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1、2 0 1 0 年5 月农机化研究第5 期S T C8 9C5 2R C 单片机在幼苗移栽机控制系统中的应用邵琰，钱东平(河北农业大学机电工程学院，河北保定0 7 1 0 0 1)摘要：针对当前幼苗移栽过程中存在的株距调节困难、易产生倒伏、栽植速度低等问题，研制了一种新型的基于S T C 8 9 C 5 2 R C 单片机的幼苗移栽机控制系统。该系统以S T C 单片机为控制中心，液压马达和气压泵为执行机构，辅之以键盘输入及显示单元，实现了移栽过程的自动化。同时，株距可在大范围内(2 0 9 9 c m)调节，调节精度可达lc m。试验表明，该系统控制株距调节简便、栽植速度高、栽直率高。关键词
2、：移栽机；S T C 8 9 C 5 2 R C 单片机；控制系统中图分类号：s 2 2 3 9 9：S 1 2 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 1 8 8 X(2 0 1 0)0 5-0 1 2 1 0 40引言随着我国农业种植结构调整，研制适应我国国情的移栽机具，对转变我国农业生产中生产方式粗放、单产低、劳动力成本高的现状，提高我国农业产业化、机械化水平和推进我国农业种植结构的调整有很高的理论及使用价值。目前，一些发达国家生产的移栽机具通用性较强，工作可靠性较好；但其结构复杂、造价也比较昂贵J。国内适用于大面积移栽的幼苗移栽机还不成熟，并且存在通用性较差、规格单一，不适用于多种作
3、物移栽作业等问题旧J。针对现有问题，设计了一种新型移栽机的控制系统。本文将对该移栽机的总体机械结构、控制系统电路设计、软件设计和田间试验情况进行介绍。1主要机械结构及工作原理1)本移栽机的结构如图l 所示，主要由机架、地轮、覆土机构、栽植开沟器、人工操作平台、幼苗存放平台、滑苗机构、取苗机构、停苗机构、放苗机构、覆膜机构和打孔机构组成。适应秧苗形式为长、宽、高均为4 c m 的正方体幼苗培养块。按不同用户的使用需求，1 6 行任意组合，一次可完成开沟、覆膜、移栽、镇压和覆土等作业。结构特点：一是拖拉机3 点悬挂；二是株距2 0 一9 9 c m 任意调整；三是覆膜移栽同时进行；四是机架后带有操
4、作员平台和苗块存放平台，便于操作员喂入操收稿日期：2 0 0 9 1 2 0 8作者简介：邵琰(1 9 8 2 一)，男，河北保定人，在读硕士。(E m a i l)r s h a o y a n y a h o o o o m c n。通讯作者：钱东平(1 9 4 7 2 0 0 9)。男，河北保定人，教授，博士生导师，(E m a i l)q d p h e b a u e d u c n。作；五是采用了船型钝角窄开沟器，可以避免缠草和壅土引。1 栽植开沟器2 覆土机构3 地轮4 机架5 人工操作平台6 幼苗存放平台7 滑苗机构8 取苗机构9 停苗机构1 0 放苗机构1 1 覆膜机构1 2
5、 打孑L 机构图1移栽机机械结构简图F i g 1T r a n s p l a n t i n gm a c h i n em e c h a n i c a ls t r u c t u r ed i a g r a m2)工作原理：移栽工作部件主要有滑苗机构、取苗机构、停苗机构、放苗机构等。工作时，人工将存放植物幼苗的正方体苗块放置于滑苗机构的传送带上。此时传送带上充满了幼苗培养块，第一个幼苗培养块强加压力与传动带底部的接近开关传感器，传动带底部的挡板放开，取苗机构的夹子将苗块夹紧；同时放苗机构的夹子将停苗装置挡板挤住的苗夹紧，传动带侧面停苗机构的夹子夹紧剩余苗块，以阻止其下滑；到达设定
6、的株距值时，放苗机构的夹子把停苗挡板挤住的苗块夹住，并以直立状态放置在地膜下面开沟器所开出的栽植沟内，取苗机构将其夹住的苗块移至停苗机构的挡板，由挡片将苗块挤压住，然后取苗机构的夹子再次回到滑苗机构的传送带底部；滑苗机构底部的挡片返回，传动带侧面停苗机构的夹子放开，再万方数据2 0 10 年5 月农机化研究第5 期一次向接近开关发出有苗信号，夹取、移送另一幼苗培养块。其工作过程如图2 所示。一一可皆可飞 广霄可图2 移栽机工作过程简图F i g 2T r a n s p l a n t i n gm a c h i n ed i a g r a mo ft h ew o r k i n gp
