CN203164638U - 基于avr单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统 - Google Patents

Abstract

一种基于AVR单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统，包括电源电路、人机接口电路、检测电路及补薯执行部分组成，其中，检测电路由测薯环节5和定位环节6组成；补薯执行部分由弹簧10、击薯铁棒11、打击电磁铁线圈12、固态继电器13组成；补薯执行部分接收系统控制CPU(8)的qd端发出的10ms长补薯脉冲，经固态继电器(13)，使打击电磁铁线圈(12)流过约5A的电流，击薯铁棒(11)在打击电磁铁线圈(12)推力作用下向前运动约50mm，将补薯薯块推入预定位置，而后，该击薯铁棒(11)在弹簧(10)拉力作用下返回原位，完成一次动作；该系统解决了链勺式马铃薯播种机漏薯检测和补种两大问题。

Description

基于AVR单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统

技术领域：

本发明涉及一种马铃薯播种机的漏播检测与补种技术，属于农业电气自动化领域。 

背景技术：

随着我国马铃薯种植规模、产业规模的不断扩大和产业层次的逐步升级，马铃薯种植的机械化率不断提高，但现阶段国内使用的马铃薯播种机绝大多数是简单的机械式播种器，作业过程中存在着较为严重的漏播现象。一方面，漏播是农业种植中一个较为普遍的现象，随着精准农业概念的产生，漏播检测与补偿种植技术已经成为该领域中一个非常活跃的研究方向，另一方面，由于农业生产作业对象的不规则性、作业环境的恶劣性等，使得检测与控制的难度较一般工业应用场合更高，因此，国内外在玉米、大豆、小麦等大宗作物种植的精密播种机排种监测方面研究较多，而在马铃薯播种机上的相应研究至今不是很多。 

如，栗震霄等针对小麦免耕播种机现场尘土大，对光的衰减大，普通的排钟监测器抗尘性能较差，无法在这种高尘土的环境中工作，设计了一种免耕播种高抗尘排种监测器，可通过过强背景直流限制电路、脉冲信号对比增强电路、比较整形电路等，扩大了微小信背景直流信号的动态范围，可以检测出高尘土环境中的微弱信号，从而有利于在高尘环境中区分漏播和堵塞。 

近些年来，已有部分研究致力于解决马铃薯漏播检测与补种问题。2004年，山东农业大学赵百通基于AT89S51单片机，设计制作了一套由步进电机、光电传感器、补偿排种器、种子箱和补偿输种管等组成的马铃薯漏播检测与自动补薯系统，该系统理论构思较好，但一方面，何时进行漏种检测的问题没有明确解决，另一方面，步进电机的驱动与控制问题难度较深，极大地限制了补薯的速度，满足不了系统工作实时性的要求。 

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种马铃薯播种机作业时可以实施检测与补薯的自动控制系统，它可以在每次薯勺到达确定位置时启动红外漏薯检测，自动进行判断，并对播种总数与漏种数目进行统计，如果判定为漏播，马上启动枪栓式补薯器执行补种操作。 

由图2所示，一种基于AVR单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统，包括电源电路，人机接口电路，检测电路，补薯执行部分及系统控制CPU(8)，其中，电源电路由车载蓄电池12V电源及其指示电路(1)、数字稳压电源芯片及其输出指示电路(2)组成，人机接口电路由手动复位按钮(3)、手动打击试验按钮(4)、测薯环节红外线功能检测灯(7)、LCD1602显示电路(9)组成，检测电路由测薯环节(5)和定位环节(6)组成，补薯执行部分由弹簧(10)、击薯铁棒(11)、打击电磁铁线圈(12)、固态继电器(13)组成，其特征在于：检测电路由测薯环节(5)和定位环节(6)组成，补薯执行部分接收系统控制CPU(8)的qd端发出的10ms长补薯脉冲，经固态继电器(13)，使打击电磁铁线圈(12)流过约5A的电流，击薯铁棒(11)在打击电磁铁线圈(12)推力作用下向前运动约50mm，将补薯薯块推入预定位置，而后，该击薯铁棒(11)在弹簧(10)拉力作用下返回原位，完成一次动作。 

