充。步进电机位于排种检测装置和排种器的上方，主要用于驱动排种装置工作。排种检测装置用于监测排种情况，主要包括播种箱内的种子数量、种子下落情况及排种器运行状况。开沟器和排种器为播种机的执行设备，用于翻土和埋种，排种器负责将种子放置到农田合适位置。驱动电机主要用于为玉米播种机的直线运动提供前进动力，保证玉米播种机能够实现自行走作业。
2控制系统总体方案设计
玉米播种机的控制系统是基于单片机系统完成的，主要功能是完成对播种机运动速度的采集，通过排种检测装置采集的信息，及时调整步进电机工作状态，实现播种机的精确播种。
玉米播种机控制系统主要由单片机、传感器、电源模块、一体式触摸屏、无线模块、报警模块及步进电机驱动器等组成。其中，单片机是整个控制系统的核心，相当于大脑，位于排种检测装置内部，用于处理各类硬件模块传输过来的信息，包括传感器采集的速度信息、触摸屏输入的控制指令及排种检测装置检测的工控信息等，进行相应的处理、分析和计算，并将优化后的结果通过无线模块传输至各执行模块，实现播种机的自动控制。测速传感器位于播种机前轮，用于检测播种机的前进速度；电源模块为12V供电电源，通过变压模块可以将供电电源转换为单片机系统和其他电气设备的工作电压；触摸屏位于操作间内，作业人员可以通过触摸屏输入控制指令，再通过无线模块进入播种机的单片机系统中，完成相应的指令下达。
无线模块是系统的传输链路，通过无线模块可以实现玉米播种机的远程控制和在线监测，能够实时检测玉米播种机的运行状况，并将单片机输出的控制信号传输给各步进电机驱动器完成对步进电机的输出控制，从而驱动排种器进行相应的动作。玉米播种机控制系统总体方案如图2所示。
图4玉米播种机控制系统总体方案图
Fig.4Overall plan of the corn seehei control system 模块，主要用于在播种机发生故障的情况下发出预警信号，提示作业人员进行检查和排故。
3控制系统硬件设计
3.〔单片机模块设计
单片机是整个控制系统的核心，因此单片机的选型十分重要。在对播种机功能需求和稳定性分析后，综合考虑单片机稳定性、运算速度、功耗及开发环境等多方面，选取了TI公司MSP430系列单片机，型号为MSP430F5438。单片机引脚电路如图3所示。
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P5.0
铸造工艺流程
P5.1
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平压平自动模切机
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k^SP430F5438
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DVss2
Vcore
P8.4
P8.3
P8.2
P8.1
P8.0
P7.3
P7.2
P5.7
P5.6
MSP430F5438
DVssl
DVccl
Pl.O/TAOCLK/ACLK
Pl.1/TAO.0
Pl.2/TAO.1
Pl.3/TAO.2
Pl.4/TAO.3
Pl.5/TAO.4
Pl.6/SMCLK___
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H丰耳
图3MSP434F5438单片机引脚图
Fig.3MSP430F5438micucoatullei pin diagram
根据玉米播种机的功能需求，确定MSP430F5438单片机部分引脚的定义及功能，如表1所示。
表1单片机部分引脚定义表
TaUle1The taUle of pin definition
引脚名称引脚定义
AV cc端口接电源23V
av s（端口接地
RST端口复位信号输入端
XIN、XOUT晶体振荡器输入、输出终端
Pl.I端口测速信号输出端口
PO4端口报警信号输入端口
P9.4端口与触摸屏数据通信输入端口
P9.3端口与触摸屏数据通信输出端口P3.6、P5.6、P7.3端口与无线模块连接端口
由图2可知：玉米播种机控制系统还设置有报警
续表1
引脚名称引脚定义
P2.0端口步进电机控制信号输入端
P2.0端口排种检测信号输入端P3.0、P3.4、P4.1端口与无线模块连接端口
3.2测速传感器模块设计
测速传感器为控制系统的终端输入设备，其采集数据的准确性和稳定性对系统的控制精度有着十分重要的影响，其选择也需要同时满足稳定性强、采集精度高等条件。
由于单片机接收的信号主要包括数字信号或者高低电平信号，无法接收模拟信号，因此选取的测速传感器为霍尔传感器。霍尔传感器的工作参数如表2所示。
表2霍尔传感器工作参数表
Tab—2The working parameters of hall sensors
口环主要参数单位参数值
尺寸mm36x2工作电压V3-5.3
输出电流mA16
梁延淼输出形式数字信号
检测距离mm(〜15
可检测物体永磁体
安装方式3mm螺丝孔
根据霍尔传感器和单片机的连接关系，完成了霍尔传感器与单片机的接口电路设计。由单片机的引脚定义可知，单片机的P1.0端口直接与霍尔传感器的输出端口D0连接，通过磁极的靠近或离开输出不同的高低电平信号，根据脉冲个数和定时时间，计算得到播种机前轮的转速，从而换算成播种机前进速度。
