【基于單片機的播種機定距播種裝置設(shè)計7000字（論文）】

基于單片機的播種機定距播種裝置設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u14928基于單片機的播種機定距播種裝置設(shè)計 1275811.緒論 2185572.自動播種裝置控制系統(tǒng)設(shè)計 357832.1自動播種裝置 363764.步進電機：帶動排種器按一定速度轉(zhuǎn)動。 3161332.2自動播種裝置系統(tǒng)框架 4114382.3自動播種機主控單片機的選擇 5200032.4自動播種裝置步進電機的選擇 6192352.5電機編碼器的選擇 735752.6鋰電池充電模塊的選擇 8159202.7液晶LCD1602 943122.8變壓模塊的選擇 11180722.9本章小結(jié) 11217903.自動播種機電路設(shè)計 12121453.1自動播種機的硬件電路構(gòu)成 1238963.2鍵盤控制電路 12251713.3新能源電路 1355371、電能存儲： 13107612、電能釋放： 1313533.4本章小結(jié) 13327174.自動播種機的控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計 14108574.1軟件開發(fā)環(huán)境簡介 1424398步進電機控制系統(tǒng)的軟件部分需要同時執(zhí)行鍵盤讀取、鍵盤處理、步進電機旋轉(zhuǎn)控制、液晶顯示控制等多個任務。 14227524.2主程序 14164114.3按鍵處理子程序框圖 15308544.4本章小結(jié) 1518265.播種機控制系統(tǒng)的調(diào)試 15279355.1調(diào)試 1565015.2運行結(jié)果 16324635.3本章小結(jié) 1716656結(jié)論 1820285附錄1 20摘要（中文）：隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，智能控制作業(yè)的自動播種機成為廣大農(nóng)民群體的重要需求。此類自動播種機的核心技術(shù)就是利用智能控制系統(tǒng)（單片機）控制步進電機轉(zhuǎn)動來完成播種作業(yè)。步進電機是一種能將脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移或線位移的元件，步進電機控制系統(tǒng)由功率放大器和步進控制器組成。采用單片機控制，用軟件代替步進控制器，電路簡單，成本低，效率高，穩(wěn)定性強，可靠性大大提高。軟件編程靈活，可產(chǎn)生不同類型步進電機激勵序列的運行模式，以控制各種步進電機。隨著工業(yè)化和城市化進程的加快，我國對能源的需求增加，能源危機頻發(fā)，優(yōu)質(zhì)能源供應短缺，環(huán)境污染日益嚴重，對新能源和綠色能源的發(fā)展具有重要意義，因此用太陽能為機器提供動力的方式，以達到節(jié)能的目的。關(guān)鍵詞(中文):播種機；步進電機；單片機；電機驅(qū)動；太陽能供電1.緒論本設(shè)計是自動播種裝置的設(shè)計是結(jié)合智能控制系統(tǒng)（單片機系統(tǒng)），將驅(qū)進電源，步進電機連接，控制排種器的旋轉(zhuǎn)，達到定距播種的效果，設(shè)計的主要側(cè)重內(nèi)容為單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計分為以下幾部分：步進電機模塊的設(shè)計與應用、驅(qū)動電源的選取與控制、整體系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計、整體方案的設(shè)計及調(diào)整。