基于单片机的玉米补种系统设计

张亚芳　许光彬

摘要：通过对玉米播种机的实际生产过程进行研究，发现玉米播种机在播种过程中会出现漏种以及卡机的现象，导致播种的质量无法得到有效保障。为了在玉米播种过程中有效地进行播种量检测和及时补种，开发了基于单片机的玉米补种系统。该系统采用STC89C51单片机作为控制核心，通过安装传感器检测车轮行进状态和玉米播种状态，在发现异常后通过步进电机驱动器电路驱动步进电机转动一格补种槽的角度，进行玉米的补种，避免了后期人力进行检查以及补种，提高了生产效率。测试结果表明，系统的准确性和稳定性能满足设计需求。

关键词：补种，单片机，自动化

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1674-9545（2023）03-0076-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.015

玉米是世界上分布最广泛的粮食作物之一，在我国各地均有栽培。玉米的播种方式从最初的人工点播发展到用机械播种，工作效率显著提高，也更加适用于大面积种植。随着科学技术的进步，精密播种成为当前玉米播种技术的主要方式，实现了对播种量和株距的精确控制，具有节省种子提高产量的优点。在免耕且有秸秆覆盖的地表施肥播种时，在免耕覆盖地上使用时，其滑移率在20%以上，造成不排种肥不均匀或者排种不畅的问题。随着国家对精密播种技术的推广力度不断加大，科研工作人员对精密播种中的电子监控技术进行研发。由于监控系统不够成熟，而且无法保证系统工作的可靠性，加之新技术成本太高，因此研究主要局限在监控器的研究和试验上，在实际使用中没有得到很多的推广^[1]。精密播种的特点是单粒播种，具有省种的优点，但是实际播种过程中容易造成实际播量与最优播量的误差，主要原因是播量分布不均匀、漏播的现象，从而对产量造成影响^[2]。目前，国内外对漏播补偿进行相关研究并研制了精密播种机排种器自动监控系统，实现了对精密播种机的漏播情况进行报警、计数等方面的监控^[3]，但只能对漏播、少播实现监控，整机不能解决其他因素（例如：地况）及时协同其他机构进行有效补偿。该设计通过对玉米播种问题的影响因素分析，采用自动控制原理的学科知识，结合单片机控制原理和电机控制原理，通过在车轮上加装光栅码盘，配合光电计数开关传感器，实时采集车辆行驶的速度。然后在玉米下料导轨槽上增加红外计数检测开关，用来判断检测时间点是否有玉米粒通过，在发现异常后通过步进电机驱动器电路驱动步进电机转动一格补种槽的角度，进行玉米的补种^[4]。实现在玉米播种机出现异常或未合理播种的情况下进行有效检测，并进行补种的操作。该设计的玉米补种系统，能够有效地提高玉米播种质量，减少不必要的人工补种成本，并且系统采用商业化的51单片机系统，价格低廉，具有很高的实际应用价值^[5]。

1系统结构设计

基于单片机的玉米补种系统包括前端采集传感器电路、数据控制处理系统和动作执行电机系统，如图1所示。

（1）前端采集传感器电路。前端采集传感器主要负责采集车辆的行进速度和玉米的播种个数，行进速度用来判断单位播种长度内是否进行了正常的播种。玉米播种个数检测用来判断播种的数量是否与设定的播种数量一致，如果有缺失则需要进行补种。传感器的整体稳定性与采集的准确性在整个系统中至关重要，所以在车辆行驶速度的采集上，该设计放弃了结构更加简单的霍尔传感器，因为霍尔传感器容易收到磁场的干扰，导致误检测，进而选择了稳定性更好的机械式光栅码盘加光电传感器的形式^[6]。玉米计数采用红外光电检测开关，这种检测传感器结构简单、可靠性高、价格低廉。前端采集电路中，光电传感器安装在排种盘壁处上。玉米精密播种机在播种作业过程中，如果检测到有种子下落，红外传感器的发射器发出红外光束会受到种子的遮挡导致接收器接收不到信号；如果没有检测到种子下落，接收器能够接收发射器发出的红外光束，转换成电信号传输到单片机的捕获、比较端口，从而实现了播种状态的检测。单片机计数器通过统计端口捕获次数进行计数^[7]。

