浅谈对精密或超精密加工的理解【浅谈精密播种智能监视仪】
[摘要]应用单片机技术,研制出一种精密播种机智能监测仪,该仪器与大型宽幅精密播种机配套使用,可实现播种作业的全过程监测。当播种机发生漏播时仪器发出声音警报并有屏幕提示漏播行,同时可为播种作业提供实时的作业指导。
[关键词]精密播种监测仪单片机
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110035-01
近几年,随着我国农业生产水平的不断提高,精密播种技术因其具有高产、节省种肥等优点,得到了推广和普及。由于耕播机在播种作业时有播种过程全封闭的特点,所以仅凭人的视听无法直接监视其作业质量,如在播种作业时发生机械传动故障,种箱排空、导种筒堵塞等现象均会造成漏播。
针对以上问题我们应用单片机技术研制出一种智能播种机监视仪。研制成功了精密播种机智能监测仪,并且实现了播种作业全过程监测。该种监视仪具有监视准确可靠,可监视多种播种农作物,硬件电路结构简单的特点,同时还具有监视传感器自检功能和停播不报警功能。
一、硬件电路及工作原理
本系统的硬件电路的组成部分为:单片机系统、播种监视传感器、多路双向模拟转换开关、监视传感器光源驱动电路。下面以12行耕播机为例针对系统硬件电路各部分予以介绍。
(一)监视传感器电路设计
由于12行耕播机每个播行具有2个苗带,为了保证监视的准确性,对这2个苗带均需进行监视,因此本系统需要监视传感器24只。
种子播种过程如下:种子由种箱进入排种器,再进入排种轮内排种窝眼,排种轮在传动机构带动下转动。当转动到一定位置后,种子在重力作用下,沿导种筒滑下,播入地里完成播种过程。因种子在导种筒中滑落时会发生弹跳现象,故种子会在导种筒内较大空间范围内落,这就给播种监视带了一定的难度。在此我们选用外径为Φ10mm的金属封装硫化隔光敏电阻作检测元件。由光敏电阻做检测元件组成的播种监视传感器电路如图2所示。
光敏电阻RG和电阻R2、R3、R4组成惠斯登电桥电路,这样可以提高光敏电阻检测灵敏度。
(二)单片机
本系统选用ATMEL公司高性能低价格的AT89C2051单片机,该单片机片具有2k字节的FLASH程序存储器,其1000次的擦写次数便于程序的修改,其内总线结构拥有很强的抗电磁干扰能力。其单片机内部硬件资源如下:15根I/O口线;1个模拟电压比较器;2个16位定时器;5个中断源;2k FLASH ROM和128字节RAM。其指令系统和MCS-51的指令系统完全兼容。
(三)播种监视信号的采集
本系统中有监视传感器24只,用来对播种状态进行监视,这24路监视信号需送入到单片机中,再由单片机对播种状态进行检查处理,并且还需满足实时性的要求。因此监视信号的采集接口电路是这个设计的难点。
如采用单片机的I/O口线直接输入不能满足实时性要求,而采用扩展中断控制器接口芯片如8259A,又会使硬件电路过于复杂,成本增加。经反复试验,我们选十六选一双向模拟开关CD4067做为信号采集接口芯片,可满足多路开量的采集和对实时性的要求。传感器的信号输出线直接和双向模拟开关的输入端相连,模拟开关的公共输出端和单片机的计数器T0输入端相连,T0设定为重装初值方式,定时器初值设定为TH←0=0FFH,TL←0=0FFH并且开放中断,T0计数方式则选用下降沿触发。
(四)监视传感器自检电路
由于播种监视传感器的数量较多,并且安装位置分散,故障率相对较高。为了迅速判明故障,本系统设有开机传感器自检功能。
自检原理如下:由单片机的P3.7口线来控制和监视传感器配套的LED发光管的亮灭,当其正常工作时P3.7输出低电平,该电平信号经U1:A反相驱动后令U1:B～U1:D导通,因此二极管VD1～VD24正常发光,当传感器自检时P3.7口发出的24个周期20ms占空比为50%的方波信号,此信号的高电平使发光二极管熄灭24次,即发光管闪烁24次,在发光管闪烁的同时,单片机控制双向模拟开关由1～24通道顺序接通,双向模拟开关与某个通道的传感器接通时,单片机判断P3.4口线即T0计数输入端的状态,如果该口线也能产生一个负向跳变的方波信号就说明该传感器完好,否则表明传感器具有故障。图3中各个元件作用如下:ULN2003是反压30V驱动电流500mA的达林顿管,因为需驱动24只Φ10额定电流为30mA的红色高亮发光管,所以采用3路ULN2003并联的方式驱动,用以满足驱动的功率要求。
(五)多种作物监视
如今耕播机播种的作物种类不断增多,不但可播种大豆还可播种玉米、甜菜等作物,因此要求监视仪拥有多种作物的监视功能。本系统设有播种作物的选择开关,用来选择监视不同的播种作物。即选择监视单苗带或双苗带以及报警时间的长短,它的具体功能由软件通过监视奇、偶苗带和选用不同的监视报警时间参数来完成。
(六)电源
本系统电源选用牵引车蓄电瓶,电瓶电压选为12V,但需降至5V供本系统使用。由于稳压元件自身压降达7V以上,功耗很大,因此本系统选择金封大功率稳压块7805K,用来完成5V稳压功能。此外电源部分还拥有电源反接保护电路及和输出端短路保护电路。
二、系统软件设计
本系统程序采用模块化结构设计,主要由监视信号采集和处理模块、传感器自检模块以及报警显示模块等模块构成。下面简单介绍一下主程序和监视信号的采集和处理程序,其它程序介绍从略。
(一)主程序
主程序主要完成对系统的电自检、监视传感器自检、系统初始化,其它的工作是使双向模拟开关逐路顺序导通,然后对各通道传感器进行高速的循环扫描。
(二)监视信号的采集处理
该部分主要由T0计数中断程序和100ms定时中断程序构成。T0中断程序在单片机内RAM单元开辟一个24字节的数据区,这个数据区称之为第一数据区,该数据区的地址和监视传感器相对应。当单片机响应T0中断时先通过查询获得监视传感器通道号,并且通过运算得到对应RAM区的地址,使得该地址单元RAM内容加1计数,故播种正常的传感器对应的RAM单元里会有一个非零的值,而播种故障的传感器RAM的内容始终为零。
三、实际使用
目前国营农场采用的大型精密播种机有宽幅、高速、全液压控制等特点,播种机不仅作业速度快并且机具起落迅速,播种机监视人员常发生受伤事故。精密播种智能监测仪便充分发挥了微机化智能仪器的以上优点,不但实现了漏播监视和播种参数的测量功能,并且具有完善的CPU自检,播种传感器自检功能,同时具有多种播种作物监测的功能和非播种状态自动停机的功能。本监视仪研制完成以后,与桦丰耕播机厂制造的2BJG-12型精密联合耕机相配套,经过几年的使用证明,该仪器具有报警准确及时、工作稳定可靠等特点,改变了从前靠人员站机进行监视播种的现象,大大提高了播种作业速度及生产率,很大程度的避免了漏播造成的大面积减产以及因此造成的经济损失,由此得到了厂家的肯定和用户的赞扬。