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摘 要
施肥作业的有效完成是保证作物丰产、足产的重要条件之一，作物的产量与化肥的合 理施用息息相关，一旦出现化肥漏施、少施的现象势必会造成作物的减产，因此在施肥作 业过程中实现对肥箱料位的在线检测和化肥的及时补充至关重要。本文以肥箱料位高度为 研究基础，开发设计一款性能可靠的基于单片机的肥箱料位检测装置，替代人工对肥箱中 肥料余量情况进行实时获取、分析，减少了人力、物力投入，使施肥机信息化水平得以提 升。本论文主要研究内容如下：
首先通过阅读料位检测装置结构设计相关资料，再结合我国目前施肥作业过程中常见 的颗粒化肥特点，确定了一种平行相邻双极板直插式的机械结构；该检测装置采用电容法 检测原理，难点是由于检测装置电容极板采集到的电容信号很小、很微弱，为 pF 级别， 故对于微小电容的检测本装置采用电容/频率转换集成电路，将外界不可视的电容模拟量转 换成可视的频率数字信号，且精度很高。
通过分析肥箱料位检测装置所需硬件系统完成硬件电路模型搭建，主要包括电容测量 采集模块、C/F 转换模块、显示模块以及串口通信模块，并利用 Altium Designer 软件绘制 硬件电路原理图，再通过计算机语言编程完成系统软件程序设计，主要包括电容数据处理 程序、数码管显示程序、串口通信程序以及主程序，然后利用 Keil uVision4 软件进行编译， 并结合 Proteus ISIS 进行软硬件的联合仿真调试，最后通过 CAN 总线通信协议与上位机相 连。利用搭建的室内台架测试平台验证自制的检测装置能够对肥箱料位进行实时在线检测 与测量值的显示，并将采集到的试验数据运用最小二乘法进行线性拟合得到检测装置的灵 敏度为 0.1931pF/mm,线性度为±3.09%;通过尖山农场田间作业试验证明基于单片机的肥 箱料位检测装置能够适应田间复杂环境，对肥箱料位进行在线测量；开展温度因素对检测 装置的影响试验，增加温度传感器的使用，对田间作业温度进行补偿校正。 基于单片机的肥箱料位检测装置性能良好，能够满足一般农业生产过程中施肥作业对 于料位检测的要求，为研制施肥机智能化控制系统奠定了基础。
关键词：颗粒化肥；料位检测；电容测量；单片机；施肥作业
Abstract
Effective completion of fertilization operations is one of the important conditions to ensure the crops yield well and adequately .The yield of crops is greatly related to the reasonable use of chemical fertilizer, Once the condition of fertilizer-leakage and less-application happen, it will be bound to lead to crop reduction, So in the fertilization process, it is hard important to realize the on-line detection of the level of fertilizer box and the supplement of fertilizer in season. In this paper, we develop and design a rational detection device of the material level in the fertilizer box by MCU based on the research of the height of the material level in the fertilizer box, which instead of manual, real-time acquisition and analysis of the fertilizer surplus in the fertilizer box, and reduce the injection of human and material resources, and improve the informatization level of fertilizer applicator meanwhile. As follows are the main research contents of this paper:
In the first place, we read some information related to the structural design of the detection device, and then combined with the characteristics of granular fertilizer in the fertilization process in China recently, we determined a kind of mechanical structure of parallel and adjacent bipolar plates; The device adopts the principle of capacitance detection method, the capacitance signal collected by the capacitance plate of the detection device is so small and weak that is at the PF level is one of the difficulties. Therefore, the device uses the capacitance / frequency conversion integrated circuit for the detection of small capacitance, which converts the external invisible capacitance analog quantity into the visible frequency digital signal, and the accuracy is very high.
