本科毕业设计-- 精密播种机监测系统研究

吉 林 农 业 大 学 本 科 毕 业 设 计 论文题目 ： 精密播种机监测系统研究 学生姓名： 专业年级： 电子信息科学与技术专业 指 导教师 ： 职称 讲师 2009 年 6 月 3 日吉林农业大学本科毕业设计 I 目 录 题目 .I 摘要 及关键词 .I 1 前 言 . 1 1.1 课题的提出 . 1 1.2 精密播种机播种国内外发展概况 . 2 1.3 研究开发内容 . 2 2 精密播种机排种性能监测总体方案的确定 . 3 2.1 播种机的性能要求及性能指标 . 3 2.1.1 播种机的性能要求 . 3 2.1.2 播种机的性能指标 . 3 2.2 精密播种机排种性能参数的监测 . 4 2.2.1 监测内容 . 4 2.2.1.1 播种机漏播监视 . 4 2.2.1.2 播种机排种量监视 . 4 2.2.1.3 排种速度监视 . 4 2.2.2 监测方法 . 5 2.3 监测系统总体方案的确定 . 5 2.3.1 系统硬件结构 . 5 2.3.2 系统软件结构 . 6 3 监测系统硬件设计 . 6 3.1 主控系统电路设计 . 7 3.1.1 漏播检测模块电路设计 . 11 3.1.1.1 传感器的选择 . 11 3.1.1.2 发光二极管的选择 . 12 3.1.1.3 常用受光器件的选择 . 13 3.1.1.4 光电检测电路设计 . 14 3.1.2 测速器及漏播监测启动器设计 . 16 3.1.3 数据存储模块设计 . 17 3.1.4 显示系统 . 19 3.1.5 无线收发模块 . 21 吉林农业大学本科毕业设计 II 3.2 无线语音报警系统设计 . 22 4 监测系统软件设计 . 23 4.1 软件系统编译语言选择 . 23 4.2 软件系统的程序设计方案 . 23 4.2.1 程序设计 . 24 4.3 软件调试 . 24 5 系统的抗干扰设计 . 24 5.1 硬件抗干扰 . 25 5.2 软件抗干扰 . 25 5.3 本章小结 . 26 6 结论与展望 . 26 6.1 结论 . 26 6.2 精密播种机监测系统的改进方向 . 27 参考文献 . 27 致谢 . 28 附录 . 29 吉林农业大学本科毕业设计 I 精密播种机监测系统的研究 学生：林春花 专业：电子信息科学与技术 指导教师：宫鹤 摘 要 ： 播种在 农业生产中最重要的环节之一，播种机的性能直接影响着播种质量和收成。精密播种机的监测系统是现代精播机的一个重要组成部分，其性能的好坏将影响精密播种质 量。精播机对不同性能有不同要求，而且其参数覆盖面广。目前国内研制的精密播种机监测系统仅在于解决漏播、重播的监视；精密播种机上所采用的监测和报警装置，主要有机械式报警器、机电式报警器和电子仪器式监控系统。本文研制一种能够全面监测各项性能指标的精密播种机自动监测系统，包括漏播、播种机排种量、排种速度性能参数。本研究运用单片机控制技术，结合自动控制理论设计了精密播种机自动监测系统。 关键词 ： 精密播种机；监测系统；自动控制；报警 THE STUDY ON MONITORING SYSTEM OF PRECISION DRILL Name: Lin Chunhua Major: Electronic Information Science and Technology Tutor: GongHe Abstract: Seeding is one of the most important processes of agriculture production, the performance of drill affects the seeding quality and harvest Seeding monitoring system is an important component of present precision drill and its function directly affects the quality of precision seeding. There are different demands to the different performances, and its parameters are widely covered with. At present the seeding monitoring system researched in domestic only to solve the miss-seeding and rebroadcast, At present the monitoring and alarm equipment adopt in precision drill are mechanical alarm, mechanical and electronical style alarm, electronical apparatus style control system. The monitoring system of this paper can comprehensively test precision seeding performance parameters automatically. Including seed-rate, sowing speed, inter-plant spacing . So the monitoring system is designed based on control techniques of MCU and automatic control theory in this paper directly. Keywords: precision drill, monitoring system, automatic control, annunciator 吉林农业大学本科毕业设计 1 1 前 言 1.1 课题的提出 我国是一个农业大国，其中 75% 的人口是农业人口。中央非常重视“三农”问题，投入了大量的精力和财力，解决“三农”问题。农业生产季节性强，必须按照农业技术要求，不误农时。农业机械化则是提高生产率，解放生产力的 主要途径。播种是农业生产中的关键环节，“ 播 种好收一半”，是长期生产实践对播种重要的总结。所以提高播种机的性能、工作质量和效率已成为最终追求目标，并成为农业机械化首要的问题。 随着播种技术的发展，先后研制出结构形式多样的撒播机、条播机、穴播机和精播机等。精密播种是按农艺要求将种子播到 土层中的理想位置，一播完成作物合理的 田间分布的播种方式。