（2）数据控制处理系统。数据控制处理系统中，采用STC89C51单片机作为控制核心，通过接收和处理前端采集传感器的信号，判断播种状态是否正常，检测播种过程中的漏播以及播种通道堵塞等情况，在发现异常后单片机控制核心对这些异常状态进行有效处理，通过步进电机驱动器电路驱动步进电机转动一格补种槽的角度，进行玉米的补种，在单片机软件开发中基于一定的数学模型计算算法，对于漏種进行补偿，对于异常情况下的堵转状况启动声光报警电路工作，提醒工作人员下车进行检查和维修，确保玉米播种机能够有效工作以及玉米播种工作的高效性^[8]。

（3）动作执行电机系统。补种机构及驱动电路中，在主排种装置外增加一套独立的补种装置，如果检测到漏播现象，单片机根据补种过程各动作时间关系，适时驱动补种电机将待补的种子排出，实现自动补种。考虑到对电机角度控制有较高的要求，补种电机采用步进电机。步进电机能够有效地控制转动角度，进而控制补种轮转动的角度，玉米粒在转动轮上是等距离分布的，转动的角度直接控制了补种的玉米的个数多少^[9]，因此可以精确控制补种系统排种装置的转速和转角。补种电机转速可以根据播种机的原有主播装置档位（株距）设置与主播器一致的不同的阶梯转速并由控制系统分级控制。

2系统硬件设计

2.1单片机核心电路设计

单片机最小系统的主要核心就是STC89C51芯片，采用的是四十引脚的DIP封装，其核心电路设计如图2所示。P0组引脚连接液晶屏LCD1602，P1组引脚连接步进电机和声光报警部分，红外光电传感器信号连接至P3中断引脚。LCD1602显示屏采用并行通讯，主要通过八个数据位来进行数据的传输，并且配合读写控制引脚、使能控制引脚以及命令数据控制引脚进行数据的传输，传输到内部的控制器，驱动点阵进行实时的扫描显示。

2.2电源电路设计

该设计需要将拖拉机的12V电源降压至5V供给单片机芯片，作为单片机的工作电源，因此选择降压电路。常见的电源转换电路有LDO和DC-DC电路等。LDO即低压差线性稳压器，仅能使用在降压应用中，有着稳定性好，负载响应快，输出纹波小等优点，但其缺点是效率低，输入输出的电压差不能太大，负载不能太大。DC-DC指直流电压转直流电压，目前多指开关电源，其优点是效率高，可以输出大电流，输入电压范围较宽。综上考虑，在实际应用中选择DC-DC电路作为电源电路，其电路设计如图3所示，主要由控制芯片、电感线圈、二极管、电容等构成。

2.3光电对射传感器电路设计

光电传感器电路设计如图4所示。实际使用中选用ITR9608光电对射传感器，通过红外光电效应对开启关断信号量进行采集。两个二极管通过封装进行固定，形成头对头的结构，当发光二极管发射光时，中间如果没有障碍物遮挡，接收的二极管就能接收到光，内部的PN结导通，配合使用光删，可以完成更加准确的计数功能。发光二极管电路中通过1KΩ的电阻进行限流，从而保证发光二极管正常工作，不被烧毁。接收二极管端接入10KΩ的上拉电阻，确保光敏二极管在没有接受到光的情况下会被上拉成高电平，使得输出为高电平，当在有光的情况下光敏二极管导通，进而输出端被下拉到低电平，形成高低电平的变化。这样的脉冲信号会传到单片机进行计数采集。考虑到接收二极管端的信号受到光敏二极管压降的影响，低电平可能略高于零伏，高电平略低于输入电压，从而使得输出的信号电压不是很完美，因此后端增加比较器电路，可以有效保证波形更加清晰，使得输出波形更加完整有效。

2.4步进电机电路设计

步进电机电路设计如图5所示，驱动电路采用四个光耦形成通讯隔离，确保系统的稳定性，隔离驱动回路将干扰源引入控制系统。大电流驱动器采用IGBT搭建正反向电流驱动电路，控制步进电机的工作。步进电机选择12V供电电源的系统，可以直接使用拖拉机的12V电源输出，不需要再额外增加电源，极为方便有效。28BYJ30-7A步进电机能够产生0.7 N.m的扭矩，符合转动补种轮盘的需求。当单片机控制引脚输入1，0，0，0时，U7导通，进而Q4关闭，Q5导通，与Q4和Q5连接的步进电机引脚为低电平；同理U10关闭，Q3导通，Q6关闭，与Q3和Q6连接的步进电机引脚为高电平，以此类推，实现弱电信号控制强电动作，进而实现步进电机的工作。