系統(tǒng)以STM32系列的處理器作為主控中心，通過按鍵實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速和方向的控制，通過步進電機的運轉(zhuǎn)帶動排種器旋轉(zhuǎn)從而使種子定時定距落下達到自動播種的效果，并且將步進電機的轉(zhuǎn)速動態(tài)顯示在數(shù)碼管上。對驅(qū)動電源進行改造，在平常外接電源方式中加入太陽能充電裝置，為播種機供能。選擇合適容量和電壓的蓄電池，用來儲存和釋放太陽能充電裝置轉(zhuǎn)化的電能。本設(shè)計中選擇的步進電機是四相步進電機，采用單芯片控制步進電機驅(qū)動的方式，通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進電機的速度，并用LCD1602液晶屏顯示其旋轉(zhuǎn)速度的水平。主要實現(xiàn)功能：1.用按鍵電路控制電機的啟停、復位、正反轉(zhuǎn)、加減速；2.液晶屏顯示電機運行速度的檔數(shù)和正反轉(zhuǎn)；3.光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能為蓄電池充電；4.蓄電池為單片機供電，單片機為電機及顯示屏供電。2.自動播種裝置控制系統(tǒng)設(shè)計2.1自動播種裝置圖2.1自動播種機播種裝置示意圖1.種箱：存放種子的容器；2.排種器：通過轉(zhuǎn)動，使種子按一定頻率落下；3.導種管：將排種器落下的種子導入土壤，防止種子掉落在播種機金屬架上從而影響播種的準確性；4.步進電機：帶動排種器按一定速度轉(zhuǎn)動。圖2.2種箱底部示意圖圖2.3排種器俯視示意圖本設(shè)計所設(shè)計的自動播種裝置的控制部分裝設(shè)在駕駛室的操作手旁，操作手根據(jù)拖拉及的速度手動調(diào)節(jié)步進電機的檔位，從而控制步進電機的運行速度，步進電機帶動排種器轉(zhuǎn)動，使種子定距落下；太陽能板裝設(shè)在拖拉機頂部，有利于接收更多的光照。排種器是播種機的核心，它的性能的優(yōu)劣直接影響到播種機的播種量的多少、播種是否均勻以及是否會傷種等性能指標。排種器種類繁多，外槽輪式排種器和水平圓盤式排種器最具代表性。本設(shè)計采用水平圓盤式排種器。排種器所選材料為厚度2mm的鋁板，鋁板的質(zhì)量很輕，10cm2鋁板質(zhì)量為54g。設(shè)計中所選的電機扭矩較大，足以帶動該排種器旋轉(zhuǎn)。2.2自動播種裝置系統(tǒng)框架硬件主要以STM32F103C8T6單片機為中心，選擇四相步進電機，將軟件和硬件組合起來在LCD1602顯示屏上顯示步進電機的啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)等運行狀態(tài)信息。設(shè)計包括驅(qū)動電路的部分、狀態(tài)顯示部分、按鈕部分和新能源（太陽能）的供給部分。系統(tǒng)設(shè)計框圖如下：圖2.4系統(tǒng)設(shè)計框圖2.3自動播種機主控單片機的選擇單片機包含了計算機的基本功能組件：CPU、存儲器、I/O接口電路等，只需與適當?shù)能浖屯獠垦b置聯(lián)結(jié)便可制成單片機控制系統(tǒng)。出于操作的可靠性，所選擇的芯片需要具有更寬的工作溫度范圍、更低的功率消耗和恒定的干擾防止能力。本系統(tǒng)選擇的主控芯片是STM32F103C8T6，價格便宜，運行穩(wěn)定且操作簡單。如下：圖2.5STM32F103C8T6控制模塊圖2.6STM32F103C8T6原理圖2.4自動播種裝置步進電機的選擇步進電機（steppingmotor）是一款數(shù)控電機，與其他電機相比，它的控制更加方便和精準。因其可把脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，故控制脈沖信號數(shù)即可控制電機轉(zhuǎn)過的角度，步進電機的轉(zhuǎn)速則取決于脈沖信號的頻率。利用單片機產(chǎn)生的脈沖控制信號控制驅(qū)動電路工作驅(qū)動步進電機。步進電機所轉(zhuǎn)過的總角度與輸入的脈沖數(shù)成正比。