氣吸式小麥電控播種系統(tǒng)的設計與試驗

閆 青,趙達衛(wèi),趙曉順,霍曉靜,王文娣,王 輝,唐 娟

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,河北 保定 071000)

0 引言

國內(nèi)的小麥播種機以機械式為主,地輪作為播種機的播種驅(qū)動輪,傳統(tǒng)機械式小麥播種機性能不斷提高,基本可以滿足播種作業(yè)的需要。目前,條播是小麥最常用的播種方式。撒播方法簡單,省工省時,但小麥播種深度差異較大,不利于小麥生長;穴播多使用于地理條件較差的地塊,可以集中施肥,播深較為一致,但小麥產(chǎn)量不穩(wěn)、不高,費時費力;條播相對省時省工,田間整體有良好通風性,小麥生長環(huán)境較好,易實現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn),但每行麥苗密度較大,行內(nèi)均勻性變化較大。小麥精量播種技術通過精確控制小麥株距,提高了播種均勻性,實現(xiàn)了小麥植株之間合理的行距、株距,科學分配水、肥、光條件,使小麥個體有效分蘗,為小麥生長提供良好環(huán)境和保障。為了滿足精量播種的農(nóng)藝要求,提高小麥精量播種機的播種質(zhì)量,設計、優(yōu)化了小麥播種電控系統(tǒng),以提高小麥播種質(zhì)量。

國外對精量播種技術的運用和精量播種機的研究較早,依托于先進的傳感技術和GPS技術[1]在播種作業(yè)中的廣泛使用,精量播種、變量施肥技術已較為成熟。國內(nèi)對播種控制的研究與國外相比起步較晚,不夠成熟,對大籽粒作物的單粒精播研究較多,對小麥等小籽粒作物的研究不足。安徽農(nóng)業(yè)大學張春玲設計的電控玉米排種系統(tǒng)[2],利用雷達測速、電機控制實現(xiàn)對玉米的精量播種,播種質(zhì)量有所提高。河南科技大學研制的2BFJ-24型小麥精量播種變量施肥機[3],具有防堵預警和變量施肥的功能。黑龍江八一農(nóng)墾大學設計的氣吸式玉米播種機智能電控系統(tǒng)[4-5],采用光電編碼器采集車速,控制排種軸轉(zhuǎn)速,達到玉米的精量播種控制。目前,國內(nèi)對電控播種系統(tǒng)的研究還只是停留在試驗階段,沒有成熟的產(chǎn)品,在速度測量、電機控制、播種質(zhì)量檢測等方面還有很多不足之處[6-9]。氣吸式排種器傷種率低,效率高,電控系統(tǒng)和氣吸式相結合是目前播種機械發(fā)展的方向,是實現(xiàn)農(nóng)機現(xiàn)代化、智能化[10]的有效途徑。本課題結合氣吸式排種器設計了電控播種系統(tǒng),旨在為小麥單粒精播的實現(xiàn)及提高播種質(zhì)量提供技術支撐。

1 電控系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成及原理

控制系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、顯示屏、旋轉(zhuǎn)編碼器、步進電機和電機驅(qū)動器等組成。在播種過程中,旋轉(zhuǎn)編碼器采集機具行進速度信號,控制器依據(jù)速度數(shù)據(jù)與設定株距計算后得出排種器的理論轉(zhuǎn)速,步進電機的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)準確控制。在單片機系統(tǒng)中,使用外部中斷INT0和定時器T0完成對速度信號的采集,采用濾波算法使得采集到的速度信號更加準確可靠[11]。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理框圖Fig.1 Block diagramofwork principle

1.2 系統(tǒng)電路設計

1.2.1 控制器模塊

控制系統(tǒng)處理器選用STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC型單片機,具有低消耗、高性能和超強抗干擾的優(yōu)點,供電方式有5.5～3.4V和2.0～3.8V兩種,本系統(tǒng)采用5V供電。

1.2.2 電機控制模塊

電機選用普菲德86BYG250A型號兩相步進電機,扭矩為2.4N·m,歩距角為1.8°,步進電機驅(qū)動器型號為DM542,24V供電;PUL-(PUL)接口與單片機I/O口連接,步進電機的接線與控制器A+、A-、B+、B-端口對應連接,相關電路如圖2所示。

