基于单片机的播种机滑移率监测系统

耿端阳;李丹;李清华;王振伟;蒋春燕

【摘 要】In order to get the working areas of seeder research a wireless monitoring system that can test slip rate of preci -sion seeding machine in time .The system is based on AT C52 microcontroller as the main control chip and used the hall sensor for monitoring and controlling , combined nRF24 L01 chip to realize wireless data transmission and through his screen realize the collected data on line display finally .The system has the advantages of simple structure , convenient op-eration , high reliability and test results show that can display accurately on the slip rate .%为了确保精准播种作业，对驱动播种机排种器的地轮滑移率的检测方法进行了研究，开发了一种检测播种机滑移率的无线监测系统。该系统以ATC52单片机作为主控芯片，采用霍尔传感器进行监测和控制，结合nRF24 L01芯片实现检测数据的无线传输；并将检测结果通过迪文显示器实时显示出来，为实现精准农业中的变量播种提供数据支持。该系统结构简单、操作方便、可靠性高，能够实现播种机作业过程滑移率的检测和实时显示。 【期刊名称】《农机化研究》 【年(卷),期】2014(000)003 【总页数】4页(P178-181)

【关键词】播种机;滑移率;无线监控;单片机 【作 者】耿端阳;李丹;李清华;王振伟;蒋春燕

【作者单位】山东理工大学 轻工与农业工程学院，山东 淄博 255049;山东理工大学 轻工与农业工程学院，山东 淄博 255049;山东理工大学 轻工与农业工程学院，山东 淄博 255049;山东理工大学 轻工与农业工程学院，山东 淄博 255049;山东理工大学 轻工与农业工程学院，山东 淄博 255049 【正文语种】中 文 【中图分类】S232.2+5 0 引言

精准农业(Precision Agriculture)是当今世界农业生产发展的主潮流，是在信息技术支持下根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节作物的播种量及后期的管理投入，如精准播种就要根据土壤的理化性状、土壤肥力、水分含量等具体情况进行变量播中;而变量播种的关键是实现种子在指定位置完成定点投种。显然，若不掌握播种机地轮滑移率，很难实现有效的精准变量播种。为此，提出了一种基于单片机控制的播种机滑移率即时检测及显示系统，可以实现地轮滑移率的在线监测与实时显示，便于为精准播种作业提供准确的技术数据。 1 系统测量原理 1.1 整体方案设计

考虑到播种作业环境的复杂性，设计检测系统由传感器电路、信号处理电路、无线收发电路、主控电路和显示电路组成。其中，传感器电路采用霍尔转速传感器，可将采集的地轮转速转化成脉冲信号;信号处理电路可以将传感器采集到的信号进行放大、整形，便于信号的采集和传输;无线收发电路不仅简化了信号传输的结构，而且可以减小信号的衰减;主控电路完成整个系统协调和数据分析等任务，并将信

号处理的结果发给显示系统，实现数据的即时显示。其系统框图，如图1所示。 图1 系统结构框图 1.2 地轮转速测量原理

目前，转速测量的方法主要有测频法(M法)、测周期法(T法)和频率周期法(MPT法)等。考虑成本、工作环境和结构等因素，本文采用测频法测量地轮转速。其测量原理:利用霍尔元件的磁感应原理，即其频率与转速成正比，这样通过统计安装在地轮上的霍尔传感器输出的脉冲信号个数即可计算出地轮的转速。 1.3 滑移率计算

滑移率为播种机作业过程，地轮滑移距离所占实际行走距离的比例，一般用δ表示。设地轮的纯转动距离为L，地轮直径D1，地轮转速为n1，则单位时间地轮纯转动距离为

在作业过程很难直接测定地轮实际行走距离，但是考虑播种机一般由拖拉机悬挂或牵引作业，且拖拉机以大而宽的后轮为驱动轮，所以这里以拖拉机后轮所走过的距离为实际作业距离，用S表示，其转动速度为n2，后轮直径为D2，则单位时间地轮实际行走距离为

显然，L≠S，即播种机作业过程地轮存在滑移问题，根据滑移率定义有

式中 L—播种机前进的距离(m); N—拖拉机转动的圈数; n—播种机转动的圈数; D1—播种机地轮的直径(m); D2—播种机地轮的直径(m);

δ—播种机的滑移率。 2 系统硬件电路设计

本系统硬件部分包括数据采集无线发射端和数据无线接收显示端两部分。 其中，数据采集无线发射端以80c51f020单片机为主控芯片、以数据采集模块和数据无线发送模块为外围。数据采集模块负责采集地轮的转速，由数据无线发送模块将采集到信息发送到数据接收端进行上述处理。