精密的含义包含数的精确性和位的精确性两方面，即种子根据精确的粒数、株 (穴 )距、行距和播深播入土中。精播可以是单粒种子按精确的粒距播成条行称为单粒精播；也可将多于一粒的种子播成 一穴，要求每穴粒数相等。精密播种的作物田间分布合理，植株占有最大的营养面积，通风，光照良好，便于后序作业的机械化，能达到高产丰收的目的。同时，精播可节省种子和减少间苗工作量。但要求种子有较高的田间出苗率并预防病虫害，以保证单位面积内有足够的植株数。精密播种技术具有省种、高产的优点，随着农业现代化的发展和农业产业结构的调整，精密播种机受到了国内外的普遍重视，使得精密播种技术有了更广阔的发展前景。因此，精密播种机已成为现代播种技术的标志，成为播种机的主要发展方向 1。 目前国内使用的精播机绝大多数是机械式和气 力式播种机，由于精播机在播种作业时具有播种过程全封闭的特点，因此仅凭人的视听无法直接监视其作业质量，如在播种作业时发生机械传动故障、种箱排空、导种筒堵塞、开沟器被土块堵塞、排种器传动失灵等故障现象均会导致一行或数行下种管不能够正常播种，造成漏播。尤其是大型宽幅精播机，其作业速度高、播幅宽，一旦发生上述现象则会造成大面积的漏播，必然造成农业生产的严重损失 2。 所以对于精密播种机，在排种装置上配备可靠性高性能完善的工况参数监测与故障报警系统，对精密播种机的工作运行状态进行实时监测和故障的准确预报，已成当务之 急，目前，精密播种机上所采用的监测和报警装置，主要有机械式报警器、机电式报警器和电子仪器式监控系统。机械式报警器是精播机上最早采用的装置，以敲击铃罩不断发出响声，以示报警。与机械式报警器相比，机电吉林农业大学本科毕业设计 2 信号式报警装置不但有声音报警和指示灯显示，而且可以探测种子箱内的种子是否能够达到正常播种数量。 目前国内研制的精密播种机监测系统重点只在于解决漏播、重播的问题。本研究针对目 前的这一不足点，研制一种能够全面监测各项性能指标的精密播种机自动监测系统，不但能防止漏播，保证播量，提高播种的质量和农作物产量，而且大大减轻农民 劳动强度，提高生产效率，具有重要的经济效益和社会效益。 1.2 精密 播种机播种国内外发展概况 国外在播种监测方面研究较早。 20 世纪 80 年代初，西方国家就已开始将电子技术用于播种机，如电子监 视播种 控 制等。目前，在欧美国家精密播种也已经达到相当完善的程度，精播机上的监控系统也随之发展起来。如法国 NODET 气吸式播种机上的一种响铃式排种故障报警器。与机械式报警器相比，机电式报警装置不仅有声音报警，还有指示灯显示 。 随着国外不同类型精密播种机的相继引进，我国精密播种机的研制工作不断出现新的高潮，新式播种机和相 应的监控系统也不断出现。河北农业大学刘淑霞等采用 MCS-51 单片机实现了精密播种机排种性能监测，对重播、漏播分别进行不同方式的声光报警，可定时计算重播率、漏播率，也可根据需要将这些参数打印下来，并送显示器显示。当然，与国外的试验设备相比，我们还有很大差距，但是，随着电子技术和计算机技术的进一步发展，一些新的检测技术和检测手段将会不断出现，特别是逐步发展起来的基于虚拟仪器等的现代检测技术，将使得播种机监测系统逐渐向着智能化、自动化以及精确化的方向发展，以实现农机作业的高效率。 随着科学技术的发展，机械技术与微 电子技术相结合的机电一体化技术将逐渐进入精密播种机的监测装置。基于该技术下的监测系统不但有监测、报警功能，还具有执行动作机构，可以完成不正常播种的纠正。因此，运用机电一体化技术的精密播种机监测系统是将来的主要发展方向 3。 1 3 研究开发内容 针对目前国内研制的精密播种机监测系统重点在于解决漏播、重播的问题。本项目要研制一种能够全面监测各项性能 指标的精密播种机自动监测系统。它由传感器、报警装置、数据存储电路、 LCD 显示 及单片机等组成。监测装置自动 测试播种机的各项性能指标，如：排种量，排种速度、重播率，漏 播率 等，并利用计算机软件编程来实现对数据的运算处理，显示并且实时监测播种机的各项性能指标，使其达到指定要求。本研究内容包括以下几个方面： 吉林农业大学本科毕业设计 3 (1)根据精密播种机排种性能确定其监测方案； (2)精密播种机监测系统硬件的设计； (3)精密播种机监测系统软件的设计； (4)对系统进行抗干扰设计。 2 精密播种机排种性能监测总体方案的确定 2.1 播种机的性能要求及性能指标 2.1.1 播种机的性能要求 播种机监测系统以获取播种机排种性能参数为主，因此需要对播种机性能有一定的了解。播种机的性能要求，包括农业技术要求和 使用要求两个方面。 （ 1） 播种机的农业技术要求：要求条播机的播种量符合农业技术要求，行距一致、播种均匀；种子播入湿土层中且用湿土覆盖，播深一致且符合农业技术要求，种子损伤率低。对穴播机的要求是每穴种子粒数一致，穴内种子不过度分散，播深一致且符合农业技术要求，种子损伤率低。对单粒精密播种机的要求是每穴1 粒，株距精密。 （ 2） 播种机的使用要求：通用性好，能播多种种子，不损伤种子，调整、换种方便可靠；在田作、套种、播种的同时，能进行施肥、开沟、筑埂、起垄及镇压等作业 4。 2.1.2 播种机的性能指标 播种质 量 的高低常用下列性能指标来评价 : (1) 排种量稳定性。指排种器的排种量不随时间变化而保持稳定的程度，可用于评价条播机播种质量的稳定性。 (2) 各行排种量一致性。指同一台播种机上各个排种器在相同条件下排种量的一致程度。 (3) 排种均匀性和播种均匀性。指播种机排种器排种的均匀程度和种子在种床上分布的均匀程度。 (4) 穴粒数合格率。对普通穴播，每穴种子粒数以 n 1 粒或 n 2 粒为合格， n 为每 穴种子粒数的预计值。 (5) 粒距合格率。在单粒精密播种时，以 1.5t株距 0.5t 为合格。式中 t 为平均粒距。若行内种子间距小于或等于 0.5t 者，为重播；大于 1.5t 者为漏播。 吉林农业大学本科毕业设计 4 (6) 播深稳定性。指种子上面所覆土层厚度的稳定程度。有时以播深合格率作评价指标，而以规定播深 1cm 为合格 (所谓播深是指种子正上方的土层厚度 )。 (7) 种子破损率。经排种器排种后，可察觉的受机械破损的种子量占排出种子量的百分比 5。 2.2 精密播种机排种性能参数的监测 2.2.1 监测内容 根据播种机的性能指标，其主要性能参数有播种机排种量、排种速度、播种间距、播种面积、单播率、重播率、漏播率等。现代精密播种机上 一般安装的是电子监视装置，由传感器、光电转换线路、报警控制和信号显示装置构成，但它们的重点都在于解决漏播、重播等问题。