圖2 電機控制電路圖Fig.2 Circuitdiagram of motor control

1.2.3 測速模塊

在測速模塊中,采用HN3806-AB-400N型號旋轉(zhuǎn)編碼器,5～24V供電,脈沖信號輸出A端口與單片機外部中斷P3.2口相連,同時兩端口之間接阻值為5kΩ的上拉電阻R3,將P3.2口電平拉高。測速模塊如圖3所示。

圖3 測速模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of speed measuring module

1.2.4 顯示模塊

顯示模塊由LCD1602顯示器和獨立按鍵組成。其中,顯示器可顯示當前行進速度、排種軸轉(zhuǎn)速和設定株距信息;獨立按鍵實現(xiàn)對株距信息的輸入、修改,作業(yè)人員可以通過按鍵控制系統(tǒng)的開啟與關閉。顯示模塊電路如圖4所示。

圖4 顯示模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of display module

1.2.5 電壓轉(zhuǎn)換模塊

在系統(tǒng)中需要使用5V供電,拖拉機一般可提供12V電壓,需要電壓轉(zhuǎn)換電路將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V。電壓轉(zhuǎn)換電路使用LM1117MPX-5.0芯片,工作性能好,使用簡單。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件設計使用Keilμ Vision 4,編程語言為C語言[12],實現(xiàn)測速模塊、電機控制模塊和顯示模塊的功能。在控制邏輯上,控制系統(tǒng)開始運行后,用戶輸入株距值,測速模塊執(zhí)行測速功能并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C,經(jīng)過計算得到理論的電機轉(zhuǎn)速后將控制信號傳輸給電機控制模塊。在系統(tǒng)運行過程中,顯示模塊實時顯示設定株距、機具行進速度和電機轉(zhuǎn)速。在測速程序中,定時器T0定時50ms,外部中斷INT0檢測外部脈沖信號,經(jīng)過處理器計算得出被測輪轉(zhuǎn)速。在電機控制模塊中,使用定時器T1產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號來控制電機轉(zhuǎn)速。控制主流程圖如圖6所示。

1.4 控制程序優(yōu)化

控制程序由C語言編寫。在車速檢測控制程序中,外部中斷INT0檢測編碼器脈沖信號,結合定時器T0來確定旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)速,進而得到車速。在排種盤轉(zhuǎn)速控制程序中,依據(jù)設定好的株距值和車速對步進電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整,通過計算公式將車速和電機轉(zhuǎn)速建立關系,達到實時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的[8];在電機控制程序中,使用定時器T1發(fā)出頻率符合要求的脈沖信號,控制步進電機。

由于播種作業(yè)的環(huán)境條件較差,機架振動對旋轉(zhuǎn)編碼器有一定影響,在軟件設計時,用濾波算法對得到的脈沖信號進行分析處理,以得到較為準確的車速信號[9]。在測速程序中,基本思路如下:通過定時器T0定時50ms,外部中斷檢測旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號,經(jīng)過10次定時,可以得到500ms內(nèi)總的脈沖數(shù),再取每次定時50ms的平均值。但是,由于外界環(huán)境和系統(tǒng)運行誤差的影響,簡單的均值算法得出的結果不穩(wěn)定,當車速發(fā)生變化時,每次檢測的結果突變較大,如果以此作為控制步進電機的參數(shù),電機會發(fā)生卡頓現(xiàn)象,對播種效果產(chǎn)生影響。

為了消除干擾信號的影響,程序設計中使用了一階滯后濾波算法,是通過設定參數(shù)a將本次采樣結果與上次濾波結果建立聯(lián)系的濾波方法。試驗使用的光電旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)1圈產(chǎn)生400個脈沖,播種機在田間作業(yè)會產(chǎn)生頻率較高的干擾信號,故一階滯后濾波較為適用,其濾波相關公式為

z=(1-a)x+ay

(1)