图4为霍尔传感器与单片机连接的接口电路图。
GND
SV1
VCC A0
GND
VCC
DO
Header4
图4霍尔传感器与单片机连接的接口电路图
Fig.4 Interface circuit diagram of the hall sensor内网审计
conpected to the microcoptro/or 3.3步进电机驱动模块设计
步进电机主要用于驱动排种器、排种检测装置及开沟器进行相应的动作，因此步进电机需要具备输出转矩大、动态性能好等优点。为此，选取的步进电机为57BYGH混合式电机，由于步进电机无法直接使用直流电源或交流电源，需配备专用的驱动器，从而在驱动步进电机的同时，还可以有效预防步进
电机过载烧坏。步进电机的技术参数表见表3o
表3步进电机技术参数表
Tab—3Technical parameters of stepper motor
主要参数单位参数值
型号57BYGH
步距角(°03
电压V 3.0
电流A 3.0
电阻Q20
电感mH 3.3
保持转矩N.n07
定位力矩ky.cm0.6
转动惯量y.cm2444
根据步进电机驱动器和单片机的连接关系，完成了步进电机排种驱动电路的设计。由单片机的引脚定义可知，单片机的P2.0端口主要用于发送控制信号脉冲。由于步进电机只能进行正转，因此驱动电路中的DIR-端口接地。图5为步进电机排种驱动电路图。
24
图5步进电机排种驱动电路图
Fig.5Stepping motor seed drive circuit diagram
4控制系统软件设计
玉米播种机控制系统的软件程序决定了控制系统运行是否合理、参数是否优化，主要用于完成系统各硬件模块的初始化、各子模块的运算及参数的传递，从而保证各子模块之间数据传输的通畅和准确。
玉米播种机控制系统软件程序开始执行后，先完成对单片机、测速传感器、触摸屏及其他电气设备的初始化，保证各模块运行前处于初始状态；作业人员在触摸屏上进行参数设置和指令输入后，测速传感器开始工作，单片机开始检测是否有脉冲信号输入，检测到脉冲信号后，单片机开始信息采集和处理运算，并将运算信息通过无线模块进行传输；步进电机驱动器接收脉冲信号后，根据实际运行情况和单片机运算结果，驱动步进电机转动，同时在触摸屏上实时显示播种机前进速度、电机转速及株距等信息。
当播种机出现漏播情况时，报警模块启动，并及时进行漏播报警；当播种机在运行过程中出现故障时，报警模块将故障信息通过无线模块传输至触摸屏进行显示，方便作业人员检查和故障排除。图4为玉米播种机控制系统软件流程图。
Figc6SoCwaro—ow chaU of corn planter control system
5试验验证
为验证优化后玉米播种机控制系统的性能，对玉米播种机的株距合格指数进行试验。试验选取播种长
度为300粒距长度，假设规定的播种株距为20cm。试验对象选取优化后的玉米播种机和传统播种机，在播种机的前轮上安装有测速传感器，分别在前进速度为1、2、3m/s的条件下，对播种的相邻种子之间的距离进行测量和记录。考虑单次测量的偶然性，为提高播种株距测量的准确性，本次试验结果取3次重复试验的测量结果的平均值。
表4和表5分别为优化后的玉米播种机和传统播种机播种株距的测试结果。
表4优化后的玉米播种机播种株距测试结果Table4Test results of planting distance of optimized corn seeder%
前进速度株距合格指数重播指数漏播指数
9754015471513 19758115290590
9455625632581
9559025072503 29759815170585
9659415671539
9553525292536 39853705980565
9758915140585
表5传统玉米播种机播种株距测试结果
Table5Test results of planting distance of WaXitional corn seeder%
前进速度株距合格指数重播指数漏播指数
8952655475501 19154555143541
8858455895527
9150755393554 29052355264551
9056855204512
8956955584573 39153255233545
8555375756572
由表4和表5可知：优化后的玉米播种机具有较好的调节和控制效果，播种株距的均匀性明显好于传
统播种机。
6结论
薄膜印刷
为解决传统玉米播种机播种精度差、播种株距不均匀等问题，将单片机技术应用在玉米播种机的控制系统中，在深入研究和分析玉米播种机组成结构和工作原理的基础上，完成了玉米播种机控制系统的总体方案设计，针对控制系统的功能需求，对单片机模块、测速传感器模块、步进电机驱动模块分别进行了硬件选型和电路原理图设计及系统软件流程的优化设计，并进行了试验验证。试验结果表明：基于单片机的玉米播种机控制系统具有较高的播种精度，漏播现象少，播种株距能够满足要求，极大提高了玉米生产的质量和产量，降低了作业人员的劳动强度，对提升农业生产效益有着重要的指导意义。
参考文献：
[]胡永文.气吸式排种装置在振动条件下的排种性能研究
[D].呼和浩特：内蒙古农业大学2012
[2]李剑峰.播种机排种自动控制系统的研究[D].兰州：甘
肃农业大学,2006.