附图说明：

图1本发明的结构框图 

图2基于ATMega16的马铃薯播种机枪栓式补种器电控系统电路图 

具体实施方式：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施： 

参见图1，包括电源电路，由车载蓄电池12V电源及其指示电路(1)，数字稳压电源芯片及其输出指示电路(2)组成；人机接口电路，由手动复位按钮(3)，手动打击试验按钮(4)，测薯环节红外线功能检测灯(7)，LCD1602显示电路(9)组成；检测电路由测薯环节(5)和定位环节(6)组成；补薯执行部分接收系统控制CPU(8)的qd端发出的10ms长补薯脉冲，经固态继电器(13)，使打击电磁铁线圈(12)流过约5A的电流，击薯铁棒(11)在打击电磁铁线圈(12)推力作用下向前运动约50mm，将补薯薯块推入预定位置，而后，该击薯铁棒(11)在弹簧(10)拉力作用下返回原位，完成一次动作；(8)为系统控制CPU，控制系统各部件的协同工作，完成定位、测薯、显示、定时、中断、动作于补薯脉冲的发出等任务。 

参见图2，图1中的车载蓄电池12V电源及其指示电路(1)和数字稳压电源芯片及其输出指示电路(2)组成电源电路，由保险管F1，电阻R1、R2、R3，电容C1、C2、C3、C15、C14，二极管D1、D2、D3、D4及集成电路U1组成。保险管F1额定电路为500mA，防止12V蓄电池电源短路；电阻R1(07D220K)与稳压二极管D1(SMAJ18A)并联，用于蓄电池输入稳压；电阻R2(5.1K)与发光二极管D3串联，接于12V与地之间，用于指示12V电源的输入情况；二极管D2(SK34)的作用是防止12V电源反接；D2输出与电容C1(100uF/50V)、C2(0.1uF)的+12V端相连，这两个电容并联的作用是滤波；集成电路U1(LM1086)为5V稳压输出电源控制模块，其1端和3端分别连接经过电容C1、C2再次滤波稳压之后的+12V输入电压和地，2端和4端并联，经电容C15(100uF/16V)、C14(0.1uF)滤波后输出5V电源供检测系统使用；电阻R3(2.2K)与发光二极管D4串联，接于+5V与地之间，用于指示5V电源的输出情况。 

参见图2，图1中的人机接口电路，包括手动复位按钮(3)、手动打击试验按钮(4)、测薯环节红外线功能检测灯(7)及LCD1602显示电路(9)四大部分，由电阻R13、R18、R14、R36、R4、R5、R6、R7、R10、R19、R20、R35，电容C31、C10、C20、C11、C12、C21，二极管D12、D5、D6、D7、D8，三极管S8550，光耦U3、U4及插座J9、J10、J7组成。J9用于外插复位摁钮，该摁钮位于拖拉机驾驶员旁边，R13(500)用于限制光耦U3(TLP521)的输入电流，R18(10K)为该光耦输出端光敏三极管集电极的上拉电阻，光耦的发射极输出端接地，D12(B5819)主要用于在电源电压急剧降低的时候使系统控制CPU(8)以最快的速度可以在其第4引脚RST上得到一个低电平，从而将其尽早复位，以增强系统的安全性，R18与C31接于+5V和地之间，中间与D12阳极和U3输出端连接，在J9外接的复位摁钮摁下，就可以在RST端得到低电平，从而使CPU芯片复位。J10用于外插按键KEY，R14(500)用于限制光耦U4(TLP521)的输入电流，R36(4.7K)为光耦U4集电极输出的上拉电阻，光耦的发射极输出端也接地，KEY1信号就取自U4的集电极输出端，并与系统控制CPU(8)的1引脚相连，当J10外接的KEY键摁下，就可在U2的引脚1上得到低电平。R4、R5、R6、R7分别与D5、D7、D6、D8串联，接于+5V和地之间，用于显示红外发射、接收系统功能的正常性。J7用于外插LCD1602液晶显示器，其引脚7～14用于传送指令或者数据，与U2的30～37脚经排阻RP1和RP2相连，其1脚为接地端，2脚为电源端，电源输入采用C21(10uF/16V)和C11(0.1uF)并联稳压，3脚VL为液晶显示器对比度调整端，VL来自R20(10K)和R35(20k)的串联分压中间接头处，15、16(地)引脚之间的电压为液晶显示器的背光电源控制端，而控制端子15脚电压由PNP型三极管Q3(S8550)、电阻R10(2K)、R19(10K)及输出滤波电容C12(0.1uF)组成，C10(0.1uF)和C20(10uF/16V)并联接于+5V和地之间，当LCD_PW端输入一个低电平，则1602液晶15引脚上就可以得到一个约小于5V的液晶显示器背光电源控制电压，但这个电压的驱动能力由于S8550的引入而极大地增强了；4脚RS经排阻RP3的1、2端与U2的19脚连接，为数据寄存器和指令寄存器选择端；5脚RW经排阻RP3的3、4端与U2的20脚连接，为读写控制端；6脚E经排阻RP3的5、6端与U2的25脚连接，为液晶显示使能端。 