本项目要研制一种精密播种机自动监测装置，比较全面地自动测试播种机排种性能的各项指标，并利用计算机编程软件对数据进行运算，存储，解决播种机实时监测问题。 2.2.1.1 播种机漏播监视 当播种机正常工作时，种子有规律的下落并通过红外对管，遮断红外光束，光敏二极管将接收到的断续红外光信号转变为电脉冲信号，经过整形放大电路传递给单片机系统；当种箱或排种器不正常播种时，种子不再通过红外对管，红外光二 极管发出的红外光全部照在接收管上，光强增大，此时监测系统将对漏播进行提示。 2.2.1.2 播种机排种量 监视 在排种管上安装播种量传感器。当种子通过播种量传感器的种子通道时，遮断 光束，使光电管发出信号，使下落信号转换为电脉冲信号，经过放大 ， LED 有规律的闪烁，电脉冲的个数即种子的累计数量，将这种信号经过单片机处理，在显示器上显示排种量。当某一行或者数行发生故障时，无种子通过，将发出报警声响，以告知漏播。 2.2.1.3 排种速度 监视 排种速度是决定排种均匀性和播种均匀性的重要因素，传统播种机使用地轮驱动排种 器，但因地轮阻力大，容易打滑，播种均匀性无法得到保证，故本系统吉林农业大学本科毕业设计 5 采用电机驱动排种器。可根据播种机作业速度来动态调节驱动电机转速，从而 使排种器转速与播种机作业速度一致。可在播种机上安装一个米尺 ， 进而 测播种机作业速度。这样就保证了电机及排种器转速与播种机的作业速度的一致性。由前面已测得播种机排种量，因此可以计算出规定时间内落种的数量，并在显示器上显示其单位时间内的排种数量，即排种 速度 6,7。 2.2.2 监测方法 本监测装置由传感器、报警装置、无线发射模块 和 单片机 等组成。将所采用的传感器，安装在输种管开沟器附 近。传感器的作用是 将输种管中种子流动的情况变换成电信号，并将其信号 送入单片机，对播种机作业过程进行实时监测，发生故障时，将发出声光报警。 2.3 监测系统总体方案的确定 2.3.1 系统硬件结构 系统的硬件设计是整个系统设计的基础，主要实现各个物理信号的采集、放大、整形 、处理和转换。该监测系统 的硬件 电路 主要由 播种机主控系统和无线语音报警系统两部分组成。 (1)主控 监测系统硬件 由漏播检测模块电路、测速及漏播启动电路、微控制系统、无线发射模块电路、数据存储模块、 显示系统电路组成 ， 框图如图 2-1所示。 图 2-1 播种机主控系统 Fig 2-1 The master of seeding-machine 微 控 制 器 无线发射模块 数据存储器模块 显示系统电路 漏播检测模块 电路设计 测速器及漏播 监测启动器 按键 输入 吉林农业大学本科毕业设计 6 主控系统以微控制器为核心，正常工作时，和普通机械播种机一样由拖拉机带动主播种系统播种，不启动备用播种 器，仅记录已播种株数到数据存储模块，以备操作者可查询和分析。当播种系统漏播监测器监视到有漏播现象发生立即启动 播种系统，同时记录连续漏播数 量，若大于设定值则通过无线发射模块向驾驶室发报警信号；若 播种系统漏播监测器监视到有漏 播现象则也发报警信号，同时记录漏播位置，以 备操作者通过键盘在显示器 上查询。 (2)无线语音报警系统硬件由 无线接收模块、 LED 报警显示电路、语音报警模块组成。 其框图如图 2-2： 图 2-2 无线语音报警系统 Fig 2-2 The wireless of system of speaker 当出现漏播或输种管堵塞时，启动声光报警装置。倘若某行漏播或堵塞，除该行所对应的发光二极管闪烁外，同时报警装置发出报警声音。 2.3.2 系统软件结构 软件设计采用模块化程序设计方法，运 用 C语言编写程序，其中核心 思想是把一个复杂的应用程序按整体功能划分为若干相对独立的程序模 块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后再进行综合调试。主要包括 了主程序的设计， 漏播监测子程序设计， 声光报警子程序的设计，显示子程序的设计。 3 监测系统硬件设计 根据总体方案的设计， 本章将详细介绍两个系统各功能模块设计过程。 微 控 制 器 无线接收模 块 LED 报警显示 语音报警模块 吉林农业大学本科毕业设计 7 3.1 主控系统 电路设计 目前世界上有很多单片机生产商，如美国的 INTEL、 ATMEL、 MOTOROLA和 ZILOG公司；德国的 SIEMENS 公司；荷兰的 PHILIP 公司等。他们相继推出了各种类 型的单片机，其中 Intel 公司推出的一种高性能 8 位单片机， MCS-51 系列单片机，以其优越的性能，成熟的技术和高性价比迅速占领了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。在控制 领域，单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等 8。 基于单片机在控制方面的诸多优点，并考虑到本课题的特点，所以采用单片机技术，结合自动控制理论，设计了精密播种机排种性能自动监测系统。并加以实验论证。 主控系统 采用 STC89C51 作为核心芯片。 （ 1） STC89C51RC/RD+系列单片机简介 9 STC89C51RC/RD+ 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰 / 高速 / 低功耗的单片机，指令代码完全 兼容传统 8051 单片机， 12 时钟 /机器周期和 6时钟 / 机器周期可任意选择，最新的 D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路。 选择 STC89C51 系列单片机的理由： 加密性强； 超强抗干扰 : 1、高抗静电（ E S D 保护） 2、轻松过 2 K V / 4 K V 快速脉冲干扰 ( E F T 测试） 3、宽电压， 不怕电源抖动 4、宽温度范围 , - 4 0 8 5 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施： 1 、禁止 A L E 输出； 2 、如选 6 时钟 / 机器周期，外部时钟频率可降一半 ； 3 、单片机时钟振荡器增益可设为 1 / 2 g a i n 。 超低功耗 :1 、掉电模式： 典型功耗 0.1 A2 、正常工作模式： 典型功耗 4mA - 7mA3 、掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池，供电系统，如水表、气表、便携设备等。 