播种机控制系统论文

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1玉米精播机单体结构及控制原理

1．1样机单体结构

单体样机主要由开沟器、种箱、排种器、步进电机、覆土器、仿形机构和地轮、模拟轮(用来模拟拖拉机前轮，测量机具前进速度)，以及机架和手柄(用来代替拖拉机头，提供前进的动力)等组成。试验时，将磁钢均匀地贴在模拟轮上，开关型霍尔传感器安装在正对磁钢的位置，用以测量播种机的前进速度。另外，为了获得相对准确的机组前进速度，应将尽可能多的磁钢贴在拖拉机前轮上。

1．2控制原理及系统组成控制系统的作业原理

利用霍尔传感器采集拖拉机的行进速度，获得的速度信号经传感器内部电路处理后输送给单片机;单片机根据输入的株距计算处理后得到应输送给步进电机驱动器的脉冲数，从而使步进电机转速与拖拉机前进速度保持一致，以达到均匀排种的目的。该控制系统主要由单片机模块、无线传输模块、人机交流模块及驱动模块等组成。由于单片机具有体积小、质量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及安装方便等优点，故本方案采用了深圳宏晶推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C52RC单片机，其片内带8kB的ROM和512Byte的RAM，与传统的8051单片机完全兼容。考虑到拖拉机驾驶室和排种装置之间存在一定距离，采用有线传输会使控制线路变得较为复杂。为简化线路和增强系统的抗干扰性，本设计决定采用两个单片机控制单元，一个装在拖拉机驾驶室里边，另一个安装在排种器附近，两个控制模块之间采用NRF24L01+芯片进行信息的传输。主机模块主要完成机组前进速度的采集及人机交流等功能，从机模块主要实现对排种器转速的调节。考虑到播种机作业过程可能需要因维修保养、故障排除等原因而临时停车、地头提升转弯及运输状态等实际情况(在这些条件下显然排种器不能继续转动，否则会导致种子的无效排种，浪费种子)，在单片机控制步进电机时，必须考虑镇压轮是否着地。为了解决此问题，该控制系统在镇压轮的底部安装了一个行程开关接在控制系统电路中，只有当排种装置落下时，开关闭合，控制系统才开始工作。

2系统控制硬件设计

该控制系统主要由机组作业速度检测模块、人机对话模块、电机驱动电路模块及无线传输模块等组成。

2．1机组作业速度检测模块

目前对机组作业速度的测量常用到的方法有3种:增量式光码盘脉冲个数测速、电磁式转速传感器测速和开关型霍尔传感器测速。

1)增量式光码盘脉冲测速，虽测量精确度高，但成本也高;同时，由于播种机的工作路况复杂，对传感器的磨损较大，导致使用寿命较低，性价比不高。

2)电磁式传感器相比较增量式光码盘传感器，优点是其结构简单、成本较低;缺点是响应频率不高、抗电磁波干扰能力差、可靠性不高。

3)开关型霍尔转速传感器测速较以上两种传感器具有以下优点:一是抗电磁波干扰能力强;二是转速的快慢不会影响到输出信号的电压幅值，即使转速过慢的情况下也能正常工作;三是可以适应复杂多变的田间作业环境，且结构简单，方便安装与维修。因此，经过综合比较和分析，选用开关型霍尔转速传感器实现测速功能。其由稳压电源及霍尔元件。放大器、施密特触发器、输出晶体管组成。信号经芯片内部处理电路后，得到一个单片机可以识别的稳定数字电压信号。

2．2人机对话模块设计

为方便驾驶员与精量播种机控制系统之间的双向信息交换，该控制软件设计了人机交互对话系统。人机交互对话系统主要是指人与计算机系统之间实现信息的交流。本文所设计的人机交互对话系统是通过DMT80600T080－09W型号的触摸显示屏实现的，机手不仅可以直接通过触摸屏输入要求的株距，而且也可查看播种状况。其采用基于K600+内核的DGUS软件，具有功能强大和连接线路简单等优点，仅需连接4条数据线即可实现与单片机的信息交流．3电机驱动排种电路设计系统利用步进电机作为播种驱动机构，单片机控制步进电机的电路连接如图5所示。该控制系统选用的是具有步进频率高、无低频共振现象、反应速度快等优点的57BYGH250C混合式两相步进电机。其扭矩为1．7N•m，步矩角为1．8°。由于单片机不能直接驱动步进电机工作，需与步进电机驱动器配合使用才能控制步进电机的转动。因此，本文采用2M542细分型高性能步进电机驱动器，其细分数可根据需要进行设定。

2．4无线传输模块设计

该控制系统采用型号为NRF24L01+的芯片来完成信息的无线传输，具有低功耗、传输速率快及抗干扰能力强等优点。NRF24L01+是一款工作在2．4～2．5GHz的全球开放ISM频段免许可证使用的单片无线收发器芯片，其输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口完成。另外，由于NRF24L01+的工作电压为3．3V，因此在与单片机连接时需在电路中串联一个1kΩ的电阻。

3系统控制软件设计

整个系统采用模块化编程，主要由初始化模块、数据采集模块、控制模块及显示模块等组成。

4试验与结论

4．1试验

为了验证该控制系统的可行性和可靠性，对单体样机进行了前期的室内试验和数据采集，并把实际粒距与理想粒距做对比，根据JB/T10293－2001中国家对精密播种机技术条件的相关规定，玉米株距误差在50%以内都是符合要求的。本文设定的株距为20cm，则只要实测株距分布在［10cm，30cm］之间即可。看出种子的分布情况较为理想，由此可证明本控制系统是可行的。

4．2结论

1)该智能控制系统改变了传统播种机的排种控制方式，实现了电机驱动下排种速度与拖拉机作业速度的自我匹配，避免了因为地轮滑移带来的播种株距不稳定问题，实现了排种器转速的计算机自动控制。且由于该系统由电机直接驱动排种器，减少了中间环节，简化了传动系统，提高了传动精度，有效地保证了播种株距的一致性。

2)采用无线传输方式使控制线路变的简洁，方便了控制装置的组装与拆卸;人机对话模块使得控制省时省力，利于田间管理。

作者：蒋春燕耿端阳孟鹏祥李玉环单位：山东理工大学