The hardware circuit design is completed by analyzing the hardware system needed for the level-detection device of the fertilizer tank, which mainly consists of capacitance measurement and acquisition module, C/F conversion module, display module and serial communication module, and use Altium Designer software to draw the hardware circuit schematic diagram, and then the system software programming is completed by computer language programming, which mainly includes capacitance data processing program, nixie tube display program, serial port communication program and main program, then compile it with keil uvisin4 software, and conducted joint simulation debugging of software and hardware in combination with Proteus ISIS, and the last, CAN-bus communication protocol is used to connect with upper-computer .
Using the indoor-constructing test platform to verify that the self-made detection device can carry out real-time online detection and display the measured value of the fertilizer tank material level, and use the least square method to carry out linear fitting of the collected experimental data to calculate the sensitivity of the device is 0.1931pF/mm, and the linearity is ± 3.09%; We can prove that the equipment based on MCU can adapt to the complex field environment by the field experiment of JianShan-farm. And do an on-line measurement of the material level of the fertilizer box; At last, we tested the influence of temperature factors on the detection device, and increased the use of temperature sensor, compensated and corrected the field operation temperature.
The equipment for detecting fertilizer bin material level based on MCU has good performance, and it can meet the requirements for material level detection in the process of general agricultural production, which lays a foundation for the development of intelligent control system of fertilizer applicator.
Key words:Granular-shaped fertilizer; Material level detection; Capacitance measurement; Microcontroller; Fertilization operation
目 录
1 绪论