整個電路所設(shè)計的電壓為5v，所以要選擇額定電壓為5v的電機，本設(shè)計選用的是28BYJ-48型四相八拍減速步進電機，其減速比為1：64，步進角為（5.625/64）°。步進電機轉(zhuǎn)動1周，需要脈沖信號360/5.625*64=4096個。當對電機施加一系列連續(xù)的控制脈沖時，它可以連續(xù)轉(zhuǎn)動。該電機可以實現(xiàn)瞬間啟動和急速停止操作。通電控制脈沖一定要嚴格按照相的順序分別控制各相的通斷。如果按正序通電換相，步進電機正轉(zhuǎn)；反之則電機反轉(zhuǎn)。每給步進電機發(fā)送一個控制脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)一步。連續(xù)輸入的兩個脈沖的間隔越短，步進電機轉(zhuǎn)得越快。步進電機的旋轉(zhuǎn)角速度與輸入的電脈沖信號的頻率成正比，其轉(zhuǎn)速為：（1）其中f為步進電機通電的脈沖頻率，單位為Hz；n為步進電機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min，用步矩角表示為：（2）圖2.7步進電機實物圖2.5電機編碼器的選擇本設(shè)計中使用ULN2003芯片為步進電機提供脈沖信號。ULN2003芯片是高電壓、大電流達林頓陣列。ULN20037NPN達林頓連接晶體管是低邏輯數(shù)字電路，是與要求大電流高電壓的斜坡、繼電器等其他負載之間接口的理想裝置。其設(shè)計與標準TTL系列兼容。圖2.8ULN2003管腳連接圖表2.1ULN2003主要特性表圖2.9ULN2003電機編碼器圖2.10電機編碼器原理圖2.6鋰電池充電模塊的選擇TP4056是使用恒定電流/恒定電壓對單電池充電的完全線性充電器。其底部有散熱器的SOP8封裝和更少的外部元件數(shù)量，方便攜帶。TP4056內(nèi)部采用PMOFE結(jié)構(gòu)，由于具備逆充電路徑，故無需外部分離二極管。圖2.11TP4056鋰電池充電模塊1、高達1000mA的可編程充電電流2、精度達到+1%的4.2V預設(shè)充電電壓3、用于電池電量檢測的充電電流監(jiān)控器輸出4、充電狀態(tài)有無電池、雙輸出以及故障狀態(tài)顯示5、待機模式中的供電電流為55uA6、充電達到90%時變?yōu)?.9V涓流充電模式7、軟啟動限制了浪涌電流8、TP4056有電池溫度監(jiān)測功能9、采用8引腳SOP-PP封裝表2.2TP4056各引腳功能引腳功能TEMP電池溫度檢測輸入端PROG恒流充電電流設(shè)置和充電電流監(jiān)測端GND電源接地VCC輸入電壓正輸入端BAT電池連接端STDBYTP4056電池的充電完成指示端GHRG漏極開路輸出的充電狀態(tài)指示端CE芯片始能輸入端2.7液晶LCD1602LCD1602這款液晶顯示器是分為16（帶背光）引腳和14（無背光）引腳的的顯示器，現(xiàn)在已經(jīng)很普遍了被越來越多的人所認可，這款顯示器主要由以下幾方面來構(gòu)成，首先是一個字符型的液晶顯示屏，接下來是一個控制驅(qū)動主電路HD44780及擴展驅(qū)動電路HD44110，還有部分用來控制整個電路安全的電阻和電容等元器件，這些元件拼接在一個PCB板子上面即組成了一個可以顯示數(shù)字，字母，特殊字符的帶背光顯示器，同時它還擁有消耗的功率低，使用便捷，占地面積小，顯示豐富的優(yōu)點。他的顯示容量為16×2個字符，每一個字符都有一個固定的代碼。它的工作電壓在4.5v-5.5v，正常來講和單片機的工作電壓是一樣的，每個字符的尺寸為2.95mm×4.35mm，我們在顯示器的三號引腳與接地電路中接入一個可變電阻，這個可變電阻的阻值變化，便可以做到調(diào)節(jié)屏幕分辨率的作用。圖2.12RAM地址映射圖表2.31602液晶模塊內(nèi)部的控制器指令碼序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容2.8變壓模塊的選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器是改變電壓的裝置，由控制芯片、電感線圈、二極管、三極管、電容器構(gòu)成。