本科毕业设计 精密播种机监测系统研究.doc

吉 林 农 业 大 学本 科 毕 业 设 计 论文题目： 精密播种机监测系统研究 学生姓名： 专业年级：电子信息科学与技术专业 指导教师： 职称 讲师 2009年 6 月 3 日目 录题目I摘要及关键词I1 前 言11.1 课题的提出11.2 精密播种机播种国内外发展概况21.3 研究开发内容22 精密播种机排种性能监测总体方案的确定32.1 播种机的性能要求及性能指标32.1.1 播种机的性能要求32.1.2 播种机的性能指标32.2精密播种机排种性能参数的监测42.2.1监测内容42.2.1.1 播种机漏播监视42.2.1.2 播种机排种量监视42.2.1.3 排种速度监视42.2.2 监测方法52.3 监测系统总体方案的确定52.3.1 系统硬件结构52.3.2系统软件结构63 监测系统硬件设计63.1主控系统电路设计73.1.1漏播检测模块电路设计113.1.1.1传感器的选择113.1.1.2 发光二极管的选择123.1.1.3 常用受光器件的选择133.1.1.4 光电检测电路设计143.1.2 测速器及漏播监测启动器设计163.1.3数据存储模块设计173.1.4 显示系统193.1.5无线收发模块213.2 无线语音报警系统设计234 监测系统软件设计234.1 软件系统编译语言选择234.2 软件系统的程序设计方案244.2.1程序设计244.3 软件调试255 系统的抗干扰设计255.1 硬件抗干扰255.2 软件抗干扰265.3 本章小结276 结论与展望276.1结论276.2 精密播种机监测系统的改进方向27参考文献28致谢29附录30精密播种机监测系统的研究学生：林春花 专业：电子信息科学与技术指导教师：宫鹤摘 要：播种在农业生产中最重要的环节之一，播种机的性能直接影响着播种质量和收成。精密播种机的监测系统是现代精播机的一个重要组成部分，其性能的好坏将影响精密播种质量。精播机对不同性能有不同要求，而且其参数覆盖面广。目前国内研制的精密播种机监测系统仅在于解决漏播、重播的监视；精密播种机上所采用的监测和报警装置，主要有机械式报警器、机电式报警器和电子仪器式监控系统。本文研制一种能够全面监测各项性能指标的精密播种机自动监测系统，包括漏播、播种机排种量、排种速度性能参数。本研究运用单片机控制技术，结合自动控制理论设计了精密播种机自动监测系统。关键词：精密播种机；监测系统；自动控制；报警THE STUDY ON MONITORINGSYSTEM OF PRECISION DRILLName: Lin ChunhuaMajor: Electronic Information Science and TechnologyTutor: GongHeAbstract: Seeding is one of the most important processes of agriculture production, the performance of drill affects the seeding quality and harvest Seeding monitoring system is an important component of present precision drill and its function directly affects the quality of precision seeding. There are different demands to the different performances, and its parameters are widely covered with. At present the seeding monitoring system researched in domestic only to solve the miss-seeding and rebroadcast, At present the monitoring and alarm equipment adopt in precision drill are mechanical alarm, mechanical and electronical style alarm, electronical apparatus style control system. The monitoring system of this paper can comprehensively test precision seeding performance parameters automatically. Including seed-rate, sowing speed, inter-plant spacing . So the monitoring system is designed based on control techniques of MCU and automatic control theory in this paper directly.Keywords: precision drill, monitoring system, automatic control, annunciator1 前 言1.1 课题的提出我国是一个农业大国，其中75% 的人口是农业人口。