精密播种机终端及监控系统设计

曹学自 李军伟 王培金 高松

摘  要： 针对目前机械式播种机性能的不足，设计一款智能精密播种机及其监控系统。基于拖拉机整机控制器和精密播种机终端以及监控系统组成的CAN总线通信网络，实现拖拉机整机运行信息和播种机播种信息的共享与交互。设计精密播种机终端的硬件电路并进行该系统控制算法的研究。设计开发的精密播种机的监控系统，使得拖拉机整机运行信息以及播种机在进行播种作业时的各种信息得到及时显示和监控，提高播种机的工作效率以及整机智能化水平。

关键词： 监控系统; 智能精密播种机; 信息显示; 硬件设计; 终端设计; 数据处理

中图分类号： TN948.64?34; S223.2; TP277              文献标识码： A            文章编号： 1004?373X（2019）20?0017?04

Design of intelligent precision seeder terminal and monitoring system

CAO Xuezi， LI Junwei， WANG Peijin， GAO Song

（School of Traffic & Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China）

Abstract： In allusion to the performance?hungry problem existing in mechanical seeder， an intelligent precision seeder and its monitoring system are designed. The sharing and interaction of the whole tractor running information and the sowing information of the seeder are realized based on the CAN?bus communication network composed of the tractor complete machine controller， the precision seeder terminal and the monitoring system. The hardware circuit of the precision seeder terminal is designed and the control algorithm of the system is studied in this paper. The design and development of the precision seeder monitoring system can make the running information of the whole tractor and all kinds of information in the seeding operation process of the seeder displayed and monitored in time， which improves the working efficiency and the intelligence level of the seeder.

Keywords： monitoring system; intelligent precision seeder;  information display; hardware design; terminal design; data processing

0  引  言

我国作为传统的人口大国和農业大国，农业的发展是我国粮食安全的根本保证，农业机械化水平的提高对农业的发展起着至关重要的作用[1]。由于机械制造水平以及电子科技发展水平的限制，导致我国在农业智能化技术方面起步较晚，落后于发达国家[2]。传统的拖拉机过于依靠人力，并且操作复杂，不仅使驾驶员劳动负担加大，而且效率也很低。随着科技水平的发展以及人民生活水平的提高，智能拖拉机越来越成为农业发展的主流，这也就促使了智能播种机的产生。

智能播种机在播种作业时系统工作是全封闭的，人们无法观测具体的作业状况，所以就需要将播种机的实时作业状态和作业信息采集并显示出来，供驾驶员了解并掌握播种时的关键信息以便及时进行操控。

本文开发的智能播种机及其监控系统的特点是：播种机在工作过程中，工作状态依靠驾驶室内终端显示屏显示，该显示屏显示的数据来源于与播种机控制器连接的传感器和整机控制器（VCU）。播种机的传感器主要提供播种机在播种过程中自身的状态信息，整机控制器主要提供拖拉机整机运行时的状态信息。

1  播种机监控系统组成

播种机监控系统主要由播种机终端控制器、显示屏控制终端以及附加传感器组成。播种终端需要的供电电压为5 V，所以需要对12 V电源电压进行降压处理，得到5 V稳压电源。该播种机监控系统主要通过显示屏对播种面积、行驶速度、播种量、发动机转速、PTO接合状态、电瓶电压、行驶方向以及漏播漏肥报警等信息进行显示处理。播种机的信息来源不仅来源于与自身连接的传感器，还通过CAN总线接收VCU发送过来的数据，并通过CAN总线将得到的数据发往显示屏。具体播种机的监控系统结构如图1所示。

图1  监控系统组成结构

2  播种机终端硬件设计

2.1  播种机终端硬件结构

智能播种机终端核心为MC9S12XEP100单片机，单片机与周围硬件电路配合，能够让该系统与外部进行实时信息交互，提高该监控系统工作效率。播种机终端硬件框图如图2所示。

