基于单片机的漏播检测系统的集成电路研究

张 良，杨文彩，仲广远，杜一帆，谯 睿，郎冲冲，阚成龙

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

0 引言

三七(PanaxNotoginseng)为伞形目五加科人参属植物，别名田七、人参三七、金不换及盘龙七等。三七具有较高的药用价值，近年来国内外市场对三七的需求量逐年增大[1]。随着农业规模化经营、专业化生产、机械化和自动化程度的不断提高，工厂化育苗已成为先进农业技术之一。基于标准化槽式育苗模式，课题组开发了三七槽式育苗精密播种机，目前已开发至三代播种样机—2BQ-28型三七精密播种机(下面简称三七精密播种机)，整体播种效果良好，但在种子漏播检测方面仍然存在不足。

三七精密播种机在播种环节中的漏播现象，造成育苗基质中种子数量不足、种苗产量下降，现急需一套配套三七精密播种机的漏播检测系统。漏播现象广泛存在于农业机械化生产的播种环节，国外对播种质量监测的研究比较早。1986年，HaaseW.C.开发了名为Pioneerl的监控系统，同时使用了排种传感器和速度传感器,可以对播种面积、播种工况、机器速度、各行播种量和粒距进行监测并进行LCD显示[2]。2000年，Miyazaki 大学的Nagata等研制了一款数字压力传感器，并且在大白菜、芥菜、菠菜种子的播种上实测了漏播检测效果[3]。2016年，Umarkar等研究了基于Android应用程序的智能农业机器人，该机器人通过WiFi接口使用超声波传感器和数字指南针传感器对种子播种和挖掘进行自动的操作[4]。除此之外，苏联[5]等国家多名学者也有这方面的研究。近年来，关于漏播传感监测系统的研究也非常多。2010-2016年，丁幼春、廖庆喜、王雪玲等针对油菜精密播种机的田间漏播检测方法进行了研究，提出了以FS-11V光纤传感器和霍尔转矩传感器为传感检测装置的油菜小粒径种子的漏播检测方法，开发了一套油菜籽漏播螺管式补种器[6-9]。2017年，林宏等使用了基于Android和4G通信的技术并运用到漏播图像采集与传输系统上[10]。除此之外，张石平等[11]、丁时峰等[12]、李雷霞等[13]、部占军等[14]、张顺[15]等都有相关方面的研究。现在国内外研究的漏播检测系统，都不能适应大棚作业下的三七精密播种机。为实现开沟、播种、覆土一体化作业，提高播种质量与效率，有必要研发配套三七精密播种机的漏播检测系统，来适应三七精密播种机的大棚作业。

目前，三七精密播种机对种子漏播检测机制尚不明确，缺乏相关研究。为此，本文设计一种基于单片机系统的集成漏播检测系统，主要包括信号采集模块、信号处理模块、串口通信模块、按键控制模块及数据显示模块。工作时通过圆形设计红外发射接收管360°检测，传感器信号通过LM393比较电路芯片输送给新型STC12C4052单片机，经过MAX3232串口通信，实现了对三七精密播种机的漏播检测。

1 工作原理与方法

1.1 漏播检测系统的总体方案设计

为了实现漏播检测测系统的主要功能，使得系统更加完善以统筹全局，制定了技术路线图，如图1所示。

图1 技术路线图Fig.1 The technical route figure

总体方案的设计需要考虑以下几个关键技术：①测试分析漏播检测系统是否能对不同传感探头进行信号识别，是否能完成对多个传感探头的半双工主从模式的信号采集，是否能对指定的传感探头进行编码识别; ②是否能通过滤波电路除去杂波对单片机的干扰；③是否能基于STC12C4052系列单片机开发平台，将漏播检测电路集成到PCB板，实现漏播检测系统安装一体化。

根据以上分析，漏播检测系统的硬件组成框图，如图2所示。

图2 漏播检测系统硬件组成框图Fig.2 Loss sowing detection system hardware block diagram

漏播监测系统主程序流程图，如图3所示。

图3 漏播检测系统主程序流程图Fig.3 The main program flow chart of the loss sowing detection system

系统开始后，按键输入，在矩阵键盘上输入预设播种数量。系统开始启动，传感器检测播种数量，信号通过比较电路反馈给单片机，判断是否有固定频率信号，在OLED显示屏上显示播种数、漏播数及漏播率作为人机交互界面，实现对漏播情况的检测。

1.2 漏播检测系统硬件设计

1.2.1 传感器选型

1.2.1.1 传感器检测原理

本设计采用红外传感器。由于窝眼滚筒播种机行进速度与排种频率具有一致性，因此以机器正常工作时速度范围为依据，计算出机器的排种频率范围；以播种合格率95%为标准，计算出堵种窝眼数量的上限。将上述计算值预设到漏播检测系统中，在导种管上合适位置安装传感器，监测播种机实际的排种情况。