中央非常重视“三农”问题，投入了大量的精力和财力，解决“三农”问题。农业生产季节性强，必须按照农业技术要求，不误农时。农业机械化则是提高生产率，解放生产力的主要途径。播种是农业生产中的关键环节，“播种好收一半”，是长期生产实践对播种重要的总结。所以提高播种机的性能、工作质量和效率已成为最终追求目标，并成为农业机械化首要的问题。随着播种技术的发展，先后研制出结构形式多样的撒播机、条播机、穴播机和精播机等。精密播种是按农艺要求将种子播到土层中的理想位置，一播完成作物合理的田间分布的播种方式。精密的含义包含数的精确性和位的精确性两方面，即种子根据精确的粒数、株(穴)距、行距和播深播入土中。精播可以是单粒种子按精确的粒距播成条行称为单粒精播；也可将多于一粒的种子播成一穴，要求每穴粒数相等。精密播种的作物田间分布合理，植株占有最大的营养面积，通风，光照良好，便于后序作业的机械化，能达到高产丰收的目的。同时，精播可节省种子和减少间苗工作量。但要求种子有较高的田间出苗率并预防病虫害，以保证单位面积内有足够的植株数。精密播种技术具有省种、高产的优点，随着农业现代化的发展和农业产业结构的调整，精密播种机受到了国内外的普遍重视，使得精密播种技术有了更广阔的发展前景。因此，精密播种机已成为现代播种技术的标志，成为播种机的主要发展方向1。目前国内使用的精播机绝大多数是机械式和气力式播种机，由于精播机在播种作业时具有播种过程全封闭的特点，因此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、开沟器被土块堵塞、排种器传动失灵等故障现象均会导致一行或数行下种管不能够正常播种，造成漏播。尤其是大型宽幅精播机，其作业速度高、播幅宽，一旦发生上述现象则会造成大面积的漏播，必然造成农业生产的严重损失2。所以对于精密播种机，在排种装置上配备可靠性高性能完善的工况参数监测与故障报警系统，对精密播种机的工作运行状态进行实时监测和故障的准确预报，已成当务之急，目前，精密播种机上所采用的监测和报警装置，主要有机械式报警器、机电式报警器和电子仪器式监控系统。机械式报警器是精播机上最早采用的装置，以敲击铃罩不断发出响声，以示报警。与机械式报警器相比，机电信号式报警装置不但有声音报警和指示灯显示，而且可以探测种子箱内的种子是否能够达到正常播种数量。目前国内研制的精密播种机监测系统重点只在于解决漏播、重播的问题。本研究针对目前的这一不足点，研制一种能够全面监测各项性能指标的精密播种机自动监测系统，不但能防止漏播，保证播量，提高播种的质量和农作物产量，而且大大减轻农民劳动强度，提高生产效率，具有重要的经济效益和社会效益。1.2 精密播种机播种国内外发展概况国外在播种监测方面研究较早。20 世纪80 年代初，西方国家就已开始将电子技术用于播种机，如电子监视播种控制等。目前，在欧美国家精密播种也已经达到相当完善的程度，精播机上的监控系统也随之发展起来。如法国NODET 气吸式播种机上的一种响铃式排种故障报警器。与机械式报警器相比，机电式报警装置不仅有声音报警，还有指示灯显示。随着国外不同类型精密播种机的相继引进，我国精密播种机的研制工作不断出现新的高潮，新式播种机和相应的监控系统也不断出现。河北农业大学刘淑霞等采用MCS-51单片机实现了精密播种机排种性能监测，对重播、漏播分别进行不同方式的声光报警，可定时计算重播率、漏播率，也可根据需要将这些参数打印下来，并送显示器显示。当然，与国外的试验设备相比，我们还有很大差距，但是，随着电子技术和计算机技术的进一步发展，一些新的检测技术和检测手段将会不断出现，特别是逐步发展起来的基于虚拟仪器等的现代检测技术，将使得播种机监测系统逐渐向着智能化、自动化以及精确化的方向发展，以实现农机作业的高效率。随着科学技术的发展，机械技术与微电子技术相结合的机电一体化技术将逐渐进入精密播种机的监测装置。基于该技术下的监测系统不但有监测、报警功能，还具有执行动作机构，可以完成不正常播种的纠正。因此，运用机电一体化技术的精密播种机监测系统是将来的主要发展方向3。13 研究开发内容针对目前国内研制的精密播种机监测系统重点在于解决漏播、重播的问题。本项目要研制一种能够全面监测各项性能指标的精密播种机自动监测系统。它由传感器、报警装置、数据存储电路、LCD显示及单片机等组成。监测装置自动测试播种机的各项性能指标，如：排种量，排种速度、重播率，漏播率等，并利用计算机软件编程来实现对数据的运算处理，显示并且实时监测播种机的各项性能指标，使其达到指定要求。