【基于单片机的播种机定距播种装置设计7000字（论文）】

基于单片机的播种机定距播种装置设计目录TOC\o"1-2"\h\u14928基于单片机的播种机定距播种装置设计 1275811.绪论 2185572.自动播种装置控制系统设计 357832.1自动播种装置 363764.步进电机：带动排种器按一定速度转动。 3161332.2自动播种装置系统框架 4114382.3自动播种机主控单片机的选择 5200032.4自动播种装置步进电机的选择 6192352.5电机编码器的选择 735752.6锂电池充电模块的选择 8159202.7液晶LCD1602 943122.8变压模块的选择 11180722.9本章小结 11217903.自动播种机电路设计 12121453.1自动播种机的硬件电路构成 1238963.2键盘控制电路 12251713.3新能源电路 1355371、电能存储： 13107612、电能释放： 1313533.4本章小结 13327174.自动播种机的控制系统软件分析与设计 14108574.1软件开发环境简介 1424398步进电机控制系统的软件部分需要同时执行键盘读取、键盘处理、步进电机旋转控制、液晶显示控制等多个任务。 14227524.2主程序 14164114.3按键处理子程序框图 15308544.4本章小结 1518265.播种机控制系统的调试 15279355.1调试 1565015.2运行结果 16324635.3本章小结 1716656结论 1820285附录1 20摘要（中文）：随着自动化技术的发展，智能控制作业的自动播种机成为广大农民群体的重要需求。此类自动播种机的核心技术就是利用智能控制系统（单片机）控制步进电机转动来完成播种作业。步进电机是一种能将脉冲信号转换成机械角位移或线位移的元件，步进电机控制系统由功率放大器和步进控制器组成。采用单片机控制，用软件代替步进控制器，电路简单，成本低，效率高，稳定性强，可靠性大大提高。软件编程灵活，可产生不同类型步进电机激励序列的运行模式，以控制各种步进电机。随着工业化和城市化进程的加快，我国对能源的需求增加，能源危机频发，优质能源供应短缺，环境污染日益严重，对新能源和绿色能源的发展具有重要意义，因此用太阳能为机器提供动力的方式，以达到节能的目的。关键词(中文):播种机；步进电机；单片机；电机驱动；太阳能供电1.绪论本设计是自动播种装置的设计是结合智能控制系统（单片机系统），将驱进电源，步进电机连接，控制排种器的旋转，达到定距播种的效果，设计的主要侧重内容为单片机控制系统的设计。设计分为以下几部分：步进电机模块的设计与应用、驱动电源的选取与控制、整体系统的软件程序设计、整体方案的设计及调整。系统以STM32系列的处理器作为主控中心，通过按键实现对步进电机的转速和方向的控制，通过步进电机的运转带动排种器旋转从而使种子定时定距落下达到自动播种的效果，并且将步进电机的转速动态显示在数码管上。对驱动电源进行改造，在平常外接电源方式中加入太阳能充电装置，为播种机供能。选择合适容量和电压的蓄电池，用来储存和释放太阳能充电装置转化的电能。本设计中选择的步进电机是四相步进电机，采用单芯片控制步进电机驱动的方式，通过改变脉冲频率来调节步进电机的速度，并用LCD1602液晶屏显示其旋转速度的水平。主要实现功能：1.用按键电路控制电机的启停、复位、正反转、加减速；2.液晶屏显示电机运行速度的档数和正反转；3.光伏板将太阳能转化为电能为蓄电池充电；4.蓄电池为单片机供电，单片机为电机及显示屏供电。2.自动播种装置控制系统设计2.1自动播种装置图2.1自动播种机播种装置示意图1.种箱：存放种子的容器；2.排种器：通过转动，使种子按一定频率落下；3.导种管：将排种器落下的种子导入土壤，防止种子掉落在播种机金属架上从而影响播种的准确性；4.步进电机：带动排种器按一定速度转动。图2.2种箱底部示意图图2.3排种器俯视示意图本设计所设计的自动播种装置的控制部分装设在驾驶室的操作手旁，操作手根据拖拉及的速度手动调节步进电机的档位，从而控制步进电机的运行速度，步进电机带动排种器转动，使种子定距落下；太阳能板装设在拖拉机顶部，有利于接收更多的光照。排种器是播种机的核心，它的性能的优劣直接影响到播种机的播种量的多少、播种是否均匀以及是否会伤种等性能指标。排种器种类繁多，外槽轮式排种器和水平圆盘式排种器最具代表性。本设计采用水平圆盘式排种器。排种器所选材料为厚度2mm的铝板，铝板的质量很轻，10cm2铝板质量为54g。设计中所选的电机扭矩较大，足以带动该排种器旋转。