1.2.1.2 漏播参数的计算

播种质量的衡量主要通过以下几个指标：播种效率、播种合格率、行距合格率、株距合格率、种子破碎率、漏播率及漏播检测精度等。漏播检测系统的衡量指标主要是漏播率的检测，要求到达95%的漏播检测精度。

1)窝眼堵种上限的确定。堵塞的窝眼数量上限用S表示，播种机导种管数量为28，窝眼滚筒单行1周的窝眼数量为24，漏播率不超过5%。

S≤28×24×(1-95%)=33.6

因此，播种机堵塞的窝眼数量不能超过33个，否则播种合格率一定达不到要求。对于传感器的检测来说，监测窝眼滚筒旋转1周所出现的信号断点的数量，即为窝眼滚筒的堵种数量。

2)播种频率范围的确定。播种频率用f表示，播种机窝眼滚筒线速度为S。由于播种机的行进速度与窝眼滚筒转动线速度具有一致性，根据效率最大化原则和精确农业中适速播种原则，机器的前进速度范围为5～10m/min，种子行间距A为5cm，则f=S/A=1.67～3.33Hz。根据计算出的频率范围，可以对传感器的选型提供依据。

1.2.1.3 传感器分布方式

为了能全面检测下落种子，本次设计选用的3对红外传感器对称分布在内径为40mm孔的电路板上，红外发射接收管的直径为5mm，保证播种频率在1.67～3.33Hz之间完全检测。

1.2.2 漏播检测模块电路设计

1.2.2.1 串口通信电路设计

由于本设计采用传感器直接与单片机通信，不同于同型机与机之间的通信，要对传感器信号进行信号调理识别处理。为了同时采集多个传感器的信号并识别，本文采用RS-232通讯协议中MAX3232通讯芯片。该芯片能将TTL电平转化为RS-232电平，能实现单片机与多个传感器之间串口通讯。Max3232通信电路如图4所示。

图4 MAX3232通信电路Fig.4 MAX3232 communication circuit

1.2.2.2 红外检测电路设计

红外检测电路由红外发射接收电路和电压比较电路组成，如图5所示。其中，每对红外发射接收电路都是由1个红外发射管和1个红外接受管后接1个LM393双电压比较器集成电路。当种子落下时，红外发射管和接受管两端的电压变化通过LM393双电压比较器集成电路转换为数字信号传输给单片机。

图5 红外检测电路Fig.5 Infrared detection circuit

1.2.2.3 单片机控制系统设计

系统核心采用STC12C4052 单片机，为STC生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。单片机系统电路包括按键电路、滤波、显示电路及MAX3232串口电路等 ，传感器信号通过比较电路输出信号接单片机的 p3.2、p3.3、p3.7I/O口，程序通过串口通讯的方式传输给单片机。通过矩阵按键电路设定播种次数，按键启动传感器工作根据计算的播种频率检测漏播情况，并在OLED显示屏上显示播种数目、漏播个数及漏播率等。电路系统如图6所示。

图6 单片机控制系统图Fig.6 SCM control system diagram

1.2.2.4 漏播检测系统集成

本次设计将漏播检测系统集成在一块8cm×8cm的PCB板上，极大地节约了空间。集成PCB板的特点：①体积小、质量轻；②可靠性高，寿命长，安装方便；③频率特性好，速度快。配套2BQ-28三七精密播种机的圆形导种管，PCB板中心有1个直径4cm的圆形孔对下落的三七种子进行检测。通过系统优化的方法对PCB板的线路进行如图7所示的布局。主要元器件如表1所示。

图7 漏播检测系统PCB集成电路Fig.7 Loss sowing detection system PCB integrated circuits

表1 PCB板主要元件Table 1 PCB board main components

续表1

1.2.3 漏播检测系统的安装

漏播检测系统的安装位置如图8所示。

1.机架 2.种子箱隔板 3.种子箱4.滚筒 5.检测集成系统 6.导种管图8 漏播检测系统的安装位置Fig.8 Location of the loss sowing detection system

2 实验结果与分析

实验室漏播检测测试采用普通的三七种子，采用人工投种方式进行检测试验,排种每穴为 1粒，每次试验投种300粒 ,重复 3 次,取平均值；人工记录播种数据，并与系统测试结果进行对比，实验结果如表2所示。其中，实际播种量为播种机充种不充分引起的。由表2可知,该检测系统单粒监测精度达到95.7%。

表2 漏播检测实验Table 2 Loss sowing detection test

3 结论

针对2BQ-28型三七精密播种机的漏播情况设计了一套便于安装的漏播检测集成系统。系统针对红外二极管的指向特性，设计了信号转换电路和滤波电路加强对信号采集的稳定性，提高了漏播检测精度。运用Altium Designer软件设计出系统电路图，并通过Keil和Proteus仿真软件对程序设计和电路设计进行验证，提高了检测电路的科学性和准确性。传感器布局采用圆形结构的设计，且将设计的检测电路集成在传感器布局的PCB板上，实现了检测与安装的一体化，既不影响对种子的检测，同时也方便检测系统的安装。实验结果表明：本设计能够实现95%以上的检测精度，有应用推广价值。