本發(fā)明涉及一種智能控制系統(tǒng)，尤其涉及一種小麥雙線精播智能控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，精密播種已成為現(xiàn)代播種技術(shù)的主要發(fā)展方向，伴隨電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自動控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于精密播種行業(yè)。國外對精密播種的研究和應(yīng)用比較早，20世紀(jì)80年代，用來測量行走速度、播種密度和谷物漏播的基于雷達(dá)的測速儀問世；1995年，波蘭科學(xué)家開發(fā)了一套裝備UKS-1型排種器的電子控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)工作幅寬、地輪半徑及不同機型進(jìn)行編程，改進(jìn)操作條件且操作簡單提高工作效率；1996年，DickeyJohn公司采用光電傳感器監(jiān)視播種機的單行播種；近年，日本正在研究根據(jù)測取地輪轉(zhuǎn)速信號控制排肥排種的自動控制系統(tǒng)，以保證施肥和排種不受拖拉機速度變化的影響。相比較而言，國內(nèi)精播控制技術(shù)研究起步較晚，90年代后期，華中農(nóng)大王樹才等采用壓電、聲電傳感器，將單粒排種的落粒物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，通過信號轉(zhuǎn)換檢測其排種性能參數(shù)；黑龍江省研制的 2BJD-2型電子監(jiān)測裝置，作業(yè)時其監(jiān)視器可對排種軸不轉(zhuǎn)、輸種管堵塞、種箱1無種等情況進(jìn)行實時監(jiān)測，情況異常會及時發(fā)出聲光報警。

與國外相比，國內(nèi)對精播控制技術(shù)的研究大多涉及監(jiān)測播種過程的漏播、重播及故障報警等領(lǐng)域，且這些控制系統(tǒng)大都存在一定不足：1）地輪打滑現(xiàn)象仍不可避免，致使排種速度不能與機組前進(jìn)速度相配合；2）播種量調(diào)整麻煩，且調(diào)節(jié)精度不夠，需停機手動調(diào)節(jié)鏈輪。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了彌補目前國內(nèi)精播機的諸多不足，設(shè)計了一種小麥雙線精播智能控制系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

小麥雙線精播智能控制系統(tǒng)由主機系統(tǒng)和從機系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。通過速度傳感器實時檢測機組前進(jìn)速度，并通過單片機控制核心使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速和機組前進(jìn)速度始終保持同步；由步進(jìn)電機驅(qū)動排種，隨時調(diào)節(jié)種距和播量，確保播種精度。另外，系統(tǒng)將采用無線傳輸方式傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，簡化有線連接，方便設(shè)備的安裝與拆卸。

所述的主機系統(tǒng)主要完成機組前進(jìn)速度信號采集、人機對話、故障報警等功能，主要包括報警系統(tǒng)模塊、人機對話模塊、單片機（主）。

所述的從機系統(tǒng)主要實現(xiàn)步進(jìn)電機驅(qū)動排種、監(jiān)視播種狀況及故障等，主要包括驅(qū)動電路、光電傳感器電路、單片機（從）。

所述的單片機采用AT89C55，AT89C55是美國ATMEL公司生產(chǎn)的高性能8位單片機，片內(nèi)帶20KB的ROM和256Byte的RAM，兼容8052單片機內(nèi)核。

所述的兩個控制單元之間通過藍(lán)牙實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

所述的排種機由留個單體組合在一起，該單體組合包括種箱、雙線排種器、步進(jìn)電機、排種漏斗、輸種管、雙線開溝器、仿形機構(gòu)、地輪、旋轉(zhuǎn)編碼器、機架、模擬輪（代表拖拉機前輪）及手柄（代表提供前進(jìn)動力的拖拉機頭）等部分。其中地輪起到支撐播種機的作用。進(jìn)行播種試驗時，試驗員拉動機架上方手柄使其向前移動，與此同時，控制系統(tǒng)通過模擬輪的轉(zhuǎn)速變化實時調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明的有益效果是：