本研究内容包括以下几个方面：(1)根据精密播种机排种性能确定其监测方案；(2)精密播种机监测系统硬件的设计；(3)精密播种机监测系统软件的设计；(4)对系统进行抗干扰设计。2 精密播种机排种性能监测总体方案的确定2.1 播种机的性能要求及性能指标2.1.1 播种机的性能要求播种机监测系统以获取播种机排种性能参数为主，因此需要对播种机性能有一定的了解。播种机的性能要求，包括农业技术要求和使用要求两个方面。（1）播种机的农业技术要求：要求条播机的播种量符合农业技术要求，行距一致、播种均匀；种子播入湿土层中且用湿土覆盖，播深一致且符合农业技术要求，种子损伤率低。对穴播机的要求是每穴种子粒数一致，穴内种子不过度分散，播深一致且符合农业技术要求，种子损伤率低。对单粒精密播种机的要求是每穴1 粒，株距精密。（2）播种机的使用要求：通用性好，能播多种种子，不损伤种子，调整、换种方便可靠；在田作、套种、播种的同时，能进行施肥、开沟、筑埂、起垄及镇压等作业4。2.1.2 播种机的性能指标播种质量的高低常用下列性能指标来评价:(1) 排种量稳定性。指排种器的排种量不随时间变化而保持稳定的程度，可用于评价条播机播种质量的稳定性。(2) 各行排种量一致性。指同一台播种机上各个排种器在相同条件下排种量的一致程度。(3) 排种均匀性和播种均匀性。指播种机排种器排种的均匀程度和种子在种床上分布的均匀程度。(4) 穴粒数合格率。对普通穴播，每穴种子粒数以n±1 粒或n±2 粒为合格，n 为每穴种子粒数的预计值。(5) 粒距合格率。在单粒精密播种时，以1.5t株距0.5t 为合格。式中t 为平均粒距。若行内种子间距小于或等于0.5t 者，为重播；大于1.5t 者为漏播。(6) 播深稳定性。指种子上面所覆土层厚度的稳定程度。有时以播深合格率作评价指标，而以规定播深±1cm 为合格(所谓播深是指种子正上方的土层厚度)。(7) 种子破损率。经排种器排种后，可察觉的受机械破损的种子量占排出种子量的百分比5。2.2精密播种机排种性能参数的监测2.2.1监测内容根据播种机的性能指标，其主要性能参数有播种机排种量、排种速度、播种间距、播种面积、单播率、重播率、漏播率等。现代精密播种机上一般安装的是电子监视装置，由传感器、光电转换线路、报警控制和信号显示装置构成，但它们的重点都在于解决漏播、重播等问题。本项目要研制一种精密播种机自动监测装置，比较全面地自动测试播种机排种性能的各项指标，并利用计算机编程软件对数据进行运算，存储，解决播种机实时监测问题。2.2.1.1 播种机漏播监视当播种机正常工作时，种子有规律的下落并通过红外对管，遮断红外光束，光敏二极管将接收到的断续红外光信号转变为电脉冲信号，经过整形放大电路传递给单片机系统；当种箱或排种器不正常播种时，种子不再通过红外对管，红外光二极管发出的红外光全部照在接收管上，光强增大，此时监测系统将对漏播进行提示。2.2.1.2 播种机排种量监视在排种管上安装播种量传感器。当种子通过播种量传感器的种子通道时，遮断光束，使光电管发出信号，使下落信号转换为电脉冲信号，经过放大，LED有规律的闪烁，电脉冲的个数即种子的累计数量，将这种信号经过单片机处理，在显示器上显示排种量。当某一行或者数行发生故障时，无种子通过，将发出报警声响，以告知漏播。2.2.1.3 排种速度监视排种速度是决定排种均匀性和播种均匀性的重要因素，传统播种机使用地轮驱动排种器，但因地轮阻力大，容易打滑，播种均匀性无法得到保证，故本系统采用电机驱动排种器。可根据播种机作业速度来动态调节驱动电机转速，从而使排种器转速与播种机作业速度一致。可在播种机上安装一个米尺，进而测播种机作业速度。这样就保证了电机及排种器转速与播种机的作业速度的一致性。由前面已测得播种机排种量，因此可以计算出规定时间内落种的数量，并在显示器上显示其单位时间内的排种数量，即排种速度6,7。2.2.2 监测方法本监测装置由传感器、报警装置、无线发射模块和单片机等组成。将所采用的传感器，安装在输种管开沟器附近。传感器的作用是将输种管中种子流动的情况变换成电信号，并将其信号送入单片机，对播种机作业过程进行实时监测，发生故障时，将发出声光报警。2.3 监测系统总体方案的确定2.3.1 系统硬件结构系统的硬件设计是整个系统设计的基础，主要实现各个物理信号的采集、放大、整形、处理和转换。该监测系统的硬件电路主要由播种机主控系统和无线语音报警系统两部分组成。(1)主控监测系统硬件由漏播检测模块电路、测速及漏播启动电路、微控制系统、无线发射模块电路、数据存储模块、显示系统电路组成，框图如图2-1所示。微控制器无线发射模块数据存储器模块显示系统电路漏播检测模块电路设计测速器及漏播 监测启动器按键输入图2-1 播种机主控系统Fig 2-1 The master of seeding-machine主控系统以微控制器为核心，正常工作时，和普通机械播种机一样由拖拉机带动主播种系统播种，不启动备用播种器，仅记录已播种株数到数据存储模块，以备操作者可查询和分析。