马铃薯播种机漏播检测预警系统设计

张育斌

摘 要：马铃薯作为我国四大农作物之一，其种植面积和总产量均居世界第1位，而国内外基于机械液压设计的马铃薯播种机研究较多，但漏播情况较多，其漏播率高达7%。由此，本文研究一套基于STC89C52单片机的实时全局监控马铃薯播种机漏播检测预警系统。通过对系统进行测试，结果表明：系统在人为模拟马铃薯播种机播种情况下，能够自动识别漏播和缺种并进行漏播率的计算，在连续漏播超标情况下能自动报警，系统运行稳定可靠，系统的推广应用可提高生产率和节约劳动力，推动马铃薯精密播种农业的机电一体化发展。

关键词：精密播种机；漏播；预警系统；单片机

中图分类号：S223.2 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190515016

随着我国近年对精播机的先进监测技术的引进吸收以及对监测系统研究投入不断加大，在精密播种机监测系统上的智能自动化研究己经取得诸多成果，使播种机监测系统朝着全自动化、高智能化和精准化的方向发展，从而实现高效率的农业生产[1-2]。

国内学者李伟利用计算机视觉技术实现对精播种机的排种检测，并提出以动态图像亚拼接检测的方法，解决直接通过种子粒间距而造成检测播种精度低的难题[3]。熊瑛学者采用输送带上铺砂原理设计研制了铺砂型排种器试验台，利用砂层的缓冲作用防止种子着落时弹跳。并应用机器视觉技术对排种图像进行了采集与处理，实现了自动的种子识别与粒距测量[4]。周利明针对播种机作业环境提出具有高抗尘性的电容检测的新型测量方法，该方法克服光电法的抗尘土问题[5]。国内近年在监测系统方面发展己经达到一定水平，但是在控制重播、漏播方面还未完善起来。今后的监控系统设计仍需继续努力，不断提高监控系统的灵敏度和精确度，进一步提高播种机自动化、智能化水平。

通过以上研究现状分析，主要是监测播种过程的重播、漏播及故障报警等领域，且主要是针对芝麻、小麦、油菜籽、玉米等小粒种子的漏播监控补偿。本文选取马铃薯播种机进行监控系统相关研究，解决马铃薯播种机的漏播预警问题，设计一套漏播预警系统实现播种过程自动监测及预警。

1 检测预警系统方案设计

本系统研制一套监测马铃薯播种作业过程并能及时发现、排除各种故障、保证播种质量的自动监测系统。该系统具备的主要功能：监视播种作业，发现在播种过程中种箱漏播等现象并及时发出预警[6-7]。

系统主要有这几部分组成：电源模块部分、主控模块单元、信号输入和输出单元等组成。电源模块主要为单片机、光电传感器、显示器、蜂鸣器等提供合适的电源；信号输入单元主要完成排種信号、种勺到位情况信号以及种箱缺种信号的采集并将信号输入到单片机内部；主控单元主要完成采集数据的运算和处理，通过计算比较播种质量各个指标及时发出控制命令到执行元件；信号输出单元主要实时显示播种质量指标，及漏播、重播等故障的及时报警提示等功能，见系统设计方案如图1。

2 检测预警系统硬件设计

本预警系统硬件构成，主要包括电源电路、传感器设计及其电路、单片机及其外围电路、LCD显示电路、报警电路等。

2.1 单片机系统

单片机是本预警系统的核心部件，主要完成漏播率的统计、播种面积的计算、LCD的操作、键盘操作的扫描以及报警装置的驱动。传感器用来采集种勺到位、薯块有无、种箱种薯量的信息；键盘根据作业机具不同，用来调整播种前参数（株距、幅宽等）；LCD用来显示播种面积、漏播率等数值；当漏播率超标或者种箱缺种时，报警装置工作提示工作人员停车查看或补充种薯，预警系统的硬件如图2所示。

单片机控制模块是整个预警监测系统硬件部分的核心，主要工作是完成信息采集、数据储存与处理和控制信息输出，单片机控制最小系统主要由单片机芯片、晶振电路、复位电路等组成，原理图如图3所示。

2.2 检测电路设计

本文选用TCRT5000传感器用于检测种薯漏播和种勺到位，传感器将检测到的信息转变成电信号通过传输通道传输给控制处理器，从而完成信息判断。传感器安装在马铃薯播种机的排种管内，利用红外检测的原理，当种勺传感器检测到种勺到位时，种薯检测传感器检测并判断是否有种薯。有种薯时，红外线被挡断，传感器发出高电平信号，表示当前检测位有种薯。当马铃薯播种机的一行或者数行排种器发生连续漏播情况时，便立即声光报警提示，因此传感器的性能直接影响排种器的种薯检测装置的工作质量水平，电路图如4所示。

2.3 报警电路设计

马铃薯播种过程中，需要对出现的漏播、种箱缺种等状况进行报警提示，避免出现更多漏播状况。马铃薯播种机出现漏播时，相对应排种管的提示灯就会常亮或者不停闪烁，提示驾驶室操作人员，同时还进行声音报警提示。电路连接如图5所示。

3 预警监测系统软件开发

马铃薯精密播种机漏播监测预警系统在开机通电初始化后开始运行主程序。系统在主程序中调用各功能相应子程序模块，流程图如图6所示。

开机自检完成对STC89C52单片机系统的初始化，使预警系统处于待机工作准备。

调用数据处理子程序。马铃薯漏播监测预警系统工作时，主程序通过对数据处理子程序的调用，完成对传感器传输的电平信号的计算处理，并取得需要的播种参数数据，然后根据预先输入的参数值进行判断，识别漏播等情况。

报警子程序调用。马铃薯播种机出现连续漏播等情况达到预警状况，系统自动调用报警子程序进行声光报警提示。

显示子程序调用。根据预先的功能菜单设置要求，该子程序包括各项播种数据显示、漏播信息的显示等，正常作业时显示播种数据，漏播发生时显示漏播信息。主要输出参数有播种面积、漏播率、播完总价，其计算方式分别如下。

4 实验与结论

当幅宽、行株距、单价等参数调整设置好后，按下确认键进入播种监测模式，开始统计一定时间内的脉冲数，并计算播种面积、漏播率、价格。

通过仿真结果表明，马铃薯漏播预警系统软件程序运行正常，各项功能都能实现。在手动设置缺种信号时，系统能够检测到种勺没有种薯，并输出显示，连续漏播能正常声光报警提示，播完结束可以显示播种面积、播完总价、漏播率等数据，系统工作性能符合检测要求，可以广泛用于农业工程。

参考文献

[1] 冯全，栗震霄.免耕播种机高抗尘排种监测器的设计与试验[J].农业机械学报，2006（37）： 68-78.

[2] 何玉静，李勉.马铃薯穴播机排种器的主要技术特点[J].农机使用与维修，2007（3）：25-27.

[3] 李伟.基于计算机视觉的播种精度检测技术研究[D].北京：中国农业大学，2004.

[4] 熊瑛.基于机器视觉的排种器性能检测技术研究[D].长沙：湖南农业大学，2011.

[5] 周利明. 基于电容法的棉花产量和播种量检测技术研究[D].北京：中国农业大学，2014.

[6] 龚长青，土清.单片机控制系统的硬件抗干扰研究[J].机械与电子. 2010（5）：98-99.

[7] 郭锥.基于单片机的膛壁温度报警系统设计[D].南京：南京理工大学，2006.