7、r o c e s s由于打孔机构、取苗机构及送苗机构的动作臂在工作过程中有摆动的位移量，所以采用力矩惯量比较编码器信号输入接近开关信号输入信号采集及处理电路位置检测模块S T C8 9 C 5 2单片机大、具备较强负载能力、动作快速性好的液压动力系统。+为防止损伤苗块，夹取苗的夹子采用负载能力较小、动作响应速度更快的气动系统。2 控制系统电路设计在此设计中选用型号为S T C 8 9 C 5 2 R C 的单片机。S T C 8 9 C 5 1 R C 单片机是宏晶科技推出的新一代抗干扰、高速、低功耗单片机，其指令代码完全兼容传统8 0 5 1 单片机，具有可靠性高、非易失性存储、功耗低、价
8、格低廉和无法解密等优点MJ。系统总体硬件结构框图如图3 所示。取苗机构液雎电磁阀液臆执行机构驱动电路气动执行机构驱动电路I 参数设置II _ J图3 移栽机控制系统总体硬件结构图F i g 3T r a n s p l a n t i n gt h eo v e r a l lc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a m由图3 可知，幼苗移栽机控制系统的硬件主要由T r L 电平的通、断信号，如图4 所示。由于传感器的工单片机、信号采集及处理电路、位置检测模块、液压电作电压为1 2 V，通过电阻2 k
9、 Q 和3 k Q 组成图1 所示的磁阀驱动电路、气压电磁阀驱动电路和人机接口电路分压电路，把工作在1 2 V 的接近开关反馈信号限制在等几部分组成。由于拖拉机电瓶电压为直流+1 2 V，0 或者4 9 V，以供S T C 8 9 C 5 2 进行检测传感器模块的而单片机系统电压为直流5 V，所以采用L M 7 8 0 5 和两电压高低电平变化。个电容滤波组成电源转换电路，以便拖拉机电瓶电源能供单片机系统电源使用。2 1信号采集及处理电路设计幼苗移栽机控制系统需采集苗块位置信号和转动位置信号，并将其作为反馈信号传给控制器，使得本控制系统构成一个闭环控制系统。本系统在滑苗机构的传送带底部安装接近
10、开关传感器以检测是否有苗，继而向其他执行机构发出是否工作的信号，并且在打孔机构、取苗机构、送苗机构的动作臂转动齿轮也安装接近开关传感器。通过检测这些位置接近开关的电平变化来控制齿轮转动的起停，即完成一次移栽动作；在地轮上加装编码传感器，以检测地轮因转动角度而产生的位移信号，即到达所设定株距。接近开关信号通过接点输入电路将接点的通、断动作转换R 1 03 k Q图4 信号采集及处理电路电路图F i g 4S i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i td i a g r a m2 2 液压控制电路液压执行机
11、构的输出控制采用直流固态继电器S S R D 2 0 4 L 实现。S S R 有l 对控制端和1 对受控端。受控端一端直接与连接1 2 V 电源的电磁阀相连，另一1 2 2 一一一一一一一一一万方数据2 0 10 年5 月农机化研究第5 期端与电磁阀剩余一端相连，组成了以继电器为主的自动控制开关。电磁阀控制电路如图5 所示。当S S R的控制端为低电平0 1 V 时，S S R 导通，电磁阀导通；当控制端为高电平1 2 V 时，S S R 不导通，电磁阀关闭。由于S S R 的这种特性，把由s T C 8 9 C 5 2 R C 单片机输出的5 m A 电流使8 0 5 0 三极管的工作在饱
12、和区，即V c e=0 1 V，这样3 K 电阻分压阈值为O V 与1 1 9 V：当单片机引脚为5 V 时流过8 0 5 0 基极电流达到5 m A，8 0 5 0 集电极电压为0 1 V，继电器控制端为0 1 V，继电器受控端导通，电磁阀工作；当单片机引脚为0 V 时流过8 0 5 0基极电流为0，8 0 5 0 集电极电压为1 2 V，即继电器控制端为1 2 V，继电器受控端不导通，电磁阀不工作。这种电路就完成了单片机控制油压电磁阀所需要的2 5 A电流的效果。本系统由于驱动电磁阀工作，关断时会有瞬问的电压产生，而采用I N 4 1 4 8 可以快速的消耗掉瞬间电压，以此有效地保护了电磁
13、阀器件。、P 2 08 0 5 0)D OU _ l图5 液压系统控制电路图F i g 5H y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o lc i r c u i t2 3 气压控制电路本系统采用的两位三通换向阀不能使用单片机系统电源直接进行驱动，必须设计相应的驱动电路。由N有苗检测一一于8 0 5 0 的额定功率为1 w，气动电磁阀的工作电流为3 0 0 m A，如果使用8 0 5 0 工作在放大区域达到l e e=3 0 0 m A 时，l i c e 的压降在4 V 左右，这样8 0 5 0 的实际工作功率为4X 0 3=1 2 W，超过了三极管8 0 5