1.1 研究背景
中国作为人口众多的国家，粮食生产一直是有关民生的重要问题。中国必须用世界约 7%的耕地养活世界近 30%的人口[1].解决粮食安全问题的基本策略是利用有限的土地增加 粮食产量以确保自给自足。肥料是科学技术发展的产物，已成为现代社会中非常重要的农 业物资。无论在发达国家还是发展中国家，都普遍使用化肥来增加粮食产量并满足迅速增 长的社会需求，以应对人口快速增长的问题。相关试验数据证明，每合理地使用 1 公斤肥 料，可使谷物产量增加 5 到 10 公斤[2-3].在中国，由于对土地的过度开发以及农民对粮食 生产和经济收入的盲目追求，过度使用肥料的问题变得非常严重。我国耕地基础薄弱，主 要靠肥料提供作物生长所需营养，同时一些高产作物和反季节作物的生产更需要施用大量 肥料，以及部分农民不能合理科学的有效施肥，盲目地施用大量肥料以求产量增加，这些 都是导致我国化肥施用量较高的主要原因。统计数据表明，从 1978 年至 2017 年，我国农 用化肥施用量从 884 万吨增长到 5859 万吨，平均氮肥施用量 200-300Kg/hm2,其中玉米氮 肥、磷肥和钾肥的当季利用率分别为 30%-35%,10%-25%,35%-50%低于国外氮肥、磷肥 和钾肥的利用率 50%-60%,10%-30%,20%-60%[4-5].由此可见，在确保农作物质量和产 量的前提下，政府和科学家面临的主要问题是如何提高肥料的使用率，减少肥料的使用量 以及减少肥料对环境的破坏。
为了实现现代农业可持续发展目标，提高肥料利用率，降低农业生产过程投入成本， 减少环境污染现象，发展精准农业已成为主要趋势[6-7].精准变量施肥作为精准农业中最重 要的技术环节，不仅是高产的基础，也有效避免了化肥过度使用或使用不足的情况发生， 并且通过更好地平衡土壤的养分含量，达到植物生长的目的。发展精准农业不仅能更好地 保护资源，增加肥料利用率，减少相关成本投入，更重要的是它极大地促进了农业的可持 续性发展，对农业进步具有重要意义[8-10].因此，中国高度重视精准农业的发展，且将其 提升为国家发展战略，在 863 计划中科技部以"精准农业技术和智能装备"重大专项予以 支持，并在 2006-2020 年制定"国家中长期科学和技术发展规划纲要"时，把精准农业的 建设与发展作为发展农业的重要目标[11]. 在我国目前施肥作业过程中，一般以颗粒化肥较为常见，因此实现对肥箱料位的实时 在线检测不仅对于指导安全生产，提高农业生产效率具有十分重要的现实意义，还为研制 施肥机智能化控制系统奠定了基础。
1.2 研究目的和意义
1.2.1 研究目的
玉米因其高产量和稳定的市场营业额而成为中国的主要农作物之一[12].施肥作业是玉 米生长过程中不可或缺的一部分[13].施肥的目的是当土壤中没有作物生长所需的足够养分 时，人为地增加土壤中作物生长所需的养分含量，确保玉米高产稳产[14-15]. 通过九三管理局尖山农场实地调研发现，当玉米施肥机械在田间进行作业时，需要人 工对肥箱内肥料余量情况进行监测（如图 1-1 所示）。
因田间作业环境的恶劣性，且施肥 过程中无任何对监测人员的保护措施，导致此种检测方式不仅存在人员雇佣费较高问题， 还存在较大的潜在安全隐患。为了保障随机作业人员人身安全，减少农业成本投入，并且 能在保证作物产量的前提下，同时提高农业机械信息化程度，就需要研究一款电子检测装 置替代人工对肥箱料位进行在线测量。
本文研究基于单片机的肥箱料位检测装置的目的： （1）该装置能够实时在线的对玉米施肥作业过程中的肥箱料位进行检测，降低传统施 肥作业过程中操作人员受肉眼主观因素的影响，保证肥料的均匀撒播。 （2）为了更好的指导安全生产和更加精准的检测肥箱中肥料余量情况，提高肥料利用 率，稳定作物产量。 （3）化肥排空情况发生时，产生报警提示，提醒驾驶员及时进行肥料的添加，避免造 成农作物减产和农机具设备空转等其他不必要的经济损失[16]. （4）减少人员雇佣费及其他施肥作业成本，减轻施肥作业劳动强度，提高施肥机信息 化水平。
1.2.2 研究意义
为了加速我国完成农业机械现代化，需要不断改进和发展农业机械，从而得以有效地 确保国家粮食安全，大大提高农业供应系统的质量和效率，并进一步提高农业生产国际竞 争力[17].随着我国不断推动农业现代化与信息化的同步发展，农机装备的进一步完善不仅 有利于开创我国农业机械新型工业化，对于提高我国农业机械自动化水平也具有重要指导 意义[18-19]. 农场现有的肥箱料位检测方法大多采用人工对肥箱料位进行检测，该种检测方法存在 受田间作业环境影响大和操作者主观意识影响的问题，导致检测结果不精准，且具有一定 安全隐患。
