精密播种机终端及监控系统设计

　　摘 要： 针对目前机械式播种机性能的不足，设计一款智能精密播种机及其监控系统。基于拖拉机整机控制器和精密播种机终端以及监控系统组成的CAN总线通信网络，实现拖拉机整机运行信息和播种机播种信息的共享与交互。设计精密播种机终端的硬件电路并进行该系统控制算法的研究。设计开发的精密播种机的监控系统，使得拖拉机整机运行信息以及播种机在进行播种作业时的各种信息得到及时显示和监控，提高播种机的工作效率以及整机智能化水平。

　　关键词： 监控系统; 智能精密播种机; 信息显示; 硬件设计; 终端设计; 数据处理

　　0 引 言

　　我国作为传统的人口大国和農业大国，农业的发展是我国粮食安全的根本保证，农业机械化水平的提高对农业的发展起着至关重要的作用[1]。由于机械制造水平以及电子科技发展水平的限制，导致我国在农业智能化技术方面起步较晚，落后于发达国家[2]。传统的拖拉机过于依靠人力，并且操作复杂，不仅使驾驶员劳动负担加大，而且效率也很低。随着科技水平的发展以及人民生活水平的提高，智能拖拉机越来越成为农业发展的主流，这也就促使了智能播种机的产生。

　　智能播种机在播种作业时系统工作是全封闭的，人们无法观测具体的作业状况，所以就需要将播种机的实时作业状态和作业信息采集并显示出来，供驾驶员了解并掌握播种时的关键信息以便及时进行操控。

　　本文开发的智能播种机及其监控系统的特点是：播种机在工作过程中，工作状态依靠驾驶室内终端显示屏显示，该显示屏显示的数据来源于与播种机控制器连接的传感器和整机控制器(VCU)。播种机的传感器主要提供播种机在播种过程中自身的状态信息，整机控制器主要提供拖拉机整机运行时的状态信息。

　　1 播种机监控系统组成

　　播种机监控系统主要由播种机终端控制器、显示屏控制终端以及附加传感器组成。播种终端需要的供电电压为5 V，所以需要对12 V电源电压进行降压处理，得到5 V稳压电源。该播种机监控系统主要通过显示屏对播种面积、行驶速度、播种量、发动机转速、PTO接合状态、电瓶电压、行驶方向以及漏播漏肥报警等信息进行显示处理。播种机的信息来源不仅来源于与自身连接的传感器，还通过CAN总线接收VCU发送过来的数据，并通过CAN总线将得到的数据发往显示屏。具体播种机的监控系统结构如图1所示。

　　播种机对播种量及施肥状态的数据采集来源于传感器，本文设计时选用激光传感器作为检测的传感器，传感器与单片机通过处理电路连接，可以根据采集到的波形对传感器的数据进行处理，并将处理的结果通过报警和灯光指示装置电路反馈到报警装置和灯光指示装置。播种机需要的其他数据，如车速、发动机转速等来源于VCU，播种机通过CAN总线与VCU通信来得到车辆在播种作业时的实时信息。电源电路用于单片机的供电，保证系统正常运行，中断与定时系统用于对传感器信号的处理。最后，播种机将处理后的数据通过CAN总线发往显示屏。

　　2.2 播种机终端硬件电路设计

　　2.2.1 电源电路

　　在该监控系统中，单片机需要的供电电压为5 V，蓄电池电源提供12 V电压，所以需要一个电压转换电路将12 V电压转换成5 V电压给单片机供电。图3为电源电路图。电路左端为起始端，端口处连接一个整流二极管D9，可以阻挡电流中混杂的交流电。SM8S33AHE为瞬态抑制二极管D2，简称TVS，它是一种二极管形式的高效能保护器件，可以吸收二极管两极间的瞬态高能量，将两极电压箝稳定在一个安全值，可以保护电路中的精密元器件[3]。电感L1和电容C9并联成LC滤波电路，其作用是隔离负载与电源的噪声。TPS5430是电压转换芯片，其输出电压由R11和R12决定，本文将R11设计为10 kΩ，R12设计为3.24 kΩ，可以将12 V电压转换成5 V电压输出。

　　2.2.2 CAN总线接口电路

　　图4为CAN总线接口电路，包括CAN总线收发器(TLE6250G)以及CAN共模抑制器(ZJYS81)。在CAN_H和CAN_L与地之间并联了一个47 pF的电容C64，可以过滤掉CAN总线上的高频干扰信号，同时在CAN_H和CAN_L与地之间加了一个双向瞬态抑制二极管D42，可以抑制总线上的瞬变电压[4]。R63和R59构成CAN总线的终端电阻。

　　2.2.3 播种和施肥检测传感器与单片机接口电路

　　本文在设计时，采用激光传感器对播种与施肥进行检测，电路图如图5所示。传感器工作时，单片机通过in端输出高电平信号，三极管导通，激光发射管D2发出光束;激光接收管D6收到激光发射管发出的激光后，三极管Q5导通，工作指示灯D5点亮，单片机通过out端采集到传感器发出的电平信号，当正常施肥或者播种时，种子或者肥料会阻挡激光发射管发出的光束并使单片机接收的电平信号产生变化[5]。

　　3 数据计算与处理

　　3.1 播种机播种量计算

　　本设计中，播种机的播种量由激光传感器测量。激光传感器能实现无接触远距离测量，具有速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等特点[6]。播种机在播种时，种子通过激光传感器会遮挡激光发射管发出的光束，激光传感器向单片机输出高电平。如果没有种子经过，那么传感器输出端向单片机输出低电平。单片机接收到传感器输出的电平值，如果接收到高電平，就会触发定时器输入捕捉中断，在中断中设置一个变量，每次进入中断就会使变量的值累加，变量的值就是播种量，然后单片机再将播种量发送到显示屏上显示[7?8]。

　　3.2 播种机漏播及肥料堵塞报警处理

　　播种机在正常播种过程中，播种与施肥是同步的，并且都由激光传感器检测是否出现播种故障。当正常播种时，播种机采集的传感器的波形为规律的方波。单片机捕捉到方波上升沿触发中断时，通过CAN总线发出数据报文，点亮播种及施肥指示灯，当单片机捕捉到方波下降沿时，让播种和施肥指示灯熄灭，并且计时器对高电平时间进行计时。理论上指示灯光处于闪烁状态，实际上由于波形变化频率过快，使得灯光闪烁过快，人眼察觉不到灯光的闪烁，所以给人以指示灯常亮状态的现象。

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