該智能控制系統(tǒng)試驗裝置通過編碼器實時采集機具前進(jìn)速度信息，經(jīng)主單片機接受和處理，通過無線傳輸方式發(fā)送到從單片機，從而進(jìn)一步驅(qū)動和控制步進(jìn)電機，使其按機具前進(jìn)速度及時準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)排種軸轉(zhuǎn)速，以保障排種均勻；信息數(shù)據(jù)的無線傳輸省卻了拖拉機頭與播種機間的連接，方便控制裝置的組裝與拆卸；人機對話界面用按鍵調(diào)整粒距，省時省力，利于田間管理；報警系統(tǒng)則在出現(xiàn)異常狀況時自動開啟報警機制，利用多種方式提醒駕駛員完成相應(yīng)糾錯操作。試驗證明，該研究所設(shè)計的單體樣機能夠在每個開溝器推進(jìn)過程中，等量均勻地播種兩行種子，完成小麥單溝雙線精密布種任務(wù)。與此同時，還實現(xiàn)了人機對話及故障報警等多項自動控制功能，做到真正意義的智能控制。該控制系統(tǒng)的設(shè)計對將來提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平和農(nóng)作物高質(zhì)高產(chǎn)作業(yè)效果具有重要意義。在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物精播的智能控制技術(shù)必將成為一個新興的研究熱點。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是播種機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是播種機單體結(jié)構(gòu)圖。

圖3是主單片機系統(tǒng)電路圖。

圖4是從機的控制電路圖。

其中，1. 種箱 2. 雙線排種器 3. 步進(jìn)電機 4. 排種漏斗 5. 輸種管 6. 雙線開溝器 7. 仿形機構(gòu)及地輪 8. 旋轉(zhuǎn)編碼器 9.模擬輪（代替拖拉機前輪）10. 機架 11. 手柄。

具體實施方式

如圖1所示，小麥雙線精播智能控制系統(tǒng)由主機系統(tǒng)和從機系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，主機系統(tǒng)主要完成機組前進(jìn)速度信號采集、人機對話、故障報警等功能；從機系統(tǒng)主要實現(xiàn)步進(jìn)電機驅(qū)動排種、監(jiān)視播種狀況及故障等；兩個控制單元通過藍(lán)牙實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的無線傳輸。該智控精播機利用獨立按鍵對播種參數(shù)（包括種子間距和播種量）進(jìn)行設(shè)置；采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量播種機的前進(jìn)速度。測速信號經(jīng)調(diào)理電路送入主機并被接收處理后，主機隨即將當(dāng)前車速和設(shè)置的播量（粒距）等參數(shù)信息通過藍(lán)牙無線收發(fā)模塊發(fā)送到從機，由從機進(jìn)行綜合計算，得出此時步進(jìn)電機應(yīng)有的轉(zhuǎn)速，從而實時控制排種軸轉(zhuǎn)速。此外，從機還利用光電傳感器監(jiān)視播種故障。一旦種箱1內(nèi)種子不足或輸種管堵塞，從機便通過藍(lán)牙將故障信號發(fā)送到主機，由主機發(fā)出聲光報警，提醒操作人員及時采取相應(yīng)措施；同樣，當(dāng)步進(jìn)電機接近其極限轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)將自啟動LED燈，令其閃爍并蜂鳴報警。一般精密播種要求單粒種子在田間具有合適的播深、行距和粒距，降低播量，提高播種質(zhì)量。小麥?zhǔn)欠痔Y作物，由于分蘗可多可少，其精播的行距與粒距視不同地區(qū)、不同品種而變化。作為小麥單溝雙線播種，其行距一般為15～30cm，播深為3～7cm，每公頃播量控制在150kg以下，粒距則隨著播量和行距的變化而變化。運用該研究設(shè)計的智控精播機單體進(jìn)行播種試驗時，設(shè)定行距為25cm、粒距為Lcm，在（25*L）cm2播種面積內(nèi)，如果播下2粒種子，由此可推算出每公頃播下種子為8×106/L粒。該播種試驗所用的小麥品種為43g/千粒，則每公頃地播種小麥的質(zhì)量約為344/Lkg。將此對應(yīng)關(guān)系寫入程序，根據(jù)實際播種要求，通過獨立按鍵使粒距在一定范圍內(nèi)任意增減；液晶屏則顯示當(dāng)前粒距及每平方米對應(yīng)所需播量。