但目前能够实现肥箱料位在线测量的检测装置，国内外均不多见，在现有的料 位检测装置中，国内制造的误差较大，不足以达到作业要求精度，或者只能测量少量的肥 料容量而不能满足农业生产要求；国外的料位检测装置因其生产成本投入大，所以价格高 昂，国内若想大批量引进必然耗费财力。因此，为了更好的指导安全生产和更加精准的检 测肥箱中肥料余量情况，提高肥料利用率，就对肥箱料位实时在线检测装置的研究非常必 要。
（1）基于单片机的电子检测技术已在农业领域得到广泛运用，将电子检测技术与农业 机械紧密结合，有利于及时发现和处理农业机械使用中的潜在问题，提高农业机械信息化 水平，减少能源消耗，节省人力、物力等资源的投入[20-21
（2）施肥作业的有效完成是保证作物稳产的必要保障，若发生肥料漏施、少施的情况， 则势必会对作物的生长有所影响，肥箱中肥料的有效撒播直接决定着施肥作业的效果与效 率，因此实现对肥箱料位的实时在线检测以及对化肥的及时补充至关重要。
（3）施肥作业过程中，除驾驶人员之外，还配有一名人员在肥箱处，用于对肥箱内化 肥料位的检测，但人工检测存在安全风险较大，研制该肥箱料位检测装置可以替代肥箱处 作业人员，将其从没有安全保护措施的田间劳动生产中解放出来，杜绝潜在的安全隐患。
（4）拖拉机后挂施肥机上站立一名人员，对肥箱中肥料余量情况以及施肥作业效果进 行肉眼测量，这是最常用的一种方法，但易受人体主观因素及过往经验影响，检测结果不 精准。（5）单片机技术的加入，能大大改善检测装置因长时间使用而产生的测量线性误差 [22],从而显著提高检测装置精度与稳定性，使其得以更加精准高效地进行肥箱料位实时在 线测量的工作。
1.3 国内外研究现
通过资料搜集和实地考察可知，目前国外集检测、传输、记录为一体的电子装置相关 研究和使用推广情况较为普遍，各领域基本实现普及；而国内尽管相对于国外实时监控技 术的研究起步较晚，但在农业机械领域，随着我国的大力发展以及购买农业机械的补贴增 加和农业种植作物的多样性增加，采用实时在线测量技术的农用检测装置也在迅速发展， 但针对玉米施肥作业过程中的肥箱料位检测技术仍处于空白状态。
1.3.1 国外研究现状
因国外作业情况与我国作业情况存在巨大差异，用于施肥的农业机械有所不同，且基 于电容法的检测原理经常用于国外的工业、农业、医学等其他检测中：如物料的检测，利 用被测物料介电常数不同于空气的特性；如加速度的检测，根据振荡器产生信号不同。 2005 年韩国庆北国立大学机械工程研究生院 J.H. Lee、S.H. Yang 等人使用电容传感器 测量小型机床中的几何误差，对于小型机床而言，难以安装所需误差检测装置，例如光学 器件，且由于系统尺寸限制了测量范围，所以提出一种使用电容传感器同时测量多个几何 误差的新系统，并从数学上推导测量算法，有效地以低成本评估了小型化机床的精度[23].
2007 年德国罗斯托克大学 Merkel T 等人设计了一款能够对流动电场进行实时监测的 平行板电容传感器。在工作过程中，随着电场不断流动，传感器上会产生一定的压力，压 力引起振荡作用，从而在平行板之间进行电容/频率信号转换，实现在线监测电场流动功能 [24].2015 年德国乌尔姆大学 Min S.K、Yun B.J 等人设计一款多极板电容传感器，与单极板 电容传感器相比，这种类型的传感器具有更稳定的绝缘性能，适用于在线监测螺旋输送机 构中的固体流动，检测性能良好，测量结果更加精准[25]. 2017 年美国北卡罗来纳大学 W.Helbach 设计一款适用于航天飞行器的精密电容检测装 置，装置利用差值法抵消本底电容的影响，在线测量飞行器内油箱油量，测量精度较高[26]. 2019 年美国某匿名学者研制一款新型的电容式压力传感器，改变传统电容传感器缺乏 对微控制技术的机载调控，实现将传感器直接放置在发动机上，承受极端温度和振动，使 传感器具有承受高温能力的同时体积实现最小化[27]. 国外对于电容法在线检测技术检测过程的简化，以及检测结果精度的高标准要求，使 其基于电容法检测技术的概念十分火热，在这一领域中，随着传统电容检测手段不能达到 行业标准所需检测精度，国外不断结合现代化技术手段和最新科技开发新型电容检测手段。
1.3.2 国内研究现状
我国作为一个农业大国，尽管有关农业信息化技术的研究相对国外起步较晚，但我国 仍视农业新技术的研发为重点。在"十三五"期间，国家下发了多项有关农业产业改革政 策，并开展了相应科研项目，以加强现代化农业的发展和壮大。所以近年来，在国家的大 力支持下，国内多家研发企业有关在线检测装置也相继研发成功，特别是在故障提示、声 光报警等方面。但与国外先进水平相比，我国在线检测技术的研发仍有待进一步提升。 2005 年哈尔滨工业大学孙立宁采用一种改良后的电容式检测方法对物料高度进行在 线测量，但由于电容微位移过程中产生的微小误差，导致试验结果存在非线性关系，通过 改良电容运算放大器电路，提高测量精度[28].