14、 0 的额定功率，长时间工作会致使8 0 5 0 的烧毁。因此，加大8 0 5 0 的基极电流乃，使8 0 5 0 工作在饱和区域：l i c e=1 V，I c e=0 3 A。这样，足以驱动气动电磁阀所需的工作电流0 3 A，也保证了8 0 5 0 在额定功率下稳定工作。2 4 人机交互接口本系统采用4 按键直接与4 个I O 口相连，有效地节省了并行接口。控制器S T C 8 9 C 5 2 不停扫描接口和键盘函数，方便4 个按键；4 段L E D 数码管采用4 个I O 口和串口与7 4 L S l 6 4 连接可以实现4 个数码管的实时显示，无需外接元件即可直接驱动。如此设计就可以完
15、成调节株距、微调放苗和实时显示的功能。操作人员随时可以根据需要操作4 个按键调节上述参数，并且通过4 段L E D 能够更加直观地了解移栽机的工作状态。3 控制系统软件设计本控制系统的软件设计采用高级语言K E I LC 5 l。C 语言是一种编译性程序设计语言，它具有多种高级语言的特点，并且可以调用汇编语言的子程序。K E I LC 5 1 是针对8 0 5 1 系统单片机设计的C 开发工具，提供了丰富的库函数，具有很强的数据处理能力，编程中对M C U 内部寄存器和存储器的分配均有编译器自动管理J。主要程序流程图如图6 所示。j：哇三复位有苗标志位簧1气胝电磁阀r 作标志位踅1放苗距离检测
16、丫取苗、送苗机构液压上作标志化簧lII有芮信号簧1 防止鼋复愉测停苗气缸标志位簧0 开启有茁信号榆测ll气球电磁阀I：作标志位置0图6 程序流程图F i g 6P r o g r a mf l o wc h a r t1 2 3 打孔距离检测打孔液H 电磁阀I：作标志仲置1打孔动作臂转动打孔液压电磁阀T 作标志位鬣0万方数据2 0 1 0 年5 月农机化研究第5 期移栽机控制系统在上电时，软件进入上电复位状态，这时系统使喂苗的传送带开始工作，并将各执行机构初始化到一预先设定的工作等待状态。此时，通过株距调节按键可以设定需要的株距值，数码管显示株距设定值和株距微调值。在牵引拖拉机行进中，系统检测
17、到有苗信号后，便开始移栽工作。4 试验和结论控制系统的设计。选用S T C 单片机可以降低成本、提升性能、减小产品的体积、质量和功耗。按键和数码管成本低廉，很好的实现了人一机对话。该机曾在河北沧州中捷农场进行田间试验，试验地较平坦，地表植被较少，预备区长5m，测定区长2 0 0m。试验使用机型为两行机，株距与设定为2 0 c m，牵引拖拉机用使用I 挡、中油门工作。由表1 看出，栽直率大于9 5，漏栽率小于1，覆土稳定，不伤苗，栽植质量本文论述了基于单片机S T C 8 9 C 5 2 R C 的移栽机较稳定。表1 移栽情况统计表T a b 1T a b l eo fS t a t i s t
18、 i c a lt r a n s p l a n t i n g苗块主茎秆倾斜3 0。以上为斜栽，秧苗主茎秆倾斜6 0。以上为倒伏。参考文献：1 陈风，陈永成，王维新旱地移栽机现状和发展趋势 J 农机化研究，2 0 0 5(5)：2 4 2 6 2 李其昀机械化育苗移栽的现状与展望 J 农机化研究，2 0 0 6(3)：2 6 2 7 3 孙裕晶，马成林，周德义组合振动导苗筒式移栽机研究 J 农业机械学报，2 0 0 5，3 6(6)：1 4 1 1 4 2 4 林汉L M 3 3 1 压频变换器的原理及应用 J 国外电子元器件，1 9 9 9(1 0)：2 0 2 2 5 王兰英，居锦武单
19、片机C 5 1 与汇编语言混合调用的实现 J 四川理工学院学报(自然科学版)，2 0 0 8，2 1(2)：5 7 5 9 S T C 8 9C 5 2R CM C UU s i n gi nC o n t r o lS y s t e mo fT r a n s p l a n t i n gM a c h i n eS h a oY a n，Q i a nD o n g p i n g(M e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gC o l l e g e，H e b e iA g r i c u l t