2.2自动播种装置系统框架硬件主要以STM32F103C8T6单片机为中心，选择四相步进电机，将软件和硬件组合起来在LCD1602显示屏上显示步进电机的启停、加减速、正反转等运行状态信息。设计包括驱动电路的部分、状态显示部分、按钮部分和新能源（太阳能）的供给部分。系统设计框图如下：图2.4系统设计框图2.3自动播种机主控单片机的选择单片机包含了计算机的基本功能组件：CPU、存储器、I/O接口电路等，只需与适当的软件和外部装置联结便可制成单片机控制系统。出于操作的可靠性，所选择的芯片需要具有更宽的工作温度范围、更低的功率消耗和恒定的干扰防止能力。本系统选择的主控芯片是STM32F103C8T6，价格便宜，运行稳定且操作简单。如下：图2.5STM32F103C8T6控制模块图2.6STM32F103C8T6原理图2.4自动播种装置步进电机的选择步进电机（steppingmotor）是一款数控电机，与其他电机相比，它的控制更加方便和精准。因其可把脉冲信号转变成角位移，故控制脉冲信号数即可控制电机转过的角度，步进电机的转速则取决于脉冲信号的频率。利用单片机产生的脉冲控制信号控制驱动电路工作驱动步进电机。步进电机所转过的总角度与输入的脉冲数成正比。整个电路所设计的电压为5v，所以要选择额定电压为5v的电机，本设计选用的是28BYJ-48型四相八拍减速步进电机，其减速比为1：64，步进角为（5.625/64）°。步进电机转动1周，需要脉冲信号360/5.625*64=4096个。当对电机施加一系列连续的控制脉冲时，它可以连续转动。该电机可以实现瞬间启动和急速停止操作。通电控制脉冲一定要严格按照相的顺序分别控制各相的通断。如果按正序通电换相，步进电机正转；反之则电机反转。每给步进电机发送一个控制脉冲，步进电机就转一步。连续输入的两个脉冲的间隔越短，步进电机转得越快。步进电机的旋转角速度与输入的电脉冲信号的频率成正比，其转速为：（1）其中f为步进电机通电的脉冲频率，单位为Hz；n为步进电机的转速，单位为r/min，用步矩角表示为：（2）图2.7步进电机实物图2.5电机编码器的选择本设计中使用ULN2003芯片为步进电机提供脉冲信号。ULN2003芯片是高电压、大电流达林顿阵列。ULN20037NPN达林顿连接晶体管是低逻辑数字电路，是与要求大电流高电压的斜坡、继电器等其他负载之间接口的理想装置。其设计与标准TTL系列兼容。图2.8ULN2003管脚连接图表2.1ULN2003主要特性表图2.9ULN2003电机编码器图2.10电机编码器原理图2.6锂电池充电模块的选择TP4056是使用恒定电流/恒定电压对单电池充电的完全线性充电器。其底部有散热器的SOP8封装和更少的外部元件数量，方便携带。TP4056内部采用PMOFE结构，由于具备逆充电路径，故无需外部分离二极管。图2.11TP4056锂电池充电模块1、高达1000mA的可编程充电电流2、精度达到+1%的4.2V预设充电电压3、用于电池电量检测的充电电流监控器输出4、充电状态有无电池、双输出以及故障状态显示5、待机模式中的供电电流为55uA6、充电达到90%时变为2.9V涓流充电模式7、软启动限制了浪涌电流8、TP4056有电池温度监测功能9、采用8引脚SOP-PP封装表2.2TP4056各引脚功能引脚功能TEMP电池温度检测输入端PROG恒流充电电流设置和充电电流监测端GND电源接地VCC输入电压正输入端BAT电池连接端STDBYTP4056电池的充电完成指示端GHRG漏极开路输出的充电状态指示端CE芯片始能输入端2.7液晶LCD1602LCD1602这款液晶显示器是分为16（带背光）引脚和14（无背光）引脚的的显示器，现在已经很普遍了被越来越多的人所认可，这款显示器主要由以下几方面来构成，首先是一个字符型的液晶显示屏，接下来是一个控制驱动主电路HD44780及扩展驱动电路HD44110，还有部分用来控制整个电路安全的电阻和电容等元器件，这些元件拼接在一个PCB板子上面即组成了一个可以显示数字，字母，特殊字符的带背光显示器，同时它还拥有消耗的功率低，使用便捷，占地面积小，显示丰富的优点。他的显示容量为16×2个字符，每一个字符都有一个固定的代码。它的工作电压在4.5v-5.5v，正常来讲和单片机的工作电压是一样的，每个字符的尺寸为2.95mm×4.35mm，我们在显示器的三号引脚与接地电路中接入一个可变电阻，这个可变电阻的阻值变化，便可以做到调节屏幕分辨率的作用。图2.12RAM地址映射图表2.31602液晶模块内部的控制器指令码序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容2.8变压模块的选择DC-DC转换器是改变电压的装置，由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管、电容器构成。