2007 年西北农林科技大学杨修波设计一种应用于精密播种机上的监控系统，在 CAN 总线技术的基础上，通过对漏播现象的声光报警提示和自动补偿播种，提高播种机播种实 时性、可靠性和抗干扰能力[29]. 2010 年南华大学朱卫华，刘国稳等人设计一种基于微处理器的宽量程全自动电容测量 仪。通过测量电容器相应谐振电路产生的信号频率或周期实现电容值的高精度检测，该仪 器能够自动测量 1pF-1000uF 范围的电容参数。但是该技术存在明显缺点：如果在测量过程 中切换量程，则切换处的分辨率会很差，导致较大误差[30]. 2011 年北京大学苑严伟通过利用基于称质量法和电容法的检测技术，结合伺服电机与 霍尔传感器设计了玉米免耕播种施肥机作业监测系统。通过传感器采集行走速度，电机带 动排肥轴、排种轴转动，实现变量播种和变量施肥，最后通过串口将采集到的数据传输至 上位机控制软件，记录信息[31].
2012 年中国农业大学周利明利用电容传感器捕获种子运动信息，并通过设计电容检测 电路实现对种子流量的峰值脉冲间隔进行实时获取，判断漏播、重播，提高播种机作业时 对于播种量、漏播量和重播量的在线检测精度[32]. 2013 年天津大学郝刚等人研究了一种基于单片机的液滴电容信号处理方法，在单片机 上编程完成电容信号的滤波、归一化等软件处理过程，并设计零相位巴特沃斯滤波器对电 容信号进行数字滤波，结合邻域比较法与阈值检测法完成信号的周期划分，最后得到的电 容信号图用于构建液滴指纹图[33]. 2014 年南京理工大学机械工程学院郑江涛等人研发了基于单片机的在线油质监测系 统。当润滑油被污染或自身逐渐劣变时，其介电常数会发生相应变化，并通过电容型传感 器的电容值变化进行反映[34].
2016 年河北科技大学李蕊研究设计了一款适应多种介质改变，能够达到液位精确检测 的自适应复合多层扫描式电容传感器。在保证传统电容式液位传感器各项性能基础上，有 效去除杂散电容，并利用差分算法对液位值进行计算[35]. 2017 年哈尔滨理工大学柴大林对煤油泄露采取电容法检测，通过电容值的变化反映电 容传感器极板间待测介质的介电常数，按照设定的判据就可判定是否发生煤油泄露[36]. 基于目前国内技术，我国对电容检测法的认知还不够深刻，尽管它的优点十分显著， 但目前我国还没有研发出精度高，分辨率强，稳定性好的电容法检测装置。针对电容量程 变化量较小的物料测量，更是没有一套成熟的系统可以实现。
1.3.2 国内研究现状
1.4 主要研究内容和方法
1.4.1 研究内容
1.4.2 研究方法
1.5 技术路线
2 检测装置电容极板分析
2.1 电场仿真
2.2 极板材料选择
2.3 极板模型建立
2.3.1 极板尺寸计算
2.3.2 极板形状分析
2.3.3 试验与数据分析
2.4 极板安装结构验证
2.5 本章小结
3 检测装置硬件系统
3.1 设计方案
3.2 STC12C5A60S2 单片机
3.3 硬件测量电路模型搭建
3.3.1 晶振与复位电路
3.3.2 C/F 转换电路
3.3.3 LED 显示驱动电路
3.3.4 检测电路原理图
3.4 本章小结
4 检测装置软件系统
4.1 系统功能结构
4.2 系统程序
4.2.1 电容数据处理程序
4.2.2 串口通信程序
4.2.3 数码管显示程序
4.2.4 主程序
4.3 软硬件联合仿真调试
4.3.1 在线动态调试
4.3.2 CAN 总线通信调试
4.4 本章小结
5 检测装置的性能测试试验
5.1 室内台架试验
5.1.1 试验平台搭建
5.1.2 试验测试条件
5.1.3 试验数据采集
5.1.4 灵敏度测试
5.1.5 线性度测试
5.2 温度影响试验
5.2.1 试验目的
5.2.2 试验时间、地点及材料
