基于STC89C51单片机的播种性能检测系统研究

刘 琳

（辽宁省农业机械化研究所，沈阳 110161）

播种机械是现代农业生产中不可或缺的重要设备[1]，排种器是其主要部件，决定排种质量。在传统播种作业过程中，操作人员无法精确掌握排种量、播种合格率、株距等数据，也难以发现种子漏播、重播等问题。播种是农业生产过程中的基本环节，播种质量的优劣是出苗、保苗和增产的前提，高效精准检测排种器作业性能成为保障播种质量的技术关键。近年来，计算机技术的不断发展为播种性能检测提供了技术支持。设计一种基于STC89C51单片机的播种性能检测系统，利用光电检测技术实现以上功能，以确保播种质量。

1 播种性能检测系统设计

1.1 硬件设计

播种性能检测系统包括中央处理器、复位电路、时钟电路、检测电路、显示电路、报警电路、电源电路等功能模块。中央处理器选择STC89C51 单片机，这是一种低功耗、高性能的8 位CMOS 控制器，具有8K 系统可编程序Flash 存储器，其组成的电路结构简单、运行稳定、成本低廉。检测电路选择红外光电传感器，采用编码和解码技术，可最大限度地解决自然光线干扰问题，具有可靠性高、工作稳定性好的特点。其他外围电路选择与单片机相匹配的元器件即可。

1.2 软件设计

单片机设计编程选用keil 作为开发环境，运用C语言执行软件编程。工作程序流程图如图1所示。

图1 工作程序流程图Figure 1 Flowchart of the working procedure

工作过程为：单片机上电，系统初始化，同时对光电传感器系统供电，光电传感器系统工作，将光信号转换为电信号，输送给单片机识别。经单片机处理后得到的实际播种量与预设的播种量进行比较，如果超出预设的允许误差范围，则输出信号给光电报警装置报警，同时显示播种情况。播种机单位时间行进的距离信号和播种情况经单片机处理后转化为直观的株距，经数字显示模块显示。

1.3 工作原理

机具工作时，如果光电检测电路没有检测到种子下落或检测到连续多粒种子下落，则不符合预设程序，此时单片机输出信号给显示电路，显示实际播种情况并储存。当预设株距长度内没有落种或连续出现多粒落种时，也不符合预设程序，此时单片机判定出现问题，给报警装置输出信号，报警装置进行声光警报。

机具作业速度由安装在播种机地轮处的光电检测电路提供，通过单片机换算，得出机具工作速度。播种株距为机具工作速度与相邻两次排种下落时间差的乘积。通过单片机编程将预设株距与实际计算株距相比较，当实际株距不符合预设株距范围时，单片机向报警装置输出信号，报警器报警提醒驾驶员并实时显示工作情况。

2 主要零部件设计

2.1 光电检测电路

为避免伤种和干扰种子下落，光电检测电路采用无接触式光电传感器。红外发射接收是利用红外线进行传递信息的一种控制方式，其电路简单，容易实现编码和解码，功耗小、成本低，具有较强抗干扰能力。电路主要由调制、发射、接收和电压比较电路构成，如图2所示。设计所选用的红外发光二极管平均有效探测距离0～30 cm 可调，具有良好的抗外界光干扰能力，日光下可正常工作，能保证检测需求。

图2 光线检测电路构成Figure 2 Composition of light detection circuit

排种检测电路由安装在导种管下的红外发射管、红外接收器和相关电路组成。排种器排出的种子在下落过程中会划过红外发射管和接收器组成的光幕，遮断光线，使红外接收二极管失去信号，从而检测到种子下落和粒数。经电压比较器后，将信号输送给单片机系统进行统计计算[2]。如果在程序规定时间内光幕没有被遮蔽，则与单片机连接的检测电路及相关端口也会发生电平变化，此时单片机按程序将工作指令发送给报警电路报警。这种设计的目的是避免偶发性缺种造成频繁报警。

对机具前进速度的检测，由光电检测电路完成。该电路由拖拉机轮胎腹板和平行放置的发射器和接收器组成。机具作业时，拖拉机轮胎转动，轮胎腹板上的辐条及孔眼结构会反射红外发射管发射的光线，红外接收器接收到这些断续的信号后，由电压比较器将信号输送给单片机系统，从而计算出机具的前进速度，同时，单片机系统还会计算出排种器的性能指标。

2.2 单片机模块

STC89C51 单片机是高性能、低功耗的8 位微处理器，具有RISC结构，内部集成2个16位定时器／计数器和5个微型计算机（两个优先级中断源的一种控制芯片）。STC89C51 单片机系统包括晶振、存储器、地址锁存器、逻辑门、七段译码器（显示器）、按钮（类似键盘）、扩展芯片、接口等，共有40 个引脚，其作用可分为电源、时钟、控制和I/O引脚四大类。引脚及功能如图3所示。

图3 STC89C51单片机引脚功能图Figure 3 Pin function diagram of STC89C5l SCM

2.3 键盘按键模块

键盘系统主要用于检测系统所需工作指令和工作参数的输入，设有16 个按键，分别是启动键、暂停键、播种误差设置键、总播量显示键、清零键、复位键等。由于STC89C51 单片机端口数的限制，按键模块设有三路独立的输入按键，直接接到单片机的P1.0，P1.1，P1.2 端口，用于手动与自动之间的切换。P1.0键为自动与手动模式切换按键，常闭时为自动模式，强制断开时为手动模式，主要在清种时使用。P1.1，P1.2连接的按键用于强制运转。

2.4 显示与报警电路

显示装置选用迪文DMG80600C080-01W型号触摸显示屏，采用M600内核，功能完善，电路结构简单，仅需4 条数据线与单片机连接即可完成数据传输与显示。该装置内部自带串口电平转换电路，系统抗干扰能力强[3]。显示装置自带操作指令软件系统，终端显示是基于图形界面进行操作的，图形界面开发与软硬件开发同时进行，应用简单。

警报装置由蜂鸣器和报警灯组成，由开关三极管控制。当出现漏播或重播现象时，单片机向报警装置发出指令，蜂鸣器会发出持续的声响，同时报警灯闪亮，提醒操作员排除故障。

2.5 系统供电电路

检测系统电源由拖拉机蓄电池提供，由拖拉机蓄电池、开关K、熔断器FU、隔离二极管D、滤波电容器C1，C2，C3，C4、三端稳压集成电路IC7805、保险电阻R1、限流电阻器R2 和电源指示发光组成。如图4所示。

图4 电源电路原理图Figure 4 Schematic diagram of the power supply circuit

该电路经开关K、熔断器FU、滤波电容器C1 及C2、隔离二极管D，与拖拉机蓄电池12 V电源隔离，使其变成稳定的12 V 电源，再通过三端稳压集成电路IC7805 降压稳压、滤波，变成系统稳定的5 V 直流电源，从而为单片机及其他逻辑单元供电。

3 试验效果

基于STC89C51 单片机的播种性能检测系统于2022 年4 月安装在辽宁省农业机械化研究所播种试验台上进行试验，结果表明：该系统具备排种量、播种合格率、株距等多项检测功能，出现漏播或重播现象时能及时有效识别报警，具有电路简单、成本较低、检测准确、稳定性高等优势。鉴于该系统仅在试验室内进行了初步试验，有待在应用实践中加以充分验证和优化设计，使其具备实际应用价值。