3系统软件设计

3.1系统软件总体设计

玉米补种系统的软件总体设计思路是，首先通过车轮检测设备检测车轮是否处于正常行驶状态，当车轮处于正常工作状态时，经过0.5s对播种玉米数进行检测并记录，如果检测到没有玉米进行播种，记录漏播种子数，在程序设计中设置玉米漏种标志位加一，程序主函数部分如图7所示。当检测到玉米补种标志位的数值≥3的时候，则认为玉米播种机出现故障，可能出现通道堵塞或者轮盘卡死等现象，已经不能正常进行工作，此时开启蜂鸣器和报警灯进行声光报警，提醒操作人员及时停止进行检查或者安排维修人员进行维修。整体的报警检测以3次为一个周期，只要三次中的任何一次能够检测到有玉米粒流出，则认为播种机器只是漏播，没有出现通道堵塞或者轮盘卡死等严重现象，这时会将漏种标志位清零，重新开始统计。在单片机数据端采用外部中断的形式进行车轮转速和玉米计数传感器的采集，這种方式可以保证采集的准确性与有效性。显示屏显示播种数量、补种数量、当前状态和时钟，方便人机交互，观察设备的工作状态以及判断玉米播种设备的整体工作效率等。该系统使用keil开发环境。

3.2部分核心代码设计

3.2.1主程序代码部分 结合玉米补种系统的软件总体设计流程图给出了软件开发的主程序代码，如图7所示。LCD1602显示屏软件驱动首先需要对控制的引脚进行初始化，对于并行控制引脚采用整体初始化，有利于程序的简化和执行效率，然后对显示屏的对比度、显示样式等参数进行初始设置，设置完成后就可以将对应的显示数据写入到显示寄存器中，进行数据的实时显示^[8]。写入数据包含横坐标、纵坐标和显示数组三个参数。LCD1602显示屏具有价格低廉，使用寿命长，工作温度范围广的特点，广泛使用在工业控制中，具有现在彩屏所无法比拟的性价比^[9]。

3.2.2步进电机程序设计 该设计采用的是四线步进电机，步进电机采用脉冲交替动作形成位移运动，一个脉冲循环周期产生六个有规律的脉冲，具体程序设计如图8所示。

4系统仿真与测试

4.1绘制系统仿真电路

通过使用Proteu仿真软件绘制系统仿真电路原理图，考虑到部分实际元器件在仿真软件中找不到模型，在仿真电路中使用了等效元件替换，对仿真结果没有影响。其中电源电路部分使用LDO电路代替DC-DC电路， 步进电机驱动电路中采用三极管代替IGBT，光电传感器信号使用脉冲信号源代替，具体仿真电路如图9所示。

4.2系统测试

基于单片机的玉米补种系统已经在Proteus软件中进行了仿真测试。首先在keil软件中编写源代码，并编译生成hex文件。在Proteus软件中绘制好仿真电路后，双击AT89C52芯片，写入生成的hex文件。点击开始仿真按钮，合上脉冲信号源开关，模拟正常播种，此时液晶显示屏显示“normal”字样，表示正常，如图9所示。同时记录并显示正常播种的粒数。断开脉冲信号源开关，模拟漏播情况，当发生漏播时，驱动电机电机进行补种，当连续漏播粒数达到3粒或6秒时，此时蜂鸣器和报警灯开始工作，进行声光报警，模拟玉米播种机出现故障，可能出现通道堵塞或者轮盘卡死等现象，已经不能正常进行工作，提醒操作人员及时停车进行检查或者安排维修人员进行维修。

5结语

文章设计的基于单片机的玉米补种系统，采用先进的单片机控制系统控制核心，可以实现玉米的智能检测，进而判断播种过程中的漏播以及播种通道堵塞等情况，通过单片机处理核心对这些异常状态进行有效的处理，并基于一定的数学模型计算算法，对于漏种进行补偿，对于异常情况下的堵转状况采用有效的报警装置，提醒工作人员进行维修检查，确保玉米播种机能够有效地完成玉米播种工作以及玉米播种工作的高效性。设计时考虑到了系统的稳定性以及商业的可推广性，在元器件选型上选择了更加耐用且性价比高的元件，在控制系统的搭建上选择了鲁棒性好的步进电机，并搭配有人机交互显示屏，方便人员的操作以及学习使用，符合现在商业推广的设备需求，并且能够有效提高玉米的播种效果，具有极高的商业价值。

参考文献：

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（责任编辑 宁樊西）