5.2.3 试验数据采集
5.2.4 试验数据分析
5.3 田间作业试验
9 5.3.1 试验时间、地点及材料
5.3.2 试验数据采集
5.3.3 试验数据分析
9 5.4 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
本文在综合分析国内外相关电容检测法，与控制系统的研究现状基础上，针对我国目 前对于电容量程变化量较小的物料料位检测技术还没有研发出一套成熟、精度高、稳定性 好的系统这一问题，通过对田间施肥作业要求以及肥箱中肥料料位高度在线测量的总体方 案可行性分析，构建硬件模拟电路和肥箱料位检测程序，借助软硬件联合仿真调试，设计 一款基于单片机的肥箱料位检测装置，替代传统施肥作业过程中人工检测肥箱料位高度。
（1）本装置将肥箱料位变化转变为电容变化，将电容变化转变为脉冲频率变化，由于 肥箱料位检测装置电容极板采集到的电容信号很小、很微弱，为 pF 级别，对于微小电容 的检测本装置采用电容/频率转换集成电路，将微不可见的电容信号变化转变为直观性强的 频率数字信号变化。
（2）通过对温度影响试验的数据及曲线分析，得出显示值变化原因，并具体分析检测 装置内部所含电阻温度系数与极板电容值随温度的变化趋势，增加使用温度传感器，对温 度进行校正补偿，提高装置检测精度。
（3）不同肥料的配比导致形成介电常数不同，影响装置检测数据。在田间作业试验中， 试验材料为复合肥（磷酸二铵、尿素、硫酸钾），与室内台架试验所用单一尿素不同，故 需在田间作业前，重新校准装置参数 K 值与参数 B 值，并将验证后的新参数，在触控屏上 进行手动标定。
试验结果表明：研究设计的装置满足台架试验中以尿素为试验材料的性能测试，并通 过搭建的室内试验平台对肥箱料位检测装置的灵敏度、线性度进行了测试，得到检测装置 的灵敏度约为 0.1931pF/mm,线性度约为±3.09%;田间作业时，利用复合肥进行性能测试， 通过对装置参数值的重新标定、校准，得到参数 K 值为 45,参数 B 值为 1730,经试验验 证，得到肥箱料位检测装置绝对误差值约为 0.47kHz,相对误差值约为 2.19%,初步达到预 期检测标准。
6.2 创新点
目前农场采用人工对肥箱料位进行监测，未发现有关肥箱料位检测装置的研究，类似 的项目还没有人做过，研究基于单片机的肥箱料位检测装置，实时性高，节省人力，填补 了国内在这方面研究的空白。 探究了不同温度条件对肥箱料位检测值的影响，具体研究检测装置内部所含电阻的温 度系数和极板电容值随温度的变化趋势，并增加温度传感器，对田间作业温度进行校正补 偿，保证检测数据有效可靠。
6.3 展望
在做电容式料位检测装置时，应考虑以下两个方面：
（1）在电路板上进行电容测量采 集线路布线时，为了将寄生电容对测试结果的影响降至最低，就要减少线路的交叉或者直 角交叉；
（2）在电容测量采集电路的输入端，连接有两根导线，这两根导线应尽量选用细 导线并减小其长度、增大它们之间的距离，这些措施能够显著减小两根导线间的电容，从 而减小零漂。 当然，检测装置也存在一些待改进之处，可以从以下几个方面进行研究：
1.为验证检测装置是否具有较强通用性，可利用不同尺寸和材质的化肥箱进行对比试 验，今后可考虑设计与该肥箱料位检测装置相匹配的最佳尺寸和材质的化肥箱。
2.深度开展温度因素对肥箱料位检测装置的影响试验，探究电阻的温度系数导致电阻 随温度的变化趋势，并与极板电容值受温度影响的变化趋势进行对比分析。 3.由于田间作业时路况颠簸，装置产生较大震动，考虑分析田间震动对电容器极板采 集信号的影响，以期进一步提高检测装置精度与稳定性。
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