数据接收显示端主要包括ATC52单片机控制系统、数据无线接收模块和数据显示模块。数据无线接收模块将收到的地轮转速信息传递给主控单片机进行分析、计算和处理，进而将处理结果在迪文显示屏上实时显示出来。 2.1 数据采集模块

数据采集模块主要包括进行信息采集的霍尔转速传感器和对信息进行整形放大的LM358双运算放大器两个模块。其采集原理:将传感器与磁铁分别固定在机架和待测地轮上，并保证传感器和磁铁位置正对，这样当磁铁随地轮每转动1周，传感器就感应1次，并产生1个正弦感应电压;进而将该感应电压经过LM358双运算放大器进行整形处理，得到标准的正弦感应电压的波形，如图2所示。传感器产生的正弦信号由引脚1输出，经过过零整形电路，使其变换成单片机可以直接统计、规则稳定的矩形脉冲信号。 图2 霍尔传感器原理图 2.2 无线传输模块

本系统采用nRF24L01芯片组成的无线传输模块实现信号的无线传输。nRF24L01是一种能满足多点和跳频通信的超小型芯片，其信号传输效率快、传输时间短，有利于降低无线传输中的碰撞现象;且该芯片集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，可以实现数据包的自动重发和应答信号的自动形成。

80c51f020芯片具有与8051兼容的CIP－51微控制器内核，单周期指令运行速

度快，同时拥有8个8位I/O端口，可以减少外部连线和器件扩展，有效地提高了系统的可靠性和抗干扰能力。nRF24L01芯片和80c51f020芯片连接如图3所示。

图3 nRF24L01芯片和80c51f020芯片引脚连接图 2.3 数据接收和显示模块

该系统采用ATC52芯片实现对数据的接收和显示功能。ATC52芯片兼容标准MCS－51指令系统;此外，系统还带有2个全双工串行通信口，方便数据的接收与发送。

在本系统中，将 nRF24L01芯片的引脚直接与ATC52芯片的IO口直接相连，完成对数据的接收功能。同时，ATC52对接收到的数据进行分析、计算通过串行口与迪文显示屏进行连接，实现数据的实时显示。本系统的连接图，如图4所示。

图4 ATC52和nRF24L01引脚连接图 3 系统软件设计

基于上述系统硬件的设计，系统的软件部分主要分为数据无线采集发送端(如图5所示)与数据无线接收显示端(如图6所示)两部分。

在数据采集端，首先对芯片进行初始化，完成芯片各功能引脚的设置;接着将收到的数据包传递给nRF24L01芯片，调节nRF24L01的引脚，将CE引脚置为高电平，实现数据的无线发射传输。 图5 数据发送端流程图

在数据接收端，初始流程和数据发射端类似，此时nRF24L01的工作模式由发射端的发射模式变为接收模式。其软件流程图，如图6所示。 图6 数据接收端程序流程图

数据采集端的数据处理方法:通过传感器端采集到播种机地轮的转速;然后，按照前

面的方法即可确定出播种机作业的滑移率。 4 系统测试

为了测试本系统的稳定度和精度，将其安装在播种机上，在山东理工大学农机性能实验室的土槽内进行试验。

滑移率实际值测定的方法:在土槽中量出20个播种机地轮周长的长度，通过系绳对播种机地轮进行标记，通过人为方法改变地轮的滑移率，数据采集采用人工和系统分别对播种机地轮的滑移率进行测试计算，并对其结果进行对比，如表1所示。 表1 滑移率误差率测试结果 %序号 实际值 测量值 误差率1 1.25 1.258 0.63 2 2.5 2.54 1.52 3 3.65 3.71 1.63 4 5 5.08 1.71 5 6.25 6.28 0.47 6 8.5 8.65 1.73 7 7.5 7.59 1.18 8 8.45 8.5 0.58 9 9.4 9.51 1.16 10 11.25 11.3 0.44平均值6.375 6.442 1.04

由试验结果可知，本测试系统基本可以用来检测播种机作业过程的滑移率。虽然该系统测试结果与实际值存在微小偏差，但该偏差主要是因为试验土槽长度较短以及人工统计、特别是当出现非整圈时带来的统计偏差，且该偏差基本都在2%以内，所以可以应用于播种机滑移率的检测中。 5 结论

1)本系统采用了面向低功耗的ATC52单片机为主控芯片，高传输效率Nrf24L01为无线传输芯片，霍尔转速传感器为采集模块，可以较准确地得到播种机播种过程中的滑移率。

2)该装置尺寸小、成本低，并且数据传输采用了无线传输技术，有利于系统的安装和维护，为未来精准变量播种技术的实现奠定了基础。 参考文献:

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