当播种系统漏播监测器监视到有漏播现象发生立即启动播种系统，同时记录连续漏播数量，若大于设定值则通过无线发射模块向驾驶室发报警信号；若播种系统漏播监测器监视到有漏播现象则也发报警信号，同时记录漏播位置，以备操作者通过键盘在显示器上查询。(2)无线语音报警系统硬件由无线接收模块、LED报警显示电路、语音报警模块组成。其框图如图2-2：微控制器无线接收模块LED 报警显示语音报警模块图2-2 无线语音报警系统Fig 2-2 The wireless of system of speaker当出现漏播或输种管堵塞时，启动声光报警装置。倘若某行漏播或堵塞，除该行所对应的发光二极管闪烁外，同时报警装置发出报警声音。 2.3.2系统软件结构软件设计采用模块化程序设计方法，运用C语言编写程序，其中核心思想是把一个复杂的应用程序按整体功能划分为若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后再进行综合调试。主要包括了主程序的设计，漏播监测子程序设计，声光报警子程序的设计，显示子程序的设计。3 监测系统硬件设计根据总体方案的设计，本章将详细介绍两个系统各功能模块设计过程。3.1主控系统电路设计目前世界上有很多单片机生产商，如美国的INTEL、ATMEL、MOTOROLA和ZILOG公司；德国的SIEMENS 公司；荷兰的PHILIP 公司等。他们相继推出了各种类型的单片机，其中Intel 公司推出的一种高性能8 位单片机，MCS-51 系列单片机，以其优越的性能，成熟的技术和高性价比迅速占领了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。在控制领域，单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等8。基于单片机在控制方面的诸多优点，并考虑到本课题的特点，所以采用单片机技术，结合自动控制理论，设计了精密播种机排种性能自动监测系统。并加以实验论证。主控系统采用STC89C51作为核心芯片。 （1）STC89C51RC/RD+系列单片机简介9STC89C51RC/RD+ 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/ 高速/ 低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051 单片机，12时钟/机器周期和6时钟/ 机器周期可任意选择，最新的D 版本内部集成MAX810 专用复位电路。选择STC89C51系列单片机的理由： 加密性强； 超强抗干扰:1、高抗静电（E S D 保护）2、轻松过2 K V / 4 K V 快速脉冲干扰( E F T 测试）3、宽电压， 不怕电源抖动4、宽温度范围, - 4 0 8 5 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施：1 、禁止A L E 输出；2 、如选6 时钟/ 机器周期，外部时钟频率可降一半；3 、单片机时钟振荡器增益可设为1 / 2 g a i n 。超低功耗:1 、掉电模式： 典型功耗 <0.1 A2 、正常工作模式： 典型功耗 4mA - 7mA3 、掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池，供电系统，如水表、气表、便携设备等。在系统可编程, 无需编程器, 无需仿真器可送S T C - I S P 下载编程器,1 万片/ 人/ 天;可供应内部集成M A X 8 1 0 专用复位电路的单片机，只有D 版本才有内部集成专用复位电路，原复位电路可以保留，也可以不用，不用时R E S E T 脚接1 K 电阻到地。特点：1. 增强型6 时钟/ 机器周期，12 时钟/ 机器周期 8051 CPU2. 工作电压：5.5V - 3.4V（5V 单片机） / 3.8V - 2.0V（3V 单片机）3. 工作频率范围：0 - 40 MHz，相当于普通8051 的 080MHz.实际工作频率可达48MHz.4. 用户应用程序空间 4K / 8K / 13K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节5. 片上集成 1280 字节 / 512 字节 RAM6. 通用I/O 口（32/36 个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口）P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻。7 . I S P （在系统可编程）/ I A P （在应用可编程），无需专用编程器/ 仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序3 秒即可完成一片。8. PROM 功能。9. 看门狗。10.内部集成MAX810 专用复位电路（D 版本才有），外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路。11.共3 个16 位定时器/ 计数器，其中定时器0 还可以当成2 个8 位定时器使用。12.外部中断4 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。13. 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART。14.工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +85。15.封装： LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44,如选择STC系列，请优先选择LQFP-44封装。图3-1 STC89C51封装引脚图Fig3-1 Seal pin chart of STC89C51芯片引脚图：图 3-2 STC89C51引脚图Fig 3-2 The Footprint of STC89C51(1)主电源引脚 VCC 为电源端，接+5V 直流电源，GND 为接地端。(2)时钟电路引脚 XTAL1 和XTAL2(3)控制信号引脚 RST、ALE/ 、 和 ，RST 复位信号输入端，震荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平以使单片机复位。ALE/ 地址锁存信号引脚，访问外部存储器时，P0 口输出的低8 位地址由ALE 输出的控制信号锁存到片外地址锁存器，P0 口输出地址低8 位后，又能与片外锁存储器传送信息。不访问片外存储器时，ALE 以震荡器1/6 的固定频率输出正脉冲，可为其他芯片提供时序和时钟信号。在对Flash 存储器编程期间，该引脚用于输入编程脉冲。 程序存贮允许引脚，其输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C51由外部程序存贮器取指令时，每个机器周期两次有效(即输出2个脉冲)，但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，两次有效信号都不输出。外部访问允许信号引脚，要使CPU访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH)，则EA端必须保持低电平(接GND端)。当保持高电平时(接VCC端时)，CPU则执行内部程序存储器中的程序。 (4)输入输出引脚P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7表3-3 P3口第二功能定义Table 3-3 The second function of P3端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断0输入)（低电平有效）P3.3INT1(外部中断1输入)（低电平有效）P3.4T0(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)P3.6WR(外部数据存储器写选通)低电平有效)P3.7RD(外部数据存储器读选通)（低电平有效）(2)时钟及复位电路10时钟电路：单片机正常工作是按一定时序执行不同程序来进行的，单片机各部分的协调统一工作是靠时钟指挥的，所以时钟电路是单片机电路的重要组成部分，它决定着单片机工作速度。时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式，在MCS-51 芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2 。而在芯片的外部，XTAL1 和XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图3-4 所示。本系统采用12MHZ的晶振，电容取30pF。 图3-4时钟震荡电路Fig 3-4 The oscillatory circuit of clock复位电路单片机复位是使CPU 和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，复位电路还是单片机系统上电瞬间时钟振荡电路正常起振的条件。所以，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位的条件是：必须使RST 引脚加上持续两个机器周期（即24 个振荡周期）的高电平。