如圖2所示，該研究所設(shè)計的小麥雙線播種機單體結(jié)構(gòu)示意圖。這樣相同的6個單體組合加工在一起，將構(gòu)成一個完整的播種機。該單體組合包括種箱1、雙線排種器2、步進(jìn)電機3、排種漏斗4、輸種管5、雙線開溝器6、仿形機構(gòu)及地輪7、旋轉(zhuǎn)編碼器8、機架10、模擬輪9（代表拖拉機前輪）及手柄11（代表提供前進(jìn)動力的拖拉機頭）等部分。其中地輪7起到支撐播種機的作用。進(jìn)行播種試驗時，試驗員拉動機架上方手柄11使其向前移動，與此同時，控制系統(tǒng)通過模擬輪9的轉(zhuǎn)速變化實時調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速。該單體樣機（除9、10、11 部分）的外形尺寸為96cm×35cm×80cm。整機質(zhì)量為82 kg。單體設(shè)計中采用雙線排種方式，圖中的雙線排種器“2”接2個排種漏斗“4”，每個漏斗各接一根輸種管，將2根輸種管連接至雙線開溝器“6”，開溝器6底端內(nèi)側(cè)分左右2個下種口，其中心間距約5cm。通過縮小行距、加大株距，總株數(shù)不變的播種方式，解決了株苗行內(nèi)擁擠、相互遮光和行間漏光等問題，提高了土地占用率和空間利用率，從而更有利于小麥生育前期的植株個體發(fā)育。拖拉機前輪打滑率相對于播種機地輪來說要小得多，試驗表明僅為地輪打滑率的1/3左右。因此，設(shè)計中將旋轉(zhuǎn)編碼器8與拖拉機前輪軸相連，能夠改善地輪驅(qū)動有較大滑移的現(xiàn)象?？紤]到在室內(nèi)使用拖拉機作牽引不易實現(xiàn)，則室內(nèi)試驗利用模擬輪臨時代替拖拉機前輪，用于測量精播機的前進(jìn)速度，并使用12V的蓄電池為步進(jìn)電機3提供電能。實際田間作業(yè)時不添加模擬輪，需將圖中的“9、10、11”部分卸掉，換之以四輪拖拉機頭，此時旋轉(zhuǎn)編碼器8安裝于拖拉機前輪軸，并通過拖拉機的12V電瓶為步進(jìn)電機3供電。

如圖3所示，編碼器是把角位移或直線位移等非電量信號轉(zhuǎn)換為電量信號的裝置。該設(shè)計中選用的是歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器E6B2-CWZ6C，能同時輸出a、b兩相脈沖，相位差為90°，旋轉(zhuǎn)一周每相輸出600個脈沖。這種編碼器分辨率比較高，具有動力矩小，耐電壓，動態(tài)噪聲小的優(yōu)良性能。脈沖信號調(diào)理電路將脈沖信號放大并濾掉雜波，確保輸出標(biāo)準(zhǔn)方波。P3.2和P3.6分別連接編碼器的a、b兩相，主機的INT0 連接編碼器，每0.05s檢測一次a相的脈沖積累個數(shù)，從而計算出播種機的前進(jìn)速度；b相用以判斷車輪轉(zhuǎn)動方向。試驗過程中，使用外徑為25cm的模擬輪代替拖拉機前輪，利用模擬輪的轉(zhuǎn)速反映機組的前進(jìn)速度。編碼器輸出脈沖信號時難免存在抖動，可能導(dǎo)致誤判斷。為此，程序中設(shè)計一種算法：a下降沿時進(jìn)入中斷，此時對b相電平高低進(jìn)行5次判斷，如果5次判斷中有多于3次高電平，設(shè)為車輪正轉(zhuǎn)；反之，則車輪不轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。主機的T1做波特率發(fā)生器，負(fù)責(zé)串口通信，通過藍(lán)牙將主機處理的車輪速度大小、方向及種距參數(shù)發(fā)送到從機系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機的工作情況。當(dāng)車輪正轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機帶動排種器正常工作；由于其他原因車輪停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，步進(jìn)電機不工作，播種停止。