本設(shè)計是用光伏板發(fā)電對蓄電池進行充電，光伏板發(fā)出的電壓在陽光充足的條件下為27V左右，所以選擇8-55V轉(zhuǎn)5V的降壓轉(zhuǎn)換器即可；單片機正常工作所需電壓為5V，蓄電池電壓為3.7V，所以選擇1-5V升壓轉(zhuǎn)換器。圖2.13DC-DC降壓模塊圖2.14HP2001升壓模塊2.9本章小結(jié)本章對本設(shè)計的系統(tǒng)框架作了簡單的介紹，并對設(shè)計所需單片機、步進電機、電機編碼器、顯示屏、蓄電池、充電模塊、升壓降壓模塊等電氣元件的原理、規(guī)格及功能進行了描述，而且結(jié)合本設(shè)計的研究條件分析了選擇這些元件的原因，根據(jù)步進電機的轉(zhuǎn)速選擇了合適的排種器尺寸。最后將整個播種裝置作了簡單的介紹。3.自動播種機電路設(shè)計3.1自動播種機的硬件電路構(gòu)成核心處理器為STM32單片機，步進電機，集成芯片ULN2003作為電機驅(qū)動，TP4056鋰電池充電模塊對蓄電池進行充電，HP2001升壓模塊對蓄電池放出的電升壓為控制系統(tǒng)供電，DC-DC降壓模塊對光伏板產(chǎn)生的電進行降壓為蓄電池充電。5個按鍵輸入分別是：啟動停止、復位、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。液晶顯示電機的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)和運轉(zhuǎn)速度的檔數(shù)。見附錄1。3.2鍵盤控制電路本次對講機的設(shè)計采用的自鎖開關(guān)按鍵，比較簡單，按鍵上面就有兩個接口，雖然有四個引腳，但是其中兩兩是相同的，所以相當于只有兩個引腳是有作用的。按鍵在動作過程中通常會產(chǎn)生抖動，一個電壓信號在機械觸點的切斷和關(guān)閉之間產(chǎn)生的抖動一般是5~10ms。為了確保單片機只對一次按鍵動作確認一次按鈕，需要消除抖動的影響。消抖有硬件消抖和軟件消抖兩種方法。由于硬件消抖的電路設(shè)計比較復雜，所以本設(shè)計未采用。軟件消抖在抖動少，按鈕多的情況下方便簡單。圖3.2鍵盤原理圖3.3新能源電路新能源電路部分涉及電能存儲和電能釋放兩個過程：1、電能存儲：太陽能電池板的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面PN結(jié)。PN結(jié)是由一個N型摻雜區(qū)和一個P型摻雜區(qū)緊密接觸所構(gòu)成的。在太陽光照射到PN結(jié)上時，PN結(jié)吸收光能激發(fā)出電子和空穴，在PN結(jié)中產(chǎn)生電壓，稱為“光生伏特效應”，太陽能電池板產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定，不能直接用于電路中，故在本設(shè)計中使用DC-DC降壓模塊，將太陽能電池板輸出電壓額定為直流5v，降壓模塊輸出的VCC接充電保護模塊TP4056的IN+，GND接IN-，蓄電池正極接充電保護模塊TP4056的BAT+，負極接BAT-從而實現(xiàn)了太陽能儲能。2、電能釋放：TP4056的OUT+接自鎖開關(guān)一端，另一端接升壓模塊IN+，OUT-接升壓模塊IN-，當需要蓄電池對外放能時，只需要按下自鎖開關(guān)即可。圖3.3新能源部分電路原理圖3.4本章小結(jié)本章第一部分描述了自動播種機的硬件總電路，并對每一元件在電路中的功能作了簡單的介紹。第二部分重點介紹了控制步進電機轉(zhuǎn)速的按鍵電路的設(shè)計原理，并針對如何消除電路抖動這一問題，提出的軟、硬件兩種消抖方案進行了選擇，最終選擇軟件消抖。第三部分介紹了新能源電路，包括電能存儲和電能釋放兩個部分。4.