20、u r a lU n i v e r s i t y，B a o d i n g0 710 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：I nt h es e e d l i n gt r a n s p l a n t i n gp r o c e s s，i te x i s t sm a n yp r o b l e m ss u c ha 8d i f f i c u l tp l a n td i s t a n c ea d j u s t m e n t，l o wp l a n t i n gs p e e da n de a s yt op r o d u c
21、 el o d g i n g I no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s，an e ws e e d l i n gt r a n s p l a n t i n gm a c h i n eb a s e do nS T Cm i c r o c o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d T h es y s t e mr e a l i z e st h ea u t o m a t i o no ft h et r a n s p l a n t i n gp r o c e s sw h i c
22、hu s e sS T Cm i c r o-c o n t r o l l e r 鹊c o n t r o lc e n t e r h y d r a u l i cm o t o r sa n dp n e u m a t i cp u m p sa st h ei m p l e m e n t i n gm e c h a n i s ma n dk e y b o a r di n p u ta n dd i s p l a yu n i ta sa u x i l i a r yc o n t r o le l e m e n t M e a n w h i l e，t h e
23、p l a n td i s t a n c eC a nb ea d j u s t e di naw i d er a n g e(2 0c m 一9 9 c m)a n di t sa c c u r a c yC a l lb eu pt o1c m R e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s p l a n t i n gm a c h i n eh a ss i m p l ep l a n td i s t a n c ea d j u s t m e n t，h i g hp l a n t i n gs p e e d，h i g hr
24、 a t eo fp l a n t i n gs t r a i g h t f o r w a r d K e yw o r d s：t r a n s p l a n t i n gm a c h i n e；S T Cm i c r o c o n t r o l l e r；c o n t r o ls y e t e m万方数据STC89C52RC单片机在幼苗移栽机控制系统中的应用STC89C52RC单片机在幼苗移栽机控制系统中的应用作者：邵琰，钱东平作者单位：河北农业大学,机电工程学院,河北,保定,071001刊名：农机化研究英文刊名：JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH年，卷(期)：2010，32(5)被引用次数：0次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.陈风.陈永成.王维新 旱地移栽机现状和发展趋势期刊论文-农机化研究 2005(3)2.李其昀 机械化育苗移栽的现状与展望 2006(3)3.孙裕晶.马成林.周德义 组合振动导苗筒式移栽机研究期刊论文-农业机械学报 2005(6)4.林汉 LM331 压频变换器的原理及应用 1999(10)5.王兰英.居锦武 单片机C51与汇编语言混合调用的实现期刊论文-四川理工学院学报（自然科学版）2008(3)本文链接：http:/