可變量智能播種裝置設(shè)計(jì)

侯攀登 韓沖沖

摘 要 介紹了一種用于玉米種子精密播種的智能播種裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)，該裝置的特點(diǎn)是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種，可以按照農(nóng)藝要求任意調(diào)整株距。電機(jī)的轉(zhuǎn)速獲取是在測(cè)速輪前進(jìn)的速度基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)測(cè)速輪獲取的速度信號(hào)，傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)公式分析，最終得到目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)采用的排種器為指夾式排種器，排種效果好，排種均勻，能夠?yàn)閱瘟＞ヌ峁┛煽勘Ｕ稀?/p>

關(guān)鍵詞 智能；可變量；播種裝置

中圖分類號(hào)：S435.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.14.090

1 研制背景及意義

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高播種機(jī)的工作性能、工作質(zhì)量和工作效率已成為人們?cè)诓シN過(guò)程中的追求目標(biāo)?，F(xiàn)有播種機(jī)排種一般都是采用齒輪、鏈輪等機(jī)械傳動(dòng)，依靠地輪驅(qū)動(dòng)排種器排種，改變播種株距需要通過(guò)改變傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。改變傳動(dòng)比需更換鏈輪、齒輪，不能在作業(yè)中改變株距，而作業(yè)過(guò)程中拖拉機(jī)速度波動(dòng)和地輪打滑會(huì)造成株距變化，從而會(huì)影響播種的均勻性。為此，針對(duì)目前農(nóng)村播種出現(xiàn)的問(wèn)題，研制出可變量智能播種裝置。

該可變量智能播種裝置以單片機(jī)為主控芯片，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)播種人員快速調(diào)整播種株距和播種株距的連續(xù)調(diào)節(jié)[2]。該裝置使用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)種子排種，可以提高播種株距的精確性，減小地輪打滑對(duì)株距變動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程技術(shù)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)工作可靠性強(qiáng)。

2 可變量智能播種裝置的結(jié)構(gòu)及組成

可變量智能播種裝置主要由指夾式排種器步進(jìn)電機(jī)、行走輪（測(cè)速輪）、機(jī)架幾部分組成。步進(jìn)電機(jī)用來(lái)為排種器轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。測(cè)速輪用來(lái)測(cè)速，同時(shí)還起到支撐和壓實(shí)作用[3]。此外，測(cè)速輪被安裝在播種機(jī)單體的后方，其主要起到承重作用，因?yàn)榈貨r良好，所以測(cè)速輪打滑率較低。

3 可變量智能播種裝置的總體設(shè)計(jì)方案

3.1 控制系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要進(jìn)行信息采集部分、排種驅(qū)動(dòng)部分兩大模塊的設(shè)計(jì)。硬件部分完成的工作主要是信息收集、信息處理、信息傳遞和輸出控制等。

3.1.1 信息采集部分

在設(shè)計(jì)中，測(cè)速模塊安裝在測(cè)速輪上面，主要采集排種器的前進(jìn)速度，將采集的信息發(fā)送至單片機(jī)主控芯片進(jìn)行處理[4]。單片機(jī)內(nèi)部主要進(jìn)行預(yù)設(shè)株距，構(gòu)建前進(jìn)速度、播種株距和排種器轉(zhuǎn)速3者之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算分析出要發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)。

3.1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種部分

在設(shè)計(jì)中，對(duì)傳統(tǒng)排種器驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了改進(jìn)，將地輪驅(qū)動(dòng)方式改變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，該驅(qū)動(dòng)方式有效避免地輪打滑的干擾，提高了排種器的排種效果。傳感器將排種器前進(jìn)的速度信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。單片機(jī)根據(jù)排種器的前進(jìn)速度和預(yù)設(shè)株距，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，將信號(hào)脈沖發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器，最終實(shí)現(xiàn)精確排種。

3.2 控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)方案

軟件部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心部分，對(duì)于提升系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、抗干擾性具有重要的意義。

本項(xiàng)目以C語(yǔ)言作為編程工具，采用模塊化編程方法，將所需功能按照實(shí)際需要拆解成若干個(gè)小模塊，分別對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立編程，然后分別進(jìn)行調(diào)試，最后在綜合在一起成為完整的軟件系統(tǒng)，測(cè)試最終的控制效果。對(duì)應(yīng)需要完成的工作，軟件部分的程序設(shè)計(jì)包括主程序、信息采集子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序等的設(shè)計(jì)。

4 硬件的選擇與設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)系統(tǒng)的選取與設(shè)計(jì)

單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是指在一塊芯片上繼承了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM或EPROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及串行和并行I/O接口等部件。其確切的稱謂是微控制器，單片機(jī)只是其習(xí)慣稱謂，在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛。概括來(lái)講，一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

4.2 速度檢測(cè)模塊的選擇與設(shè)計(jì)

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器。用于工業(yè)上檢測(cè)技術(shù)和信息處理技術(shù)等，在農(nóng)業(yè)上也有廣泛應(yīng)用?；魻杺鞲衅骶哂芯雀摺㈦姎飧綦x性好、寬帶寬和測(cè)量范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。傳感器特設(shè)M3固定安裝孔，調(diào)節(jié)方向與固定方便易用，使用寬電壓LM393比較器，通過(guò)對(duì)霍爾元件傳過(guò)來(lái)的值和電位器值進(jìn)行比較，可以直接輸出高低電平，信號(hào)干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。當(dāng)電流超過(guò)15 mA時(shí)，配可調(diào)精密電位器調(diào)節(jié)靈敏度，如果電位器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，靈敏度越高，反之越低。

驅(qū)動(dòng)器采用28 mm二相步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為SS1102A10A，采用永磁硅鋼片及日本NSK原裝軸承制造，電機(jī)長(zhǎng)度51 mm，靜力矩150 mNm，重量0.2 kg，電流1A，定位精度高，輸出力矩高，響應(yīng)頻率高，運(yùn)行噪音低，動(dòng)態(tài)特性好。步進(jìn)電機(jī)：J-5718HB6401-J，機(jī)高113 mm，2相4線，3.6 N.m，4.0 A，性能好、溫升低、噪音小。配驅(qū)動(dòng)器DM542128細(xì)分4.2 A，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)。

5 可變量智能播種裝置的主程序設(shè)計(jì)

可變量智能播種裝置的主程序設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)步驟。1）對(duì)AT89C2051單片機(jī)以及各控制芯片進(jìn)行初始化，保證控制系統(tǒng)做好工作準(zhǔn)備；2）調(diào)用信息采集及數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算子程序，依據(jù)霍爾傳感器和激光傳感器發(fā)送回來(lái)的信號(hào)，通過(guò)分析、計(jì)算，判斷有無(wú)故障發(fā)生和得出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速；3）調(diào)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序，根據(jù)前進(jìn)速度的變化，將單片機(jī)計(jì)算好的脈沖數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的可變量智能播種裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：1）采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器排種的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有效解決了地輪打滑影響播種株距的問(wèn)題，提高了精密播種機(jī)播種株距的準(zhǔn)確性；2）通過(guò)單片機(jī)依據(jù)拖拉機(jī)前輪速度控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)播種株距，實(shí)現(xiàn)了播種株距的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，避免了停機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了播種機(jī)的工作效率，播種均勻性也明顯提高；3）經(jīng)過(guò)對(duì)該控制系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試可以看出，在播種過(guò)程中，系統(tǒng)能夠依據(jù)機(jī)組速度調(diào)節(jié)播種株距，不僅提高了精密播種機(jī)的工作質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且還降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：劉昀）