式中a—濾波系數(shù),0

x—本次采樣值;

y—上次濾波結果。

在程序設計中,y為50ms內(nèi)檢測到的外部脈沖個數(shù);z為經(jīng)過公式(1)計算得到的值,同時作為公式(1)下一次計算中的x值。依次迭代計算,得出較為準確的脈沖信號,提高測速準確性。

2 控制系統(tǒng)相關計算

2.1 排種器的排種數(shù)

播種控制系統(tǒng)以氣吸式槽縫排種器為研究對象,排種器主要部分為兩個圓盤,之間形成縫隙寬為0.7mm,風機工作后縫隙間形成負壓,達到吸種效果。排種器旋轉(zhuǎn)1周的排種數(shù)決定了一定時間、轉(zhuǎn)速下的播種量和電機控制參數(shù),其值為m,由試驗得到。吸種原理如圖7所示。

圖7 吸種原理簡Fig.7 Schematic diagram of suckingseeds

2.2 排種軸轉(zhuǎn)速與車速的關系

已知排種盤轉(zhuǎn)動1圈可播下的種子粒數(shù)為m,相鄰兩粒種子下落時間間隔為

(2)

式中Δt—相鄰兩粒種子下落時間間隔(s);

n—排種盤轉(zhuǎn)速(r/min)。

株距計算公式為

(3)

式中Z—小麥株距(mm);

v—機具行進速度(km/h)。

由公式(3)得

(4)

被測輪的半徑為R(cm),公式(4)可化為

(5)

式中n1—被測輪轉(zhuǎn)速(r/min);

R—被測輪半徑(cm)。

3 試驗結果及分析

3.1 相關試驗設備

在實驗室進行相關試驗,相關設備如表1所示。

表1 試驗設備Table 1 Testequipment

搭建播種試驗臺進行播種試驗,其主要機構如圖8所示。

3.2 氣吸式排種器吸種試驗

選用槽縫氣吸式排種器,試驗中風機可以提供4.5kPa的負壓。為了測試吸種穩(wěn)定性,確定排種盤旋轉(zhuǎn)1圈的播種數(shù)m(粒),對排種器進行吸種試驗。試驗旋轉(zhuǎn)圈數(shù)分別為1、5、10,將株距設定為10mm,排種器轉(zhuǎn)速分別為25、40、50r/min,每組試驗次數(shù)為5次,記錄結果并比較。試驗中,排種器吸種效果如圖9所示,試驗結果如表2所示。

表2 吸種試驗記錄Table 2 Test record of sucking seeds 粒

試驗結果表明:排種器轉(zhuǎn)速對吸種數(shù)有一定影響。為保證小麥播種均勻性,本設計取試驗轉(zhuǎn)速所測平均值m=651。

3.3 電機控制精度試驗

3.3.1 試驗方案及數(shù)據(jù)

試驗使用的步進電機,控制方式為開環(huán)控制,通過對控制器輸出一定頻率的脈沖信號實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動,電機轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率有關?？刂破髟O定細分為400Pulse/r,即對PUL-(PUL)端口輸出400個脈沖信號,步進電機旋轉(zhuǎn)1圈。通過理論轉(zhuǎn)速和實際測量轉(zhuǎn)速的對比試驗,確定電機控制的精確性。

設定10組不同轉(zhuǎn)速,使用優(yōu)化的控制系統(tǒng),得到每組試驗理論轉(zhuǎn)速、實際測量轉(zhuǎn)速、實際輸出轉(zhuǎn)速和實際輸出頻率的試驗結果,如表3所示。此外,對25、50、125r/min等3種轉(zhuǎn)速進行單獨試驗,得到檢測轉(zhuǎn)速、理論轉(zhuǎn)速、實際輸出脈沖頻率和檢測轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)動時間的關系曲線;另外,使用未優(yōu)化的控制系統(tǒng)進行試驗,得到在以上3種轉(zhuǎn)速下檢測轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)動時間的關系曲線,如圖10所示。

圖10 步進電機不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速指標對比曲線Fig.10 Comparison curves of speed index of stepping motor at different speeds

