光敏式氣吸播種機(jī)監(jiān)測裝置研究

竇鈺程，歐陽斌林，陳海濤

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

精密播種機(jī)在播種的過程中，由于各種原因可能會出現(xiàn)漏播現(xiàn)象，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)或找不到漏播處就不可避免的影響這一年的收成[1]，尤其當(dāng)播種機(jī)幅寬增加，播種速度增加和密植時(shí)，播種作業(yè)過程中更需要監(jiān)視播種狀態(tài)。所以在播種機(jī)上配置電子裝置，在播種過程中對播種機(jī)進(jìn)行監(jiān)測有很重要的實(shí)際意義。

由于種粒運(yùn)動(dòng)較快，監(jiān)測種子主要采用光電傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、抗電磁干擾性能好，尤其是它對種子的運(yùn)動(dòng)沒有任何影響[2]。因此，研究的種流監(jiān)測裝置的研究大多采用光電傳感器[3]。但是，實(shí)際播種過程中排種器周圍存在大量灰塵，這些裝置沒有很好的解決灰塵對光信號傳遞影響的問題。國外在播種監(jiān)測方面研究較早，生產(chǎn)的種流監(jiān)測器可以配置在各種播種機(jī)上[4]，其產(chǎn)品特點(diǎn)是專業(yè)生產(chǎn)，安裝方便，可為各種農(nóng)機(jī)具配套，抗塵性能良好[5-6]。本試驗(yàn)采用光敏電阻作為傳感器，根據(jù)其特性，設(shè)計(jì)一種具有抗塵性能的裝置，對氣吸式精密播種情況進(jìn)行監(jiān)測。

1 監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器安裝結(jié)構(gòu)

光電傳感器采用光電對管，可以達(dá)到快速檢測的目的[7]。但是，光電對管的接收管對接收不同強(qiáng)度的光信號返回的是高低電平信號，當(dāng)有灰塵蒙蓋時(shí)，接收管可能檢測不到微弱的光信號，這樣就會影響檢測結(jié)果。光敏電阻也是一種光電傳感器，它的阻值是隨著光照強(qiáng)度變化而變化的模擬量[8]，灰塵不會完全影響信號的傳遞，且傳感器安裝在排種盤內(nèi)部，受灰塵影響較小，排種器的安裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

將光敏電阻安裝在播種盤與殼體組成封閉空間的內(nèi)側(cè)，使其與盤孔圓周對齊，將發(fā)光管安裝在播種盤外側(cè)，發(fā)光管與光敏電阻成一條直線，這樣，雜散光源在光敏電阻上照度遠(yuǎn)小于有圓筒光罩的發(fā)光管發(fā)出的強(qiáng)光。播種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)盤孔轉(zhuǎn)到光敏電阻和發(fā)光管直線位置時(shí)，光照在光敏電阻上，阻值很低；當(dāng)盤孔轉(zhuǎn)過光敏電阻和發(fā)光管直線位置后，光敏電阻被播種盤擋住，處于較黑暗環(huán)境，阻值較大。因此，可以根據(jù)光敏電阻阻值變化情況，對盤孔計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對播種情況進(jìn)行檢測。

1.2 傳感器電路

傳感器電路主要由高亮度發(fā)光二極管、光敏電阻及比較器組成，其電路如圖2所示。

圖1 氣吸式排種器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of suction seed sowing device

圖2 傳感器電路原理Fig.2 Sensor circuit schematic

將光敏電阻串聯(lián)100 K電阻，設(shè)置的比較電壓為2.5 V，且左右可調(diào)。當(dāng)發(fā)光管照在光敏電阻上時(shí)，光敏電阻阻值很小，光敏電阻分壓值小于比較電壓，比較器輸出低電平；當(dāng)照在光敏電阻上的光被擋住時(shí)，光敏電阻上電壓值大于比較電壓，比較器輸出高電平。比較器輸出接微控制器，微控制器采用STC12C5410單片機(jī)，對漏播，排種量，排種器轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

1.2.1 漏播量和播種量檢測

在播種盤種子下落部位的前后對接兩組傳感器，分別為傳感器1和傳感器2，如圖3所示。播種機(jī)正常工作時(shí)，播種盤上吸滿種子，傳感器1光敏電阻始終沒有光照在上面，所以電路沒有產(chǎn)生脈沖，如果吸盤上某個(gè)孔沒有種子，當(dāng)這個(gè)孔經(jīng)過傳感器1時(shí)，光會照到傳感器上，傳感器電路會產(chǎn)生一個(gè)脈沖，因此，傳感器1的功能是檢測漏播數(shù)量。傳感器2安裝在投種點(diǎn)之后，能將所有經(jīng)過空盤孔計(jì)數(shù)，傳感器2計(jì)數(shù)值減去傳感器1的漏播數(shù)就是該排種器的播種量。

1.2.2 排種器轉(zhuǎn)速檢測

傳感器2能將所有轉(zhuǎn)過的盤孔計(jì)數(shù)，排種盤上一周有45個(gè)盤孔，將傳感器2單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值除以45，得到的就是排種器的轉(zhuǎn)速。