[3]DOU,YIDIDG,CHEN,HAIZHEN.A Desigo Researed for
Hybrid Exeitakon Rare Earth Permaoent Magpot Sypchronops
GeopOoW C]//ICEMS,2001：856-859.
[4]丁至成，吴建军.单片机排种均匀度检测系统的研究与
试验[]农业工程学报，1996,12(2)：116-120[5]李萍.气力式牧草免耕播种机结构分析与性能试验研究
[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2012.
[6]王金艳.霍尔传感器转速检测系统的设计与研究[D].哈
尔滨：黑龙江大学,2010.
[7]ZHUANG S.Automatic feeding control of fertilizer app—cator
and seeder based on running speed signaW-J].The joarnai ythcJSAM,1996(58)：49-55.
[8]高波，孙闻，张旋•步进电机原理与控制简介[J]高教论
述，2011(20)：20.
[9]崔鸿远•玉米播种机工况监测系统的研究和试验[D].北
京：中国农业大学,2000.
[10]H adi K,HOSSEIE N,BAHRAM B,ct al.A PracOcoi
Approach to Comparative Design of Non-Conmc-Sensing
Techniyucs for Seed Flow Rate Detection[J].Computers
and electronics in agriculture,2017,142((1):195-177.
[1]赵百通•精密播种机自动补偿式监控系统的研制[D].
泰安：山东农业大学,20040
[9]蒋春燕•基于电机驱动的玉米精量播种机智能化株距
控制系统设计[J]农业化研究，202,37(9)：100
104.
[2]金衡模，高焕文.玉米精播机漏播补偿系统设计[J].农
业机械学报,2002,33(5):44-47.
[4]戈天剑，赵斌，衣淑娟，等.气吸式玉米播种机排种监测
系统研究[]农机化研究,2217,39(8)：82-85.
[5]H XU,Y J ZHANG.Aquicukuiri Remote Monitoring System
Based on Android P—Worm[J].Advanced materials re
search,2014,3607(1051):956-962
Optimization of Automatic Contrci System of Corr Seeder
Xiao SPengco/g
(Sichuap Architecture Vocakonal and Technical Col—pa,Deyang513701,China)
Abstract:With the expansion of com planting scale,the periormanco of corn planters directW determines the—vet of com production.The trabitional com planter uses a mechanical operation method.During the sowing process,there are many prodlems such as missing sowing and unevex planting distances；which serioas—aLect the production quaLty and yield of com.I p order to solve this prod—m,this article applies abvapced tpCnoWgy such as sing—-chip microcomputer tecOnoWge and sensor tecOnoWge to the com seeder.Based on the in-depth sLUy and analysis of the structure and working principle of the single com seeder,the overall coptrol system of the com seeder is completed.The desiyn of the schema,the module selection of the hardware part of the control system,the desiyn of the circuit schematlo diagram of the kp componexts such as single-chip microcomputers,speed sexsors,stepper motors,and the optimizaLop of the solware operation process of the control system,and OnOty couied oat testing test of planting plant distance,the test proves that the optimized axtomatlo control system of the com planter has high sowing accoraco,uniform planting space,and no —abing ppexomexon,which has certain research siyniPcodco for the improvemext of ayricoltural production and has a large promotion value.
Key wo C s：com seeder；single-chip microcomputer；fully axtomado;control;optimization
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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