在系统可编程 , 无需编程器 , 无需仿真器 吉林农业大学本科毕业设计 8 可送 S T C - I S P 下载编程器 ,1 万片 / 人 / 天 ； 可供应内部集成 M A X 8 1 0 专用复位电路的单片机，只有 D 版本才有内部集成专用复位电路，原复位电路可以保留，也可以不用，不用时 R E S E T 脚接 1 K 电阻到地。 特点： 1. 增强型 6 时钟 / 机器周期， 12 时钟 / 机器周期 8051 CPU 2. 工作电压： 5.5V - 3.4V（ 5V 单片机） / 3.8V - 2.0V（ 3V 单片机） 3. 工作频率范围： 0 - 40 MHz，相当于普通 8051 的 0 80MHz.实际工作频率可达 48MHz. 4. 用户应用程序空间 4K / 8K / 13K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节 5. 片上集成 1280 字节 / 512 字节 RAM 6. 通用 I/O 口 （ 32/36 个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口 / 弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口） P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 7 . I S P （在系统可编程） / I A P （在应用可编程），无需专用编程器/ 仿真器可通过串口（ P3.0/P3.1）直接下载用户程序， 8K 程序 3 秒即可完成一片 。 8. 2E PROM 功能 。 9. 看门狗 。 10.内部集成 MAX810 专用复位电路（ D 版本才 有），外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路 。 11.共 3 个 16 位定时器 / 计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用 。 12.外部中断 4 路 ,下降沿中断或低电平触发中断 ,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 。 13. 通用异步串行口 (UART)，还可用定时器软件实现多个 UART。 14.工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +85 。 15.封装： LQFP-44,PDIP-40， PLCC-44,PQFP-44,如选择 STC 系列，请优先选择 LQFP-44 封装。 吉林农业大学本科毕业设计 9 图 3-1 STC89C51 封装引脚图 Fig3-1 Seal pin chart of STC89C51 芯片引脚图： 图 3-2 STC89C51引脚图 Fig 3-2 The Footprint of STC89C51 (1)主电源引脚 VCC 为电源端，接 +5V 直流电源， GND 为接地端。 (2)时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 (3)控制信号引脚 RST、 ALE/ PROG 、 PSEN 和 EA ， RST 复位信号输入端，震荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平以使单片机复位。 ALE/ PROG 地址锁存信号引脚 ，访问外部存储器时， P0 口输出的低 8 位地址由 ALE 输出的控制信号锁存到片外地址锁存器， P0 口输出地址低 8 位后，吉林农业大学本科毕业设计 10 又能与片外锁存储器传送信息。不访问片外存储器时， ALE 以震荡器 1/6 的固定频率输出正脉冲，可为其他芯片提供时序和时钟信号。在对 Flash 存储器编程期间，该引脚用于输入编程脉冲 PROG 。 PSEN 程序存贮允许引脚，其输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C51 由外部程序存贮器取指令时，每个机器周期两次 PSEN 有效 (即输出 2个脉冲 )，但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，两次 PSEN 有效信号都不输出。 EA 外部访问允许信号引脚，要使 CPU 访问外部程序存储器 (地址为 0000HFFFFH)，则 EA 端必须保持低电平 (接 GND 端 )。当 EA 保持高电平时 (接 VCC 端时 )，CPU 则执行内部程序存储器中的程序。 (4)输入输出引脚 P0.0 P0.7、 P1.0 P1.7、 P2.0 P2.7、 P3.0 P3.7 表 3-3 P3口第二功能定义 Table 3-3 The second function of P3 端口引脚 第二功能 P3.0 RXD(串行输入口 ) P3.1 TXD(串行输出口 ) P3.2 INT0(外部中断 0输入 )（低电平有效） P3.3 INT1(外部中断 1输入 )（低电平有效） P3.4 T0(定时器 0外部输入 ) P3.5 T1(定时器 1外部输入 ) P3.6 WR(外部数据存储器写选通 )低电平有效 ) P3.7 RD(外部数据存储器读选通 )（低电平有效） (2)时钟及复位电路 10 时钟电路： 单片机正常工作是按一定时序执行不同程序来进行的，单片机各部分的协调统一工作是靠时钟指挥的，所以时钟电路是单片机电路的重要组成部分，它决定着单片机工作速度。时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式， 在 MCS-51 芯片内部有一个 高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 XTAL1，其输出端为引脚 XTAL2 。而在芯片的外部， XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图 3-4 所示。本系统采用 12MHZ 的晶振，电容取 30pF。 吉林农业大学本科毕业设计 11 R1?kC130pFC230pFY112m hzGN D89C51R1?k图 3-4 时钟震荡电路 Fig 3-4 The oscillatory circuit of clock 复位电路 单片机复位是使 CPU 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，复位电路还是单片机 系统上电瞬间时钟振荡电路正常起振的条件。