1.2.3 導(dǎo)種管堵塞檢測

排種器落種子部位的下方接有導(dǎo)種管，在播種過程可能會出現(xiàn)堵塞，為了檢測堵塞，在導(dǎo)種管底部對接一組傳感器。將比較電壓值設(shè)置為4 V，因?yàn)橹粰z測堵狀態(tài)，所以不必考慮散雜光的干擾，當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)，所有的光都被種子擋住，光敏電阻處于黑暗環(huán)境傳，傳感器電路長時(shí)間輸出高電平，如果超過1 s，那么就視為導(dǎo)種管堵塞了。

圖3 傳感器安裝Fig.3 Sensor circuit installation

2 監(jiān)測裝置軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的程序流程，如圖4所示。

圖4 定時(shí)中斷和主程序流程Fig.4 Timer interruption and main routine flow process

程序采用C語言編寫。種子通過傳感器時(shí)間為5～10 ms，定時(shí)中斷每1 ms查詢一次各I/O狀態(tài)，根據(jù)其變化情況更新播種量及播種狀態(tài)等數(shù)據(jù)，這樣就省去了反復(fù)查詢各I/O狀態(tài)，節(jié)省了CPU時(shí)間。主程序分析播種機(jī)狀態(tài)，將播種機(jī)數(shù)據(jù)送給顯示模塊，當(dāng)有異常情況出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)提示。

3 結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室建立排種器單體實(shí)驗(yàn)臺，對監(jiān)測裝置的性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)臺由吸塵器、減速電機(jī)、變頻器、測試儀器設(shè)備和研究的測試電路構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 排種器實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of seed sowing device experiment table

減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器，變頻器用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制排種器的轉(zhuǎn)速，使用吸塵器模擬風(fēng)機(jī)，將測試電路安裝在排種器上，運(yùn)行各個(gè)裝置，對電路進(jìn)行測試。

3.1 裝置性能測試

首先，運(yùn)行裝置，調(diào)節(jié)變頻器的頻率，通過傳感器2的計(jì)數(shù)值來檢測排種器轉(zhuǎn)速，在變頻器頻率為20 Hz時(shí)，排種器每秒排種個(gè)數(shù)接近32，該值達(dá)到了田間要求，因此將變頻器頻率設(shè)為20 Hz，對其他數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。對排種數(shù)量檢測進(jìn)行了試驗(yàn)得出結(jié)果如表1所示。

排種數(shù)量檢測誤差率約為1%，檢測較為準(zhǔn)確，5組數(shù)據(jù)的漏播均為0，說明排種器在正常運(yùn)行情況下運(yùn)行，不存在漏播情況。為了測試檢測漏播的準(zhǔn)確性，排種箱內(nèi)不加種子，盤孔上除了5個(gè)連續(xù)盤孔外，其余的都用膠粘上種子，運(yùn)行裝置，排種器每轉(zhuǎn)一周，都能檢測到5粒漏播，漏播檢測較為準(zhǔn)確。同時(shí)，人為模擬排種管堵塞和排空現(xiàn)象，電路都能準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測到。

3.2 抗塵性能試驗(yàn)

在光敏電阻上涂上一層膠，在上面粘上大量灰塵，測得發(fā)光管照在涂灰后光敏電阻照度約為100 lx，對電路的抗灰塵能力進(jìn)行測試。監(jiān)測結(jié)果如表2所示。在灰塵的干擾下，排種數(shù)量檢測誤差率約為1%，與無灰塵下的誤差率相同。同時(shí)，該電路還能準(zhǔn)確的檢測到漏播、排空及堵塞的情況。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用照度計(jì)對試驗(yàn)環(huán)境照度進(jìn)行測量，測得排種器外部照度約為50 000 lx，在光敏電阻上涂上不同程度灰塵的情況下，用照度計(jì)及萬用表測量光敏電阻的阻值及照度情況如表3所示，其中光照照度、電阻是排種盤轉(zhuǎn)到發(fā)光管和光敏電阻直線位置時(shí)光敏電阻的照度和阻值，黑暗照度、電阻是排種盤兩個(gè)盤孔中間位置擋住光敏電阻時(shí)光敏電阻的照度和阻值。

表1 排種性能檢測結(jié)果Table 1 Detection result of seeding performance

表2 抗塵性能檢測結(jié)果Table 2 Detection result of antidusting performance

表3 不同灰塵情況下光敏電阻的測量值Table 3 Measured value of photoresistance in different dust conditions

由表3可知，光敏電阻的光照照度和黑暗照度差別很大，隨著灰塵的增加，此差別有所減小，但是光照照度還是在100 lx以上，而黑暗照度不到5 lx。因?yàn)楣庹蘸秃诎嫡斩炔顒e很大，所以光敏電阻的光照阻值和黑暗阻值也有很大的差別，隨著灰塵的增加，其光照阻值始終不到100 K，黑暗阻值卻達(dá)到了200 K以上，在光敏電阻上串聯(lián)100 K電阻及設(shè)置比較電壓值達(dá)到了抵抗灰塵干擾的目的。

4 結(jié)論

本研究將光敏電阻應(yīng)用于氣吸式精密播種機(jī)的監(jiān)測裝置，根據(jù)其特性設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件和軟件。試驗(yàn)表明，該裝置能夠及時(shí)地、準(zhǔn)確地反饋各播種信息，如漏播量、排種量、排種速度等，且抗塵性能良好，達(dá)到了監(jiān)測的目的，對進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

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