图2  播种机终端硬件框图

播种机对播种量及施肥状态的数据采集来源于传感器，本文设计时选用激光传感器作为检测的传感器，传感器与单片机通过处理电路连接，可以根据采集到的波形对传感器的数据进行处理，并将处理的结果通过报警和灯光指示装置电路反馈到报警装置和灯光指示装置。播种机需要的其他数据，如车速、发动机转速等来源于VCU，播种机通过CAN总线与VCU通信来得到车辆在播种作业时的实时信息。电源电路用于单片机的供电，保证系统正常运行，中断与定时系统用于对传感器信号的处理。最后，播种机将处理后的数据通过CAN总线发往显示屏。

2.2  播种机终端硬件电路设计

2.2.1  电源电路

在该监控系统中，单片机需要的供电电压为5 V，蓄电池电源提供12 V电压，所以需要一个电压转换电路将12 V电压转换成5 V电压给单片机供电。图3为电源电路图。电路左端为起始端，端口处连接一个整流二极管D9，可以阻挡电流中混杂的交流电。SM8S33AHE为瞬态抑制二极管D2，简称TVS，它是一种二极管形式的高效能保护器件，可以吸收二极管两极间的瞬态高能量，将两极电压箝稳定在一个安全值，可以保护电路中的精密元器件[3]。电感L1和电容C9并联成LC滤波电路，其作用是隔离负载与电源的噪声。TPS5430是电压转换芯片，其输出电压由R11和R12决定，本文将R11设计为10 kΩ，R12设计为3.24 kΩ，可以将12 V电压转换成5 V电压输出。

图3  电源电路图

2.2.2  CAN总线接口电路

图4为CAN总线接口电路，包括CAN总线收发器（TLE6250G）以及CAN共模抑制器（ZJYS81）。在CAN_H和CAN_L与地之间并联了一个47 pF的电容C64，可以过滤掉CAN总线上的高频干扰信号，同时在CAN_H和CAN_L与地之间加了一个双向瞬态抑制二极管D42，可以抑制总线上的瞬变电压[4]。R63和R59构成CAN总线的终端电阻。

图4  CAN总线通信硬件接口电路

2.2.3  播种和施肥检测传感器与单片机接口电路

本文在设计时，采用激光传感器对播种与施肥进行检测，电路图如图5所示。传感器工作时，单片机通过in端输出高电平信号，三极管导通，激光发射管D2发出光束;激光接收管D6收到激光发射管发出的激光后，三极管Q5导通，工作指示灯D5点亮，单片机通过out端采集到传感器发出的电平信号，当正常施肥或者播种时，种子或者肥料会阻挡激光发射管发出的光束并使单片机接收的电平信号产生变化[5]。

图5  传感器与单片机接口电路

3  数据计算与处理

3.1  播种机播种量计算

本设计中，播种机的播种量由激光传感器测量。激光传感器能实现无接触远距离测量，具有速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等特点[6]。播种机在播种时，种子通过激光传感器会遮挡激光发射管发出的光束，激光传感器向单片机输出高电平。如果没有种子经过，那么传感器输出端向单片机输出低电平。单片机接收到传感器输出的电平值，如果接收到高電平，就会触发定时器输入捕捉中断，在中断中设置一个变量，每次进入中断就会使变量的值累加，变量的值就是播种量，然后单片机再将播种量发送到显示屏上显示[7?8]。

3.2  播种机漏播及肥料堵塞报警处理

播种机在正常播种过程中，播种与施肥是同步的，并且都由激光传感器检测是否出现播种故障。当正常播种时，播种机采集的传感器的波形为规律的方波。单片机捕捉到方波上升沿触发中断时，通过CAN总线发出数据报文，点亮播种及施肥指示灯，当单片机捕捉到方波下降沿时，让播种和施肥指示灯熄灭，并且计时器对高电平时间进行计时。理论上指示灯光处于闪烁状态，实际上由于波形变化频率过快，使得灯光闪烁过快，人眼察觉不到灯光的闪烁，所以给人以指示灯常亮状态的现象。

当发生漏播或者肥料堵塞时，播种机在一段时间捕捉不到上升沿，使得单片机捕捉到的波形一直处于低电平状态，同时，显示屏操作界面收到播种机终端传输过来的报文数据让播种指示灯和施肥指示灯熄灭，然后单片机定时器对传感器信号处于低电平的时间进行计时，如果这段时间内播种机行驶距离大于1.5倍的株距，播种机就会触发报警功能，让蜂鸣器报警[9?10]。报警检测的判定关系式为：