3.3.2 試驗結果分析

1)試驗中,理論轉(zhuǎn)速由算法計算得出,實際輸出轉(zhuǎn)速值由示波器檢測單片機I/O口的輸出脈沖頻率換算得到,實際測量轉(zhuǎn)速由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測得出。由試驗分析可知:3種轉(zhuǎn)速值有一定偏差,實際測量轉(zhuǎn)速和理論轉(zhuǎn)速最大偏差率為0.8%,電機轉(zhuǎn)速為25r/min時的理論轉(zhuǎn)速與檢測轉(zhuǎn)速的差值較50/min和125r/min時的差值大,但偏差率最大為0.6%。理論轉(zhuǎn)速是控制電機需達到的轉(zhuǎn)速,實際測量轉(zhuǎn)速相對較小,將兩者的誤差轉(zhuǎn)換成播種量的誤差,可得播種量最大誤差率理論值為0.8%,滿足播種要求。

2)實際輸出轉(zhuǎn)速和實際測量轉(zhuǎn)速存在誤差,最大偏差率為3.6%,測速模塊測速精度滿足要求。

3)由作業(yè)速度下的轉(zhuǎn)速對比曲線可知:測速程序優(yōu)化后,實際輸出轉(zhuǎn)速和實際測量轉(zhuǎn)速的最大偏差率為6.5%,測速更加準確。

3.4 排種性能試驗

3.4.1 試驗方案及數(shù)據(jù)

試驗中,播種合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和粒距變異指數(shù)的計算參照GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法標準》得出。試驗設置株距分別為10、20、30mm,排種器轉(zhuǎn)速分別為25、50、125r/min,另設1組變速試驗。

分析試驗數(shù)據(jù),結果如表4所示。在不同作業(yè)速度下,粒距為10、20、30mm的合格指數(shù)平均值分別為77.96%、90.85%、95.35%,重播指數(shù)平均值分別為5.74%、3.98%、1.21%,漏播指數(shù)平均值分別為13.05%、4.41%、3.43%,合格粒距變異系數(shù)平均值分別為25.47%、22.79%、20.96%。不同粒距與不同排種器轉(zhuǎn)速下的播種質(zhì)量指標對比如圖11所示。

表4 排種試驗結果Table 4 Results of seeding test %

3.4.2 試驗結果分析

參照JB/T 10293-2013《單粒(精密)播種機技術條件》中的相關內(nèi)容,如表5所示。由表5可知:試驗得出的粒距合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)和合格粒距變異系數(shù)均符合國家標準。由圖11可以直觀地看出:合格指數(shù)與粒距成正比,設定粒距越大,測量誤差和控制誤差對結果的影響越小,同時計算標準的精度也隨著粒距的增大而減小。粒距為20mm和30mm的試驗得出的漏播指數(shù)比粒距為10mm時的漏播指數(shù)小,粒距較小時誤差會對試驗結果產(chǎn)生較大影響。同樣,粒距為20mm和30mm時,試驗得出的合格粒距變異系數(shù)也小于粒距為10mm時。試驗得出的合格粒距變異系數(shù),在不同粒距條件下的試驗中,播種質(zhì)量指標均滿足JB/T 10293-2013的標準。

表5 作業(yè)性能指標Table 5 Work performanceindicator

4 結論

1)氣吸式小麥電控排種系統(tǒng)改變了排種動力驅(qū)動方式,實現(xiàn)小麥單粒精播。使用低成本、控制簡單的STC98C51單片機為控制芯片,優(yōu)化了測速程序,提高了測量準確性。

2)試驗結果表明:電控排種系統(tǒng)提高了播種質(zhì)量,在設定不同粒距的情況下,排種合格指數(shù)平均為88.05%,重播指數(shù)平均為3.64%,漏播指數(shù)平均為6.96%,合格粒距變異系數(shù)平均為23.07%,均滿足JB/T 10293-2013的技術要求,有較好的播種效果。

3)電控排種器在高轉(zhuǎn)速作業(yè)中的排種效果良好,通過前期對傳統(tǒng)小麥播種的實際調(diào)研,在高速作業(yè)情況下氣吸式電控播種系統(tǒng)有著更高的工作效率和工作質(zhì)量。