参见图2，图1中的检测电路有测薯环节(5)和定位环节(6)两部分，其中测薯环节(5)可分为红外信号发射电路、4套完全一致的红外信号接收电路及接收电源控制电路3部分，由电阻R8、R12、R15、R22、R23、R31、R25、R27、R32、R26、R28、R33、R29、R30、R34、R9、R16，电容C16、C3、C23～C26、C4、C6、C7、C9、C17、C5，二极管D9、D10，三极管Q1、Q2，插座J1～J5组成；定位环节(6)由插座J8，电阻R17、R24，电容C19、C8组成。+5V电源经C16与C3并联的滤波电容后加在R12一端，R12的另一端接至插口J1的1端，限制流过插口J1所接红外发射二极管的工作电流，LED_PWM为系统控制CPU(8)的14脚输出信号，该信号加至R8一端，R8的另一端分别接于三极管Q1的基极和R15一端，R15的另一端和Q1的发射极都接地，Q1的集电极接J1的2端，稳压二极管D9和D10的阳极均接地，D9的阴极与J1的1端连接，D10的阴极与J1的2端连接。J2口连接1#红外接收管，其2端接地，3端经电阻R23接 VCC，C23和C4并连，其一端接VCC，另一端接地，J2的1端为红外接收二极管的输出端，该信号在上拉电阻R31作用下经R22后被送到系统控制CPU(8)的40脚；J3～J5分别代表2#、3#、4#红外接收管插座，工作原理与1#红外接收管的完全相同，其接收信号也分别送至系统控制CPU(8)41～43号引脚，在此不一一列述。接收电源控制电路以三极管Q2(S8550)为核心，其发射极接+5V电源，C17(10uF/16V)和C5(0.1uF)并连，为5V电源稳压滤波，四个红外接收管的电源控制引脚IRIN_PW与R16(10K)和R9(2K)的串联体一端连接，另一端接电源+5V端，R16和R9的连接点与Q2的基极相连；当控制引脚IRIN_PW为低电平时，Q2饱和导通，四个红外接收管得电工作，可以从其信号端读取接收状态，当IRIN_PW为高电平时，Q2截止，VCC端无电压输出，红外接收系统停止工作。定位环节在接口J8上插接一开关型霍尔传感器，其2端接地，1端串接电阻R24限制霍尔元件的工作电流，R17为霍尔输出上拉电阻，上拉电源接+5V，霍尔元件的输出端3与系统控制CPU(8)的11脚连接。 

参见图2，图1中补薯执行部分以三极管Q4(S8550)为核心，其发射极接+5V电源，系统控制CPU(8)的9脚与R11一端连接，R11和R21一端相连，R21另一端接电源+5V端，R11和R21的连接点与Q4的基极相连，插座J11的1端与Q4集电极相连，2端接地，1端和2端之间并接稳压二极管D11，1端与D11阴极连接，2端与D11阳极连接；J11为固态继电器(13)的控制口，固态继电器(13)的控制口+端与J11的1脚相连，-端与J11的2脚相连；固态继电器(13)输出口+端与打击电磁铁线圈(12)的一端连接，打击电磁铁线圈(12)的另一端直接与+12V电源连接，固态继电器(13)输出口-端与地连接。每当系统控制CPU(8)的RELAY脚输出一个低电平，则击薯铁棒(11)执行一次击薯操作，完成后，击薯铁棒(11)在图1所示弹簧(10)拉力作用下返回原位，这也正是枪栓式补薯器得名的原因。 