所以，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是：必须使 RST 引脚加上持续两个机器周期（即 24 个振荡周期）的高电平。 RC 复位电路又分上电复位电路和带有手动复位的复位电路，如图 3-5 所示。 C122uFMCS-51GN DMCS-51 RESETRESETGN DVCCC122uFVC CVCCR11kRESETVSSVC CR11kVSSR21k(a)上电复位电路 （ b） 上电复位电路 图 3-5 RC复位电路 Fig 3-5 Reset circuit of RC 3.1.1 漏播检测模块电路设计 3.1.1.1 传感器的选择 传感器是一种能按 一定规律将各种被检测量或信息转换成便于处理的物理量的置或器件 11。传感器位于系统的入口处，是获取信息的第一个环节。播种检测传感器于检测有无种子通过检测截面，传感器的作用是将输种管中种子流动的情况变换成电信号。传感器采用光电元件 (包括可见光和红外光等 )，安装在输种吉林农业大学本科毕业设计 12 管开沟器附近，当种子通过传感器的种子通道时，遮断光束，使光电管发出信号，表示有种子通过。当某一或者数行发生故障时，无种子通过，将发出报警声响，因此它的性能好坏直接影响着排种监测装置的工作性能。为确实保证监测的可靠性，对每一行均需进行可靠的监视。由 于种子在输种管内滑落时发生弹跳，使其在较大范围内落下，因此，检测传感器的检 测 元件的选择至关重要，它直接影响到监测的精确度、灵敏度和可靠性。 选择设计光电检测器的时候，应注意以下几个原则： (1)覆盖性能：首先必须保证检测范围能够覆盖排种管径，这样才能确保无误的检测落种情况。其次要求发光元件照明均匀，受光面积越大越好。 (2)频率特性：种子通过光电检测器检测截面的时间一般为几个毫秒，按最短时间 lms 考虑，相当于是频率 1kHz 的光脉冲。因此一般选用光敏器件时，对截止频率的要求是不低于被测频率的 10 倍，即 l0kHz，对应的时间常数应该小于 0.1ms，才能保证种子通过检测截面时能够可靠转换为电信号。 (3)光谱特性：发光元件和接收元件的光谱特性要吻合，发光元件的光谱峰值波长与接收元件的光谱灵敏度必须一致或相近。 (4)对发光元件，还要考虑其光度特性，即光强和辐射要满足检测的需要。选择时应首先考虑其发光光谱，不同材料、不同品种发出的单色光的波长是不同的 12。 目前国内外在播种监测系统上一般都是采用光电传感器作为检 测 装置的，其不同之处是传感器的数量及安装方法不同。采用光电传感器的原因主要在于其结构简单、价格低廉、抗电 磁干扰性能好，尤其是它对种子的运动没有任何影响。所以 用的发光器件有红外或可见光发光二极管，受光器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏 三 极管及硅光电池等。 因此，本研究选用光电传感器作为检测元件。 3.1.1.2 发光二极管的选择 常用的发光器件有发光二极管 (LED)和激光二极管 (LD)，它们都是固体光电器件。 LD 发出的是单色性很好的相干光辐射，而 LED 发出的单色光则不纯，目前 LED 的发光光谱区为可见光及近红外区。其中可见光发光二极管和红外发光二极管的结构原理与制作工艺基本相同，只是所用材料不同。它们都是自发辐射 式发光器件，所发光线是非相干光，光谱范围宽，光束发散角大，辐射波长在可见或红外光区域。与普通发光二极管相比较，红外发光二极管的穿透能力比可见光二极管强，而且受灰尘的影响程度比可见光二极管小。 激光二极管是受激辐射式发光器件，发光强度大，光线的单色性好，会聚性好，是一种理想的光源。与激光二极管相比，尽管红外发光二极管在单色性、方吉林农业大学本科毕业设计 13 向性、亮度等方面都比激光二极管差，但红外 LED 却有其独特的优越性：驱动电路简单，可在很宽的温度范围工作，器件寿命比 LD寿命长 1-2个数量级。评估发光器件的重要参数除了它的发光效率以外， 温度系数也很重要。温度升高后，射出的光辐射强度将下降，尤其是激光二极管下降比较剧烈，而且激射波长也会有所偏移。同时，红外发光二极管要比激光二极管便宜得多。 因此，本设计选用红外发光二极管作为光电传感器光源。 红外发光二极管的封装有透镜式和平头式，透镜式具有聚光作用，可以使发射光束集中，具有一定的指向性，故常见的以透镜式封装形式居多。 红外 LED 发出的光波波长与所用材料禁带宽度 EG有关，之间的关系可以用下式来描述： GE24.1 (公式 1) 其中，砷化镓材料的禁带宽度GE 1.43eV，所以砷化镓红外发光二极管的发光波长 =0.89 m，为不可见的近红外光。而且，用砷化镓材料制成的红外LED 的发光效率较高，可达 93%，响应时间一般为 ；最高工作频率为几十 MHz。 红外发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，对于砷化镓红外发光二极管其正向压降在 1V-2V 之间，小功率管不大于 1.3V，使用时驱动电源电压的数值应大于其正向压降，其反向击穿电压不得超过 5V。另外，红外发光二极管的指向性在球面透镜封装时较强，在偏离直线发射中心线 100 的位置，发射光 强只有 时的 50%，因此使用时需注意安装角度 13。 由于一般输种管的直径在 26-40mm 之间（一般取 30mm），而光电传感器的发光二极管和光敏二极管的直径约为 5mm，一对传感器不能满足检测到所有通过种子的要求，将 4对传感器水平均匀安 装在输种管上组成传感器组，其检测范围能覆盖整个输种管。 3.1.1.3 常用受光器件的选择 常用受光器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及硅光电池等，其主要特性见表 3-1。从表中可以看出，红外光敏二极管具有线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低，小型 轻量以及耐振动与冲击等优点，它的频率特性是半导体光电器件中最好的一种。 光敏三极管较光敏二极管的光电流大，灵敏度高，但暗电流和温度特性等都小于后者，而且频率特性还受到负载电阻的影响，响应速度较慢。 光电池属于 PN 结光伏探测器，其结构就是大面积的 PN结，极间电容大，因此频率特性较差。虽然受光面积大，但是响应速度却较慢，价格也比光敏二极管吉林农业大学本科毕业设计 14 昂贵。