式中：v为播种机行驶速度（单位：km/h）;t为播种机漏播或者肥料堵塞时单片机定时器定时时间（单位：s）;h为当前播种作业状态下播种机设置的株距（单位：cm）。

3.3  播种面积计算

播种机在播种作业时，播种机的幅宽是固定的，所以播种机的播种面积与车速和播种时间有关，即播种面积为：

式中：s为播种面积（单位：m2）;v为播种机行驶速度（单位：km/h）;t为播种机工作时间（单位：s）;l为播种机幅宽（单位：m）。

4  监控终端设计

本文设计的操作面板集多种功能于一体，配有电源（ON/OFF）、暂停以及键盘和其他操作按钮。电源按钮可以控制面板的开关，并且重复按下可以对开关状态进行切换。播种机在拐弯或者掉头时可以按下暂停按钮让操作面板暂停工作。面板绿色区域可以对播种机正常作业过程中有关株距、行距、播种量、播种面积等信息进行显示。操作面板M键可以弹出菜单，利用方向键以及数字键进行各种参数设置，例如报警预定值、播种株距和播种行距等，DEL为删除和退出键。

该面板左侧设有发动机转速显示仪表、车辆行驶里程和行驶速度的指示窗口。播种机在进行播种作业时，播种机终端可以提取VCU发送过来的报文数据，对发动机转速、车辆里程和车速进行显示。此外，还可以通过“前进”指示灯和 “后退”指示灯以及“PTO”指示灯指示播种机的行驶方向以及PTO的接合状态。界面上的“播种”指示灯和“施肥”指示灯用来显示播种机播种和施肥时的工作状态。该操作面板还有“报警”提示功能，当发生种子漏播以及肥料堵塞时，操作面板的“播种”指示灯以及“施肥”指示灯会熄灭，同时右上角的蜂鸣器进行报警，报警音量可以通过M键弹出菜单进行设定。

图6为终端显示屏界面在运行时显示的播种机作业时的状态信息。

首先按下ON/OFF按钮启动操作界面，同时“电源”指示灯亮。播种机工作时，播种机终端将VCU发送过来的报文数据以及从传感器接收的播种和施肥的信息通过CAN总线转发给显示屏操作界面给予显示。由报文数据可以得到此时发动机转速为1 235 r/min，车辆行驶里程为824 547.13 m，行驶车速为21.5 km/h，并根据面积计算公式得到播种机在工作100 s时的播种面积为7 746.19 m2，播种量为3 021粒，同时点亮“播种”和“施肥”指示灯。播种机在工作状态下，PTO接合，并且车辆向前行驶，显示屏点亮“PTO”指示灯和“前进”指示灯。播种机的行距与株距通过M按钮弹出设置界面进行设置，在播種过程中为一个定值。按下暂停按钮后，显示屏操作界面暂停工作，维持当前界面的显示状态并且“暂停”指示灯亮。

图6  操作面板运行验证示意图

由运行结果可以看到，本文设计的人机界面能够配合CAN网络将需要的数据完美显示，使得驾驶员能够及时掌握播种机的实时信息，本文对整个监控系统的设计符合设计要求。

5  结  语

本文设计的智能精密播种机终端及监控系统摆脱了传统机械式播种机的不足，使得播种机作业时的信息能够及时捕捉并进行监控。播种机在进行播种作业时的实时信息通过构建的拖拉机整机控制器、播种机终端以及监控系统间的CAN总线通信网络进行传输。以CAN总线为基础的数据信息传输模式更加具有实时性，抗干扰能力更强，保证了播种机在进行播种作业时信息的实时性与有效性。播种机终端以及监控系统中各个模块电路相互配合，再加上以CAN总线为基础的数据信息传输模式使得整个播种机监控系统效率更高，功能更加全面，驾驶员能够全面掌握播种机的实时信息，让人机交互更加完善，弥补了传统机械式播种机性能的局限。

注：本文通讯作者为李军伟。

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