参见图2，图1中(8)为系统控制CPU，选择AVR单片机ATMEGA16，其5、17、38、27引脚为+5V电源输入端，6、18、39、28引脚为接地端；7、8引脚脚为晶振(Y1，8MHZ)和起振电容C27(22pF)、C28(22pF)组成的振荡电路的输入口，1引脚为手动打击试验按钮KEY输入端，连接信号KEY1端；2、3、15、16引脚为测薯环节红外线功能检测灯控制端，连接LED1～LED4信号端；40～43引脚为红外接收信号输入端，与信号IRIN1～IRIN4端连接；44引脚输出红外电源VCC控制信号，与IRIN_PW信号端相连；9引脚为固态继电器(13)的控制端子，与RELAY信号端相连；11引脚为霍尔传感器输入端，与信号端子HUOERIN相连；14引脚红外发射控制端子，与LED_PWM信号端相连；4号引脚端子为复位信号输入端，与RST信号端相连；37～30为液晶显示器LCD1602的数据/指令端口，经排阻RP1和RP2与信号D0～D7相连；19、20、25、26号引脚为LCD1602的控制引脚，经排阻分别与RS、RW、E、LCD_PW相连；21～24引脚为程序烧写信号连接端，分别与信号TCK、TMS、TDO、TDI相连。插座JP1为JTAG烧写端口，其1端连接信号TCK，3端连接信号TDO，5端连接信号TMS，7端和4端连接+5V电源，9端连接TDI，2端和10端接地，6端为复位信号输入端，8端悬空。J6为单排5端口烧写端，1端连接+5V电源，2端连接信号TCK，3端连接信号TDO，4端连接信号TMS，5端连接信号TDI。C32(0.1uF)、C33(0.1uF)、C34(0.1uF)、C18(10uF/16V)为系统控制CPU(8)电源滤波器。 

Claims (4)

1.一种基于AVR单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统，包括电源电路，人机接口电路，检测电路，补薯执行部分及系统控制CPU(8)，其中，电源电路由车载蓄电池12V电源及其指示电路(1)、数字稳压电源芯片及其输出指示电路(2)组成，人机接口电路由手动复位按钮(3)、手动打击试验按钮(4)、测薯环节红外线功能检测灯(7)、LCD1602显示电路(9)组成，检测电路由测薯环节(5)和定位环节(6)组成，补薯执行部分由弹簧(10)、击薯铁棒(11)、打击电磁铁线圈(12)、固态继电器(13)组成，其特征在于：检测电路由测薯环节(5)和定位环节(6)组成，补薯执行部分接收系统控制CPU(8)的qd端发出的10ms长补薯脉冲，经固态继电器(13)，使打击电磁铁线圈(12)流过约5A的电流，击薯铁棒(11)在打击电磁铁线圈(12)推力作用下向前运动约50mm，将补薯薯块推入预定位置，而后，该击薯铁棒(11)在弹簧(10)拉力作用下返回原位，完成一次动作。 

2.根据权利要求1所述的一种基于AVR单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统，其特征在于测薯环节(5)，包含+5V电源，+5V电源经C16与C3并联的滤波电容后加在R12一端，R12的另一端接至J1的1端，限制流过插口J1所接红外发射二极管的工作电流，LED_PWM为系统控制CPU(8)的14脚输出信号，该信号加至R8一端，R8的另一端分别接于三极管Q1的基极和R15一端，R15的另一端和Q1的发射极都接地，Q1的集电极接J1的2端，稳压二极管D9和D10的阳极均接地，D9的阴极与J1的1端连接，D10的阴极与J1的2端连接；J2口连接1#红外接收管，其2端接地，3端经电阻R23接VCC，C23和C4并联后一端接VCC，另一端接地，J2的1端为红外接收二极管的输出端，该信号在上拉电阻R31作用下经R22后被送到系统控制CPU(8)的40脚。 

3.根据权利要求1所述的一种基于AVR单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统，其特征在于定位环节(6)，包含接口J8上插接一开关型霍尔传感器，其2端接地，1端串接电阻R24限制霍尔元件的工作电流，R17为霍尔输出上拉电阻，上拉电源接+5V，霍尔元件的输出端3与系统控制CPU(8)的11脚连接。 

4.根据权利要求1所述的一种基于AVR单片机的马铃薯漏播检测与枪栓式补种器电控系统，其特征在于补薯执行部分，包含三极管Q4，其发射极接+5V电源，系统控制CPU(8)的9脚与R11一端连接，R11和R21一端相连，R21另一端接电源+5V端，R11和R21的连接点与Q4的基极相连，插座J11的1端与Q4集电极相连，2端接地，1端和2端之间并接稳压二极管D11，1端与D11阴极连接，2端与D11阳极连接；J11为固态继电器(13)的控制口，固态继电器(13)的控制口+端与J11的1脚相连，-端与J11的2脚相连；固态继电器(13)输出口+端与打击电磁铁线圈(12)的一端连接，打击电磁铁线圈(12)的另一端直接与+12V电源连接，固态继电器(13)输出口-端与地连接。 

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