而且种子的粒径小，通过硅光电池产生的电压变化很小，容易受杂散日光背景的影响，信 号对比度不高。 表 3-6 常用受光器件特性比较 Table 3-6 The comparing of characteristic for receiving apparatus 器件种类 Apparatus species 光灵敏范围 Arrange of optical sensitivity 峰值电压 Peak value of wave 受光面积 Area covered light 时间常数 Time paramter 红外光敏二级管 0.7-1.1us 0.88-0.95us 小 610 s- 710 s 光敏三极管 0.4-1.1us 0.9us 小 510 s 硅光电池 0.4-1.2us 0.85us 任选 410 - 510 s 光敏电阻 0.38-0.8us 0.64us 大 ms-s 光敏电阻灵敏度高，允许的光电流大，体积小，寿命长。但不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数，因而它们的频率特性也就各不相同，并且响应时间长，成本较高 14。 因此， 本设计选用光敏二极管作为受光器件。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。随着光照的增强，反向电流（光电流）增大，其光电流I与照度之间呈线性关系 。 3.1.1.4 光电检测 电路设计 根据以上分析 ，本检测电路选用红外光敏二极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管，对播种机下种情况进行监测，以下是一对光电二极管电路图的设计，如图 3-7 所示。 吉林农业大学本科毕业设计 15 R2100D4Q5N PNR3 3KR33KD3LEDVC CQ5N PNR42KP13VC CD1LEDQ3N PNVC CD4D4R4 3KD3LEDR5 3KD2VC CD3LEDQ5N PN图 3-7光电二级管电路 Fig 3-7 The circuit of LED and photosensitive diode 考虑到实际环境中的尘土、雨水、机械振动等不良因素，在传感器方面 并将4对 近红外线 LED 管模压在矩形的塑料壳内， 通过密封 做成 漏播传感 器 以 达到防水的目的。 该 传感 器采用红外管缩进式：即 中心为空心，种子从中间通过， 与种子无近距离接触 ，又可达到防尘得目的 。 其构造如图 如图 3-8 所示， 种子从中间通过。空心长边两侧各钻有两排共 4个圆孔，一侧在 安装 红外发光二级 管，另一侧安装红外光敏二级 管； 组成 光电回路。 当 LED 管 有种子通过时，近 红外线光被部分阻挡，光敏二极管 电阻 较大，电阻分压， 集电极到发射极激发的电流减小，输出电压很 低 。 当 没有种子通过时，光敏二级管接收到 红外发光二级 管发出的全部近红外线， 其电阻很小， 在集电极与发射极间产生最大电流， 输出电压很高，由于电路中将 4 组输出直接接在一起，实现了线与，所以 4 对 LED 管 任意一组管 输出 低电平，则说明有种子通过；当输出高电平说明漏播。并将该电压 送到单片机的 I/O 输入端。 吉林农业大学本科毕业设计 16 图 3-8 传感器系统结构图 Fig 3-8 The sketch map of sensors system 3.1.2 测速器及漏播监测启动器 设计 本系统巧妙的运用一个光 遮断器担当测速器及漏播监测启动器，该部件由一个圆形黑色定位盘与 播种轮盘配合使用，如图 3-9 所示。种子株距由播种机播种轮盘决定，每株种子落下都会给出一个信号，通过计算，在当前种子和后一种子落下间 漏播监测器都未检测到种子视为漏播。另外根据株距和两株种子落下时 间可以计算主播种系统中排种器播种盘的转速，经过系统分析计算可为 播种系统提供准确的下落地点。 图 3-9 光遮断器原理 Fig 3-9 Light Breaker Schematic Diagram 吉林农业大学本科毕业设计 17 3.1.3 数据存储模块设计 采用 CAT24WC01 芯片；该模块可实现对播种量数据的存储，为计算总产量奠定可靠数据。 模块电路如图 3-10 U4C AT 24W C 01123567A0A1A2SD ASC LWPP31R 12200VC CVC CR 11200P30图 3-10 数据存储模块电路 Fig 3-10 The modular circuit of data storage CAT24WC01 简介 15 1)特性 *与 400KHz 2I C 总线兼容 *1.8 到 6.0 伏工作电压范围 *低功耗 CMOS 技术 *写保护功能当 WP 为高电平时 进入写保护状态 *页写缓冲器 *自定时擦写周期 *1,000,000 编程 /擦除周期 *可保存数据 100 年 *8 脚 DIP SOIC 或 TSSOP 封装 2)概述 CAT24WC01 是一个 1K 位串行 CMOS 2E PROM， 内部含有 128 个 8 位字节，CATALYST 公司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗， CAT24WC01 有一个 8 字节页写缓冲器 ，该器件通过 2I C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。 表 3-11 CAT24WC01引脚功能 Table 3-11 The footprint function of CAT24WC01 管脚名称： 功能： A0， A1， A2 器件地址选择 SDA 串行数据 /地址 SCL 串行时钟 WP 写保护 VCC 1.8 6.0V VSS 地 吉林农业大学本科毕业设计 18 图 3-12 CAT24WC01 内部原理图 Fig 3-12 Internal schematic diagram of CAT24WC01 (1)极限参数： 工作温度：工业极： -55 +125 商业极： 0 +75 贮存温度： -65 150 各管脚承受电压： -2.0V +2.0V VCC管脚承受电压： -2.0V +7.0V 封装功率损耗：（ T=25）： 1W 焊接温度（ 10秒）： 300 输出短路电流： 100mA (2)功能描述 CAT24WC01 支持 2I C 总线数据传送协议， 2I C 总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行 时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端 A0, A1 和 A2 可以实现将最多 8 个 24WC01 器件连接到总线上。 