自動播種機的控制系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計4.1軟件開發(fā)環(huán)境簡介Keil軟件是德國著名的軟件公司Keil（現(xiàn)并入ARM公司）開發(fā)的單片機軟件開發(fā)平臺。Keil提供了包括C編譯器、宏編譯器、連接器、庫管理和強仿真協(xié)調(diào)器的完整開發(fā)方案，并集成組合這些功能。使用Keil開發(fā)嵌入式軟件，開發(fā)周期和其他平臺的軟件開發(fā)周期幾乎相同。大致步驟如下：選擇Project下的NewuvisionProject,建立Keil文件，然后選擇STM32芯片，進行前期準備；進行主程序的編寫；將寫好的程序進行Reuild操作；對編譯過程中發(fā)現(xiàn)的BUG進行糾正。步進電機控制系統(tǒng)的軟件部分需要同時執(zhí)行鍵盤讀取、鍵盤處理、步進電機旋轉(zhuǎn)控制、液晶顯示控制等多個任務。4.2主程序系統(tǒng)由電機正轉(zhuǎn)、電機反轉(zhuǎn)、電機加速與電機減速的幾部分組成。如下圖:4.1主程序流程圖4.3按鍵處理子程序框圖圖4.2按鍵子程序流程圖通過檢測按鍵的電平變化，系統(tǒng)發(fā)出相應的指令控制脈沖頻率和引線端的投入順序，從而控制電機的轉(zhuǎn)速和方向。4.4本章小結(jié)本章節(jié)介紹了編寫程序所選用的Keil軟件的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)周期和完整的軟件開發(fā)過程。針對設(shè)計的程序內(nèi)容作出了主程序流程圖、按鍵子程序流程圖。5.播種機控制系統(tǒng)的調(diào)試5.1調(diào)試在設(shè)計實物經(jīng)過硬件的焊接與軟件的燒錄完成以后，我們要進行實物調(diào)試工作，來看實物是否能夠達到預期的效果。由于該設(shè)計采取的是“化整為零”的思維，將整個設(shè)計的硬件以及軟件分割成好幾部分來逐步操作的，最終整合到一起。故從調(diào)試上來說，我們也采取了這種思想，首先從硬件上來說，使用萬用表將各個焊好的引腳測量一遍，發(fā)現(xiàn)完全符合要求。但是基于對于設(shè)計的嚴謹性，我感覺還應該在電源的兩端加入電解電容，電解電容是由正負極的，在焊接的時候不要出錯，電解電容可以進一步對電源電路進行濾波。隨后我們對步進電機進行了調(diào)試，在單片機的控制習，電機運行良好。

之后進行的是軟件的調(diào)試，軟件在燒錄之前編譯之后沒有發(fā)現(xiàn)問題，也就是說沒有任何語法錯誤。但是問題出在了，設(shè)計本身的想法上，在設(shè)計的邏輯上我感覺還存在一些問題，這一點在我的實物中體現(xiàn)了出來，在實物運行的過程中可以發(fā)現(xiàn)步進電機的可調(diào)速度范圍過于小，在生產(chǎn)實際當中用途不是很廣泛。想要擴大步進電機的控制范圍，同時還要提高控制速度的精度，就要對程序經(jīng)行修改，經(jīng)過查閱資料和對程序的研究，將原來設(shè)計里的以主程序來控制旋轉(zhuǎn)步進電機，同時通過延時的方式控制步進電機的速度，鍵盤是使用的定時中斷，后來經(jīng)過改進的程序為利用主程序來控制鍵盤，通過定時器引發(fā)的中斷來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)。5.2運行結(jié)果利用keil軟件進行編程，導入proteus仿真軟件，查看引腳的輸出波形，從而得到電機運行的工作狀態(tài)，在optionsfortarget選項中選擇UseSimulaor,將DialogDLL設(shè)置為DARMSTM.DLL，Parameter設(shè)置為-pSTM32F103RE,進入Debug模式，在LogicAnalyzer中設(shè)置要觀察的I/O口，將DisplayType設(shè)置為BIT類型，點擊RUN運行一段時間，可以觀察到管腳波形如下，得知采用的是1-2相勵磁法驅(qū)動D-DC-C-CB-B-BA-A-AD。