基于嵌入式技术的小麦自动播种机设计

游雨云

（上饶职业技术学院，江西 上饶 334109）

1 整体设计思路

小麦自动播种是农业生产中的关键作业项目。目前，市场上以机械排种器为主流农机设备，虽然能够完成小麦的播种作业任务，但存在结构复杂、自动化程度和播种间距控制精度较低等问题。为有效解决上述问题，笔者设计了一种基于嵌入式单片机的自动化小麦播种机，具体设计思路如下。

以STM32F0为嵌入式自动播种系统的控制核心，外接播种运动电机带动指夹式排种器运转，实施自动化播种。播种作业的过程中，STM32F0实时采集和对比运动电机的转速及播种间距测控模块反馈回的种间距，并根据比较的结果实时调整输出到播种运动电机上的电流和电压值，使运动电机控制的排种作业频率与测距模块监测到的实际种距相互对应，实现小麦播种间距的恒定控制。系统外设播种参数数字化输入控制和显示模块，实现对小麦播种间距、力度、频度的输入控制和对播种效果的监控。整个系统由嵌入式单片机通过程序编译实现自动化播种控制，采用播种运动电机直接带动排种器作业，省去常规小麦播种机由万向传动轴、链条、变速箱构成的传动系统采购和安装费用，具有一定的经济性和应用性。如图1所示，为本系统的整体设计结构图。

图1 小麦自动播种机整体设计结构图

2 主要硬件选型及设计

2.1 核心控制模块

本系统选用STM32F0单片机为核心控制器。STM32F0是一款基于ARMRCortex R-M0的32位单片机，具有功耗低、实时性能强、多种存储容量、封装多元化等特点，且该款单片机自带CAN总线和USB2.0接口，能够适应不同通信状态下的数据通讯编程需要[1]。此外，由于STM32F0单片机本身采用DC1.8 V供电，并且拥有丰富的引脚和扩展功能，特别适合在数据微处理和高效运算的场合下应用。在本系统中，STM32F0单片机的主要功能为：1）通过程序编译进行总控，实现对各模块运行数据的实时计算；2）对播种电机转速、指夹式排种器的工作状态等输出信号进行监控；3）对播种间距进行实时检测，及时响应用户的播种参数设置需求；4）对播种电机转速反馈装置的反馈信息进行运算，并将结果与播种间距检测传感器的采集结果进行对比，通过实时调整实现对小麦播种间距、力度等参数的精确控制。在外围电路设计中需要首先建立起STM32F0单片机的最小电路，此外，由于该款单片机有丰富的端口资源，可根据具体的I/O设计需要自由分配引脚功能。

2.2 指夹式排种器模块

指夹式排种器模块是小麦自动播种的主要机械部件，本系统设计的指夹式排种器一周由18个指夹构成，在排种作业过程中，播种单体随着地面形状起伏，能够有效地保障播种的深度和力度，整个模块的作业速度能够达到5 km/h~8 km/h，并保持播种性能的稳定[2]。为确保排种作业的连续性动能，选择DC12 V直流电机作为动能提供源，并在电机上安装了转速信号检测装置，可实时检测并向STM32F0单片机反馈排种器的实时速率，通过单片机的精确调控，实现对排种间距的有效控制。此外，用户可根据排种的需求实时设置播种参数，对小麦播种的株距、力度等参数进行控制，以确保播种作业的质量。系统指夹式排种器模块的设计构图如图2所示。

图2 指夹式排种器模块

2.3 播种间距监测模块

播种间距监测模块可实现对小麦自动播种过程中的株距实时监测，并将监测的结果反馈给STM32F0单片机，通过实时运算调整，确保小麦自动播种株距的均匀合理。本系统选用国内JCJM公司研发的U85-210224户外激光测距模块为硬件核心，该模块采用激光测距原理，是一款小尺寸的精确测距模块，能够在0.03 m~10 m范围内进行精确测距，测量精度达到±1 mm，测量的频率为3 Hz，测量响应时间为0.3 s~4 s，能够与单片机等微处理器连接工作，且拥有串口异步通信、UART两种通信方式[3]，实际应用中便于与STM32F0单片机进行数据传输和通信。整个模块具有测量效率高、响应时间短、数据精度高等优点，且模块尺寸仅为41 mm*17 mm*7 mm，便于安装在小麦自动播种机的设计集成电路板上。如图3所示，为该模块的实物外形图。

图3 播种间距监测模块

2.4 播种运动电机控制模块

播种运动电机控制模块的功能为：提供小麦自动播种机运行的动能，并将动能实时反馈给STM32F0单片机，单片机接收到反馈信号后通过运算调整，确保播种机的运行速率与小麦排种模块的作业频率相一致，实现小麦自动播种的连续运行和排种作业精度。在综合考虑控制精度、经济性和实用性等多方面要素的基础上，本系统选用伺服电机闭环控制方案，具体的控制方法为：选用伺服电机为小麦自动播种机的动力源，以伺服电机U/V/W三相电形成电控磁场[4]，通过交替电磁效应为播种机驱动轮供能，并通过自带的编码器采集驱动轮行进速率，将其反馈给STM32F0单片机进行设置值比对，并进行PID运算，实时调整驱动轮运行的速率。在上述控制过程中，伺服电机驱动器和编码器脉冲之间构成了闭环反馈控制系统，再通过STM32F0单片机的反馈运算和PID调控，达到精准播种效果。

3 软件程序编译及试验结果

3.1 系统软件程序编译思路

本系统采用C语言进行编程，具体的程序编译思路为：1）启动后系统进行自检和初始化操作，包括开定时器和开中断；2）播种间距监测模块实时采集排种株距，播种机在DC12 V直流电机的带动下实施自动排种作业，株距反馈值与排种直流电机的运转速率通过单片机进行实时比对运算；3）同时播种运动电机带动播种机前行，并通过电机上自带的编码器采集驱动轮行进速率，将其反馈给STM32F0单片机进行设置值比对运算；4）单片机根据反馈比对运算的数据进行实时调控，确保实现小麦自动播种株距和力度的精准控制。具体的程序流程图如图4所示。

图4 系统程序流程图

3.2 试验与结果分析

系统设计完成后，在宽100 m、长50 m的户外试验田进行自动播种试验。试验过程中，播种机运行速度设置为低档8 km/h，播种株距设置为28 cm，采用2行播种机进行敞开式播种，在中间30 m内对5个种子株距进行连续测试，允许株距误差为±1 cm，结果如表1所示。

表1 播种试验结果

4 结语

试验结果表明：设定小麦播种株距为28 cm时，播种的株距合格率达到100%，重播和漏播率为0，播种的自动化程度和间距精度更高，验证了本系统的设计具有一定的实用性。随着嵌入式技术的发展，基于嵌入式技术的农业生产设备必将越来越普及，不仅能够大大提升播种作业的效率、精准性和自动化程度，对推动农业生产向自动化和智能化发展也将产生积极作用[5]。