本设计是用光伏板发电对蓄电池进行充电，光伏板发出的电压在阳光充足的条件下为27V左右，所以选择8-55V转5V的降压转换器即可；单片机正常工作所需电压为5V，蓄电池电压为3.7V，所以选择1-5V升压转换器。图2.13DC-DC降压模块图2.14HP2001升压模块2.9本章小结本章对本设计的系统框架作了简单的介绍，并对设计所需单片机、步进电机、电机编码器、显示屏、蓄电池、充电模块、升压降压模块等电气元件的原理、规格及功能进行了描述，而且结合本设计的研究条件分析了选择这些元件的原因，根据步进电机的转速选择了合适的排种器尺寸。最后将整个播种装置作了简单的介绍。3.自动播种机电路设计3.1自动播种机的硬件电路构成核心处理器为STM32单片机，步进电机，集成芯片ULN2003作为电机驱动，TP4056锂电池充电模块对蓄电池进行充电，HP2001升压模块对蓄电池放出的电升压为控制系统供电，DC-DC降压模块对光伏板产生的电进行降压为蓄电池充电。5个按键输入分别是：启动停止、复位、正反转、加速、减速。液晶显示电机的正反转状态和运转速度的档数。见附录1。3.2键盘控制电路本次对讲机的设计采用的自锁开关按键，比较简单，按键上面就有两个接口，虽然有四个引脚，但是其中两两是相同的，所以相当于只有两个引脚是有作用的。按键在动作过程中通常会产生抖动，一个电压信号在机械触点的切断和关闭之间产生的抖动一般是5~10ms。为了确保单片机只对一次按键动作确认一次按钮，需要消除抖动的影响。消抖有硬件消抖和软件消抖两种方法。由于硬件消抖的电路设计比较复杂，所以本设计未采用。软件消抖在抖动少，按钮多的情况下方便简单。图3.2键盘原理图3.3新能源电路新能源电路部分涉及电能存储和电能释放两个过程：1、电能存储：太阳能电池板的基本结构就是一个大面积平面PN结。PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的。在太阳光照射到PN结上时，PN结吸收光能激发出电子和空穴，在PN结中产生电压，称为“光生伏特效应”，太阳能电池板产生的电压不稳定，不能直接用于电路中，故在本设计中使用DC-DC降压模块，将太阳能电池板输出电压额定为直流5v，降压模块输出的VCC接充电保护模块TP4056的IN+，GND接IN-，蓄电池正极接充电保护模块TP4056的BAT+，负极接BAT-从而实现了太阳能储能。2、电能释放：TP4056的OUT+接自锁开关一端，另一端接升压模块IN+，OUT-接升压模块IN-，当需要蓄电池对外放能时，只需要按下自锁开关即可。图3.3新能源部分电路原理图3.4本章小结本章第一部分描述了自动播种机的硬件总电路，并对每一元件在电路中的功能作了简单的介绍。第二部分重点介绍了控制步进电机转速的按键电路的设计原理，并针对如何消除电路抖动这一问题，提出的软、硬件两种消抖方案进行了选择，最终选择软件消抖。第三部分介绍了新能源电路，包括电能存储和电能释放两个部分。4.自动播种机的控制系统软件分析与设计4.1软件开发环境简介Keil软件是德国著名的软件公司Keil（现并入ARM公司）开发的单片机软件开发平台。Keil提供了包括C编译器、宏编译器、连接器、库管理和强仿真协调器的完整开发方案，并集成组合这些功能。使用Keil开发嵌入式软件，开发周期和其他平台的软件开发周期几乎相同。大致步骤如下：选择Project下的NewuvisionProject,建立Keil文件，然后选择STM32芯片，进行前期准备；进行主程序的编写；将写好的程序进行Reuild操作；对编译过程中发现的BUG进行纠正。步进电机控制系统的软件部分需要同时执行键盘读取、键盘处理、步进电机旋转控制、液晶显示控制等多个任务。4.2主程序系统由电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成。如下图:4.1主程序流程图4.3按键处理子程序框图图4.2按键子程序流程图通过检测按键的电平变化，系统发出相应的指令控制脉冲频率和引线端的投入顺序，从而控制电机的转速和方向。4.4本章小结本章节介绍了编写程序所选用的Keil软件的开发环境、开发周期和完整的软件开发过程。针对设计的程序内容作出了主程序流程图、按键子程序流程图。5.播种机控制系统的调试5.1调试在设计实物经过硬件的焊接与软件的烧录完成以后，我们要进行实物调试工作，来看实物是否能够达到预期的效果。由于该设计采取的是“化整为零”的思维，将整个设计的硬件以及软件分割成好几部分来逐步操作的，最终整合到一起。故从调试上来说，我们也采取了这种思想，首先从硬件上来说，使用万用表将各个焊好的引脚测量一遍，发现完全符合要求。但是基于对于设计的严谨性，我感觉还应该在电源的两端加入电解电容，电解电容是由正负极的，在焊接的时候不要出错，电解电容可以进一步对电源电路进行滤波。随后我们对步进电机进行了调试，在单片机的控制习，电机运行良好。