圖5.1仿真結(jié)果圖操作手根據(jù)車速的變化調(diào)節(jié)檔位，一般播種機工作狀態(tài)下最高時速大約為20km/h，株距為20cm，計算得出下表數(shù)據(jù)。表5.1車速、步進電機檔位、播種頻率對應表車速（km/h）步進電機檔位（檔）播種機每秒播種次數(shù)（次）213426638841110514126171471916822189252010285.3本章小結(jié)本章節(jié)對自動播種機的控制系統(tǒng)進行了調(diào)試與改進。對在調(diào)試過程中遇到的軟件和硬件問題進行了分析并提出了切實可行的解決方案，為自動播種機的正常運行提供了技術(shù)保障。最終用Protues軟件得出仿真結(jié)果圖。結(jié)論從論文的選題到畢業(yè)論文的書寫，已經(jīng)歷經(jīng)了好幾個月的時光，我的畢業(yè)設(shè)計課題為自動播種裝置控制系統(tǒng)，由于是做實物，這給了我極大的鍛煉機會。本設(shè)計是由軟件和硬件構(gòu)成的，軟件是由C語言進行編寫的，由于程序是我的短板，在這里不做過多的闡述，附錄中程序中有所標注，主要程序中的應用是按鍵通過外部中斷可以可控制步進電機的運行狀態(tài)，比如電機的啟動與停止，電機的速度與旋轉(zhuǎn)方向。硬件部分電路模塊包括單片機的最小系統(tǒng)，液晶顯示模塊，電機驅(qū)動模塊，太陽能充電模塊等，為軟件電路提供了合適的硬件。在將想法變成實際的道路上，經(jīng)過了搜集資料，電路圖的設(shè)計，數(shù)據(jù)分析，電路圖的繪制，焊接電路，軟件燒錄，檢查設(shè)備，調(diào)試設(shè)備，等步驟到系統(tǒng)完成為止。其中，系統(tǒng)整體的預先準備必須首先在規(guī)定的位置進行。應該選擇控制什么、控制什么、得到什么結(jié)果、以及針對每個部分選擇具體的芯片來將系統(tǒng)表現(xiàn)為最佳。最終用Protues得出了仿真結(jié)果圖。參考文獻韓曉雙,郭莉.中國農(nóng)業(yè)投入對策研究[J].哈爾濱:中外企業(yè)家,2015(34):7-10.中共中央國務院.鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃(2018-2022)[Z].北京:新華社,2018-02-04.王沂蒙,孫沐鈺.機電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械上的應用及影響[J].河北:河北農(nóng)機,2002(4).楊長江,孟志軍,等.玉米精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與試驗[J].黑龍江:農(nóng)機化研究,2019(4).彭衛(wèi)發(fā).單片機在農(nóng)業(yè)機械設(shè)備自動化改造中的應用[J].云南:農(nóng)村實用技術(shù),2020(3).魏強,祁亞卓,相姝楠.國內(nèi)外精量播種機的發(fā)展現(xiàn)狀簡介[J].北京:農(nóng)機質(zhì)量與監(jiān)督,2015,(10).林晴,鄧干然,何馮光,崔振德,覃雙眉,李玲.農(nóng)作物種植機械監(jiān)控系統(tǒng)研究進展[J].廣東:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備,2020(01):14-19.鄧厚先.精密播種機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和研究[J].黑龍江:科學技術(shù)創(chuàng)新,2019(34):45-46.YangLi,HeXiantao,CuiTao,etal.Developmentofmechatronicdrivingsystemforseedmetersequippedonconventionalprecisioncornplanter[J].Internation-alJournalAgriculturalandBiologicalEngineering,2015