鍵盤電路將兩個獨立按鍵S1 和S2 分別定義為“增大”和“減小”鍵，操作人員可以通過按鍵使粒距以1cm為單位任意增減，其變化范圍為0～59cm。啟動控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)默認(rèn)種距值為3cm。顯示電路選用內(nèi)置漢字庫的LCD12864液晶顯示模塊，可顯示8×4行的32個漢字，采用并行接口通訊方式由主機的P0 口提供顯示數(shù)據(jù)，前3 行顯示內(nèi)容分別為種距、播量和機組前進(jìn)速度的實際數(shù)值。播種機正常工作時，液晶屏最后一行顯示“正常運行中”，當(dāng)出現(xiàn)故障時則顯示為“注意！請勿超速”、“種量不足，請加種”或“排種不暢，請?zhí)幚怼钡认鄳?yīng)故障信息。

在種箱和輸種管口上安裝光電傳感器，當(dāng)檢測到播種故障時，從機通過藍(lán)牙將故障信號發(fā)送到主機，主機經(jīng)過處理后，發(fā)出控制指令實現(xiàn)聲光報警。主機連接3個LED燈，分別標(biāo)號為LED1、LED2 和LED3。當(dāng)種箱種子不足時，LED1閃爍；輸種管內(nèi)堵塞時，LED2閃爍；LED燈閃爍的同時，蜂鳴器發(fā)出報警信號。由兩相步進(jìn)電機的固有特性可知，其運行頻率跟轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速超過最大允許值后，轉(zhuǎn)軸卡死，電機將無法正常工作。播種過程中，當(dāng)車速變快時，電機轉(zhuǎn)速也隨之增大。當(dāng)電機接近最大轉(zhuǎn)速時，通過藍(lán)牙將信號發(fā)送到主機系統(tǒng)，使LED3燈不斷閃爍，與此同時，蜂鳴器按發(fā)聲頻率分4個等級進(jìn)行報警：電機越接近最大轉(zhuǎn)速，發(fā)聲頻率越高，以便及時提醒駕駛員降速前進(jìn)。

如圖4所示，系統(tǒng)利用步進(jìn)電機作為播種驅(qū)動機構(gòu)。兩相混合式步進(jìn)電機具有步進(jìn)頻率高、無低頻共振現(xiàn)象，運行平穩(wěn)、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，是較為理想的終端執(zhí)行元件。該系統(tǒng)選用57BYGH7630兩相步進(jìn)電機，扭矩為1.89N·m，步矩角為1.8°。經(jīng)過測試，在種箱加滿麥種的情況下，電機的驅(qū)動力足以帶動單體中的雙線排種器，不存在制動現(xiàn)象。由于單片機不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機工作，中間必需通過驅(qū)動器把從機發(fā)出的脈沖信號放大后，才能進(jìn)一步控制電機工作。設(shè)計中采用TB6560 型驅(qū)動器，選擇16細(xì)分驅(qū)動，即步進(jìn)電機每轉(zhuǎn)一步的度數(shù)為0.1125°。

無線傳輸模塊采用型號為HC-06的藍(lán)牙主從機來完成無線傳輸任務(wù)。藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，它具有低成本、低功耗等優(yōu)點，HC-06能夠在10m范圍內(nèi)實現(xiàn)無線串口通信。程序進(jìn)入串口中斷后，HC-06主機可以向HC-06從機發(fā)送機組速度及方向的8位數(shù)據(jù)，HC-06從機可以向HC-06主機發(fā)送步進(jìn)電機超速、種箱缺種及輸種管堵塞的8位數(shù)據(jù)。藍(lán)牙的工作電壓為3.3 V，而單片機的工作電壓為5V，因此需要在藍(lán)牙的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收端口上各串聯(lián)1K的電阻再接到單片機上。如果需要更換藍(lán)牙從機系統(tǒng)，可以按下HC-06主機的WAKEUP鍵放棄記憶，重新搜索新的藍(lán)牙從機；如果不放棄記憶，藍(lán)牙主機將一直搜索上次配對過的藍(lán)牙從機。相反。