吉林农业大学本科毕业设计 19 (3)管脚描述 SCL： 串行时钟 CAT24WC01 串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚。 SDA： 串行数据 /地址 CAT24WC01/02/04/08/16 双向串行数据 /地址管脚用于器件所有数据的发送或接收， SDA 是一个开漏输出管脚，可与其它开漏输出或 集电极开路输出进行线或（ wire-OR）。 这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，这些脚悬空时默认值为 0（ 24WC01 除外）。 当使用 24WC01 时最大可级联 8 个器件，如果只有一个 24WC01 被总线寻址这三个地址输入脚（ A0, A1 ,A2） 必须连接到 Vss。 WP： 写保护 如果 WP 管脚连接到 Vcc， 所有的内容都被写保护（只能读）。当 WP 管脚连接到 Vss 或悬空，允许器件进行正常的读 /写操作。 (4) 2I C总线协议 2I C总线协议定义 下： 1 只有在总线空闲时才允许启动数据传送 。 2 在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变。时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。 起始信号： 时钟线保持高电平期间数据线电平从高到低的跳变作为 2I C 总线的起始信号。 停止信号： 时钟线保持高电平期间数据线电平从低到高的跳变作为 2I C 总线的停止信号 。 3.1.4 显示系统 在单片机 系统中，常用的显示器有发光二极管显示器，简称 LED（包括 LED发光二极管、 LED 七段显示器、 LED 十六段显示器及 LED 点阵显示模块），液晶显示器，简称 LCD，荧光管显示器等。由于液晶显示系统价格便宜，与单片机接口简单，所以在单片机系统中得到了广泛应用。本设计采用液晶显示器。 液晶显示器 (LCD)简介 16： 吉林农业大学本科毕业设计 20 图 3-13液晶显示器 Fig 3-13 The picture of LCD (1)主要技术参数 ： 显示容量： 16 2个字符 芯片工作电压： 4.5 5.5V 工作电流： 2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压： 5.0V 字符尺寸： 2.95 4.35（ W H） mm 表 3-14液晶显示器引脚功能 Tab 3-14 The footprint function of LCD 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VCC 电源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 电源正极 10 D3 Data I/O 3 VL 液晶显示偏压信号 11 D4 Data I/O 4 RS 数据 /命令选择端 12 D5 Data I/O 5 R/W 读 /写选择端（ H/L） 13 D6 Data I/O 6 E 使能信号 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正极 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源负极 (2)其它功能介绍 ：图 3-15 STC89C51 芯片与液晶显示器 连接方式 Fig 3-15 The mouth connection mode between LCDand STC89C51 吉林农业大学本科毕业设计 21 3.1.5 无线 收发模块 图 3-16 发射模块 图 Fig 3-16 The chart of launch module 三个引脚： 依次为 DATA VCC GND 图 3-17 接收模块 图 Fig 3-17 The chart of receive module 三个引脚： 依次 VCC,DATA,GND 主要应用于报警信号的传递，采用 DF 数据模块 ，价格低廉。 主要技术指标： 1通讯方式：调幅 AM 2工作频率： 315MHZ 3频率稳定度： 75KHZ 4发射功率： 500MW 5静态电流： 0.1UA 6发射电流： 3 50MA 7工作电压： DC 3 12V DF数据模块的工作频率为 315M，采用声表谐振器 SAW 稳频，频率稳定度极高。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度次于晶体，而一般的 LC 振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。 DF数据模块具有 较宽的工作电压范围 3 12V，当电压变化时发射频率基本不变 ,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当电压 5V 时约100 200 米，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约 60 毫安，发射功率约 300 毫瓦。这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。 DF数据模块采用 ASK 方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与 DF 发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦吉林农业大学本科毕业设计 22 合，否则 DF 发射模块将不能正常工作。数据电平应接近 DF 数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果 17。 DF超再生接收模块的等效电路图如 3-18所示。 T X D1E1AN TL22. 5T12C27PR23. 9kC17PQ12SC 3357R25. 6kGN DR 315SAWL14. 