RC 复位电路又分上电复位电路和带有手动复位的复位电路，如图3-5 所示。(a)上电复位电路 （b）上电复位电路图 3-5 RC复位电路Fig 3-5 Reset circuit of RC3.1.1漏播检测模块电路设计3.1.1.1传感器的选择传感器是一种能按一定规律将各种被检测量或信息转换成便于处理的物理量的置或器件11。传感器位于系统的入口处，是获取信息的第一个环节。播种检测传感器于检测有无种子通过检测截面，传感器的作用是将输种管中种子流动的情况变换成电信号。传感器采用光电元件(包括可见光和红外光等)，安装在输种管开沟器附近，当种子通过传感器的种子通道时，遮断光束，使光电管发出信号，表示有种子通过。当某一或者数行发生故障时，无种子通过，将发出报警声响，因此它的性能好坏直接影响着排种监测装置的工作性能。为确实保证监测的可靠性，对每一行均需进行可靠的监视。由于种子在输种管内滑落时发生弹跳，使其在较大范围内落下，因此，检测传感器的检测元件的选择至关重要，它直接影响到监测的精确度、灵敏度和可靠性。选择设计光电检测器的时候，应注意以下几个原则：(1)覆盖性能：首先必须保证检测范围能够覆盖排种管径，这样才能确保无误的检测落种情况。其次要求发光元件照明均匀，受光面积越大越好。(2)频率特性：种子通过光电检测器检测截面的时间一般为几个毫秒，按最短时间lms考虑，相当于是频率1kHz的光脉冲。因此一般选用光敏器件时，对截止频率的要求是不低于被测频率的10倍，即l0kHz，对应的时间常数应该小于0.1ms，才能保证种子通过检测截面时能够可靠转换为电信号。(3)光谱特性：发光元件和接收元件的光谱特性要吻合，发光元件的光谱峰值波长与接收元件的光谱灵敏度必须一致或相近。(4)对发光元件，还要考虑其光度特性，即光强和辐射要满足检测的需要。选择时应首先考虑其发光光谱，不同材料、不同品种发出的单色光的波长是不同的12。目前国内外在播种监测系统上一般都是采用光电传感器作为检测装置的，其不同之处是传感器的数量及安装方法不同。采用光电传感器的原因主要在于其结构简单、价格低廉、抗电磁干扰性能好，尤其是它对种子的运动没有任何影响。所以用的发光器件有红外或可见光发光二极管，受光器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及硅光电池等。因此，本研究选用光电传感器作为检测元件。3.1.1.2 发光二极管的选择常用的发光器件有发光二极管(LED)和激光二极管(LD)，它们都是固体光电器件。LD发出的是单色性很好的相干光辐射，而LED发出的单色光则不纯，目前LED的发光光谱区为可见光及近红外区。其中可见光发光二极管和红外发光二极管的结构原理与制作工艺基本相同，只是所用材料不同。它们都是自发辐射式发光器件，所发光线是非相干光，光谱范围宽，光束发散角大，辐射波长在可见或红外光区域。与普通发光二极管相比较，红外发光二极管的穿透能力比可见光二极管强，而且受灰尘的影响程度比可见光二极管小。激光二极管是受激辐射式发光器件，发光强度大，光线的单色性好，会聚性好，是一种理想的光源。与激光二极管相比，尽管红外发光二极管在单色性、方向性、亮度等方面都比激光二极管差，但红外LED却有其独特的优越性：驱动电路简单，可在很宽的温度范围工作，器件寿命比LD寿命长1-2个数量级。评估发光器件的重要参数除了它的发光效率以外，温度系数也很重要。温度升高后，射出的光辐射强度将下降，尤其是激光二极管下降比较剧烈，而且激射波长也会有所偏移。同时，红外发光二极管要比激光二极管便宜得多。因此，本设计选用红外发光二极管作为光电传感器光源。红外发光二极管的封装有透镜式和平头式，透镜式具有聚光作用，可以使发射光束集中，具有一定的指向性，故常见的以透镜式封装形式居多。红外LED发出的光波波长与所用材料禁带宽度EG有关，之间的关系可以用下式来描述：(公式1)其中，砷化镓材料的禁带宽度1.43eV，所以砷化镓红外发光二极管的发光波长=0.89m，为不可见的近红外光。而且，用砷化镓材料制成的红外LED的发光效率较高，可达93%，响应时间一般为；最高工作频率为几十MHz。红外发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，对于砷化镓红外发光二极管其正向压降在1V-2V之间，小功率管不大于1.3V，使用时驱动电源电压的数值应大于其正向压降，其反向击穿电压不得超过5V。另外，红外发光二极管的指向性在球面透镜封装时较强，在偏离直线发射中心线±100的位置，发射光强只有时的50%，因此使用时需注意安装角度13。由于一般输种管的直径在26-40mm之间（一般取30mm），而光电传感器的发光二极管和光敏二极管的直径约为5mm，一对传感器不能满足检测到所有通过种子的要求，将4对传感器水平均匀安装在输种管上组成传感器组，其检测范围能覆盖整个输种管。 