之后进行的是软件的调试，软件在烧录之前编译之后没有发现问题，也就是说没有任何语法错误。但是问题出在了，设计本身的想法上，在设计的逻辑上我感觉还存在一些问题，这一点在我的实物中体现了出来，在实物运行的过程中可以发现步进电机的可调速度范围过于小，在生产实际当中用途不是很广泛。想要扩大步进电机的控制范围，同时还要提高控制速度的精度，就要对程序经行修改，经过查阅资料和对程序的研究，将原来设计里的以主程序来控制旋转步进电机，同时通过延时的方式控制步进电机的速度，键盘是使用的定时中断，后来经过改进的程序为利用主程序来控制键盘，通过定时器引发的中断来控制步进电机的旋转。5.2运行结果利用keil软件进行编程，导入proteus仿真软件，查看引脚的输出波形，从而得到电机运行的工作状态，在optionsfortarget选项中选择UseSimulaor,将DialogDLL设置为DARMSTM.DLL，Parameter设置为-pSTM32F103RE,进入Debug模式，在LogicAnalyzer中设置要观察的I/O口，将DisplayType设置为BIT类型，点击RUN运行一段时间，可以观察到管脚波形如下，得知采用的是1-2相励磁法驱动D-DC-C-CB-B-BA-A-AD。图5.1仿真结果图操作手根据车速的变化调节档位，一般播种机工作状态下最高时速大约为20km/h，株距为20cm，计算得出下表数据。表5.1车速、步进电机档位、播种频率对应表车速（km/h）步进电机档位（档）播种机每秒播种次数（次）213426638841110514126171471916822189252010285.3本章小结本章节对自动播种机的控制系统进行了调试与改进。对在调试过程中遇到的软件和硬件问题进行了分析并提出了切实可行的解决方案，为自动播种机的正常运行提供了技术保障。最终用Protues软件得出仿真结果图。结论从论文的选题到毕业论文的书写，已经历经了好几个月的时光，我的毕业设计课题为自动播种装置控制系统，由于是做实物，这给了我极大的锻炼机会。本设计是由软件和硬件构成的，软件是由C语言进行编写的，由于程序是我的短板，在这里不做过多的阐述，附录中程序中有所标注，主要程序中的应用是按键通过外部中断可以可控制步进电机的运行状态，比如电机的启动与停止，电机的速度与旋转方向。硬件部分电路模块包括单片机的最小系统，液晶显示模块，电机驱动模块，太阳能充电模块等，为软件电路提供了合适的硬件。在将想法变成实际的道路上，经过了搜集资料，电路图的设计，数据分析，电路图的绘制，焊接电路，软件烧录，检查设备，调试设备，等步骤到系统完成为止。其中，系统整体的预先准备必须首先在规定的位置进行。应该选择控制什么、控制什么、得到什么结果、以及针对每个部分选择具体的芯片来将系统表现为最佳。最终用Protues得出了仿真结果图。参考文献韩晓双,郭莉.中国农业投入对策研究[J].哈尔滨:中外企业家,2015(34):7-10.中共中央国务院.乡村振兴战略规划(2018-2022)[Z].北京:新华社,2018-02-04.王沂蒙,孙沐钰.机电一体化技术在农业机械上的应用及影响[J].河北:河北农机,2002(4).杨长江,孟志军,等.玉米精量播种监测系统的设计与试验[J].黑龙江:农机化研究,2019(4).彭卫发.单片机在农业机械设备自动化改造中的应用[J].云南:农村实用技术,2020(3).魏强,祁亚卓,相姝楠.国内外精量播种机的发展现状简介[J].北京:农机质量与监督,2015,(10).林晴,邓干然,何冯光,崔振德,覃双眉,李玲.农作物种植机械监控系统研究进展[J].广东:现代农业装备,2020(01):14-19.邓厚先.精密播种机监控系统的设计和研究[J].黑龙江:科学技术创新,2019(34):45-46.YangLi,HeXiantao,CuiTao,etal.Developmentofmechatronicdrivingsystemforseedmetersequippedonconventionalprecisioncornplanter[J].Internation-alJournalAgriculturalandBiologicalEngineering,2015