5T12VC CQ28050图 3-18 无线模块原理图 Fig 3-18 Wireless Module Schematic Diagram 3.2 无线语音 报警 系统 设计 安装于驾驶室内的 无线 语音报警系统， 主要监测无线报警信号 ，并以语音和LED 闪动形式通知操作者，语音部分可以采用扬声器或耳机 。由于该系统功能简单，所以 选用 89C2051 单片机 。通过无线接收模块将信号送入单片机。 LED 报警显示 采 用 LED 发光二极管，成本低。而语音报警模块电路如图 3-19： C4104Q19013VC C U2R X D -0316246810121413579111315R5200kVC CR65kVC CLS1SPEAKERP37图 3-19 语音报警系统原理图 图 3-19 The system of speaker Schematic Diagram 吉林农业大学本科毕业设计 23 STC89C2051简介： U189C 20512468101214161820135791113151719图 3-20 STC89C2051 引脚图 Fig 3-20 The footprint of STC89C2051 该芯片为非总线型 DIP20引脚封装，各引脚功能与 STC89C51相似。 4 监测系统软件设计 4.1 软件系统编译语言选择 监测系统软件的功能是协调好单片机内部资源和外接电路的工作，软件设计的主要任务是使单片机及外围器件按程序设 计的功能动作，以满足系统的要求。C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。 C 语言具有较高的可移植性，有丰富的库函数，运算速度快，编译效率高，且可以直接实现对系统硬件的控制。它具有完善的模块程序结构，在软件开发中可以采用模块化程序设计方法。用 C 语言进行程序设计大大的缩短了开发周期，并且程序可读性强，便于扩充。 所以本系统程序设计采用专门用于 51 系列单片机编程的 C语言 编写，编程方法采用模块化程序设计的方法，其中心思想是把一个复杂的应用程序按整体功能划分为若干相对独立的程序 模块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后再进行综合调试。 4.2 软件系统的程序设计方案 程序设计步骤是首先根据系统的总任务和控制对象的数学模型画出程序的总体框图，以描述程序的总体结构。在总体框图的基础上，结合数学模型确立各子任务的具体算法和步骤，演化成计算机能处理的形式，然后画出子模块的所有流程图。子模块程序流程图绘成后，统筹安排全局性问题，对程序进行静态检查。静态检查采用自上而下的方法，排除程序中潜在的一些隐患和错误。然后再上机调试程序，程序的设计调试包括分块调试和系统联调两个阶段。 本监测系统中，按 程序完成的功能主要分为 5 个程序模块。 吉林农业大学本科毕业设计 24 (1)传感器测试电路对播种机各性能指标的采集； (2)对声光报警电路的实现； (3)数据存储模块的实现； (4)播种机启动电路实现监测； (5)对播种机各性能指标的实时显示。 在程序设计时，将整个程序分为几个功能模块实现。主要包括主程序、播种机各性能指标测量子程序 (包括播种量测量子程序、排种速度测量子程序、播种面积子程序 )、声光报警子程序、显示子程序。 4.2.1 程序设计 软件主程序的功能是对单片机及其它芯片的工作状态进行初始化，同时组织调用各子程序，按预定要求完成控制 功能。程序具体功能包括： (1)对单片机及其它芯片进行初始化。 (2)调用各性能指标测量子程序。将由光电传感器得到的播种量信息 ， 送入单片机，主程序通过调用这些子程序即得到播种机的各性能参数。 (3)在播种作业时，当出现漏种或输种管堵塞故障时，调用声光报警子程序。 (4)将各性能指标显示在 LCD显示器上供驾驶员参考。将性能指标显示设计成显示 子程序，主程序调用显示子程序即可显示各性能参数。各 程序流程图见附录。 4.3 软件调试 为了便于程序的调用和程序的调试，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简 洁明了，使硬件在软件控制下协调运作。 软件调试步骤： （ 1）监测模块程序调试 （ 2）液晶显示模块的程序调试 （ 3）无线收发模块的程序调试 （ 4） 数据存储模块的实现； （ 5）声光报警模块的程序调试 （ 6）主程序调试 5 系统的抗干扰设计 单片机工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题，干扰一般并不造成应用系统的损坏，但会使运行失常。单片机系统主要应用于实际的生产过程中，承担的任务大且不允许执行程序出错，吉林农业大学本科毕业设计 25 否则就会产生严重后果，干扰产生的危害有以下几点： (1)数据 采集的可靠性降低。干扰进入单片机系统输入通道，并迭加在输入信号上，数据采集的误差加大，使数据采集的可靠性降低。 (2)数据出错。干扰会造成在单片机系统 RAM 中的数据被改写，尽管程序代码和常数一般放在 ROM 中，但是，数据是通过随机存储器进行读写的，易受外来干扰而造成数据出错。 (3）程序出错。单片机系统受到干扰时，程序计数器 PC 的值可能被改变。CPU 取指令过程是先取操作码，再取操作数。当 PC 受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“跑飞”，当“飞”到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序 将出错，可能进入毫无意义的死循环。若“飞”到了三字节指令，出错的机率更大。 因此，为了保证系统能在实际应用中连续、可靠的工作，必须要周密考虑和解决抗干扰问题。大多数情况下，系统失效的原因都是干扰造成的。干扰信号主要通过三个途径侵入微机系统内部：即电磁感应、传输通道和电源线。对电磁感应干扰可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。所以抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。针对该监测系统的特点，在硬、软件方面都应采取相应有效的具体措施来抑制干扰，保证监测系统可靠工作。 5.1 硬件抗干扰 硬件 抗干扰一般考虑以下几点： (1)正确设计电源电路。单片机所用电源一般来自于非稳定的供电系统，可能含有纹波和高次谐波，因此要从源头消除干扰信号。一般可采用稳压滤波电路加以消除。 (2)合理布置电源线。除了要根据电流的大小，尽量加粗导体宽度外，电源线、地线的走向尽量与数据传递方向一致，这样将有助于增强抗噪声