3.1.1.3 常用受光器件的选择常用受光器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及硅光电池等，其主要特性见表3-1。从表中可以看出，红外光敏二极管具有线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低，小型轻量以及耐振动与冲击等优点，它的频率特性是半导体光电器件中最好的一种。光敏三极管较光敏二极管的光电流大，灵敏度高，但暗电流和温度特性等都小于后者，而且频率特性还受到负载电阻的影响，响应速度较慢。光电池属于PN结光伏探测器，其结构就是大面积的PN结，极间电容大，因此频率特性较差。虽然受光面积大，但是响应速度却较慢，价格也比光敏二极管昂贵。而且种子的粒径小，通过硅光电池产生的电压变化很小，容易受杂散日光背景的影响，信号对比度不高。表3-6常用受光器件特性比较Table 3-6 The comparing of characteristic for receiving apparatus器件种类Apparatus species光灵敏范围Arrange of optical sensitivity峰值电压Peak value ofwave受光面积Area coveredlight时间常数Time paramter红外光敏二级管0.7-1.1us0.88-0.95us小s-s光敏三极管0.4-1.1us0.9us小s硅光电池0.4-1.2us0.85us任选-s光敏电阻0.38-0.8us0.64us大ms-s光敏电阻灵敏度高，允许的光电流大，体积小，寿命长。但不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数，因而它们的频率特性也就各不相同，并且响应时间长，成本较高14。因此，本设计选用光敏二极管作为受光器件。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。随着光照的增强，反向电流（光电流）增大，其光电流I与照度之间呈线性关系。3.1.1.4 光电检测电路设计根据以上分析，本检测电路选用红外光敏二极管作为受光器件，它与红外发光二极管一起组成一对红外发射接收管，对播种机下种情况进行监测，以下是一对光电二极管电路图的设计，如图3-7所示。图3-7光电二级管电路Fig 3-7 The circuit of LED and photosensitive diode考虑到实际环境中的尘土、雨水、机械振动等不良因素，在传感器方面并将4对近红外线LED 管模压在矩形的塑料壳内，通过密封做成漏播传感器以达到防水的目的。该传感器采用红外管缩进式：即中心为空心，种子从中间通过，与种子无近距离接触，又可达到防尘得目的。其构造如图如图3-8所示，种子从中间通过。空心长边两侧各钻有两排共4个圆孔，一侧在安装红外发光二级管，另一侧安装红外光敏二级管；组成光电回路。当LED 管有种子通过时，近红外线光被部分阻挡，光敏二极管电阻较大，电阻分压，集电极到发射极激发的电流减小，输出电压很低。当没有种子通过时，光敏二级管接收到红外发光二级管发出的全部近红外线，其电阻很小，在集电极与发射极间产生最大电流，输出电压很高，由于电路中将4组输出直接接在一起，实现了线与，所以4 对LED管任意一组管输出低电平，则说明有种子通过；当输出高电平说明漏播。并将该电压送到单片机的I/O 输入端。图3-8 传感器系统结构图Fig 3-8 The sketch map of sensors system3.1.2 测速器及漏播监测启动器设计本系统巧妙的运用一个光遮断器担当测速器及漏播监测启动器，该部件由一个圆形黑色定位盘与播种轮盘配合使用，如图3-9所示。种子株距由播种机播种轮盘决定，每株种子落下都会给出一个信号，通过计算，在当前种子和后一种子落下间漏播监测器都未检测到种子视为漏播。另外根据株距和两株种子落下时间可以计算主播种系统中排种器播种盘的转速，经过系统分析计算可为播种系统提供准确的下落地点。 图3-9光遮断器原理Fig 3-9 Light Breaker Schematic Diagram3.1.3数据存储模块设计采用CAT24WC01芯片；该模块可实现对播种量数据的存储，为计算总产量奠定可靠数据。模块电路如图3-10 图3-10 数据存储模块电路Fig 3-10 The modular circuit of data storage CAT24WC01简介151)特性*与400KHz C 总线兼容*1.8 到6.0 伏工作电压范围*低功耗CMOS 技术*写保护功能当WP 为高电平时进入写保护状态*页写缓冲器*自定时擦写周期*1,000,000 编程/擦除周期*可保存数据100 年*8 脚DIP SOIC 或TSSOP 封装2)概述CAT24WC01是一个1K位串行