玉米精量播種機(jī)排種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯允猛,紀(jì) 超,付 威,陳金成

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所,新疆 石河子 832000)

0 引言

精量播種機(jī)是一種快速、高效的農(nóng)業(yè)裝備,具有節(jié)約種子、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)勢。精量播種機(jī)的核心部件是排種器,其性能優(yōu)劣決定播種作業(yè)質(zhì)量。由于精量播種機(jī)的排種器和導(dǎo)種管通常采用封閉設(shè)計(jì),無法通過人工直接觀察內(nèi)部工作過程,若實(shí)際田間作業(yè)中發(fā)生排種盤吸種不暢、導(dǎo)種管或開溝器堵塞等故障,將造成種粒漏播。尤其是大型精播機(jī)在進(jìn)行高速作業(yè)時(shí)發(fā)生漏播故障,勢必導(dǎo)致大面積缺苗,嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量[1-2]。因此,亟需為精量播種機(jī)配備性能完善、可靠性高的排種質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng),對(duì)提高播種作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。

近年來,隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,播種監(jiān)測方法呈現(xiàn)多樣性。日本的并河·清[3]利用多組紅外LED和光敏三極管搭建了光電傳感器監(jiān)測探頭,實(shí)現(xiàn)了對(duì)種子流漏播量、重播量的統(tǒng)計(jì)。布盧農(nóng)業(yè)大學(xué)的V. Leemans研制的計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測系統(tǒng)[4]可通過光學(xué)相機(jī)識(shí)別種粒下落過程,統(tǒng)計(jì)播種數(shù)量。周利明等[5-6]通過電容信號(hào)變化獲取相鄰種粒的脈沖積分面積來判斷排種器的工作性能。黃東巖等[7-8]利用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜傳感器監(jiān)測相鄰玉米粒在下落過程中產(chǎn)生的碰撞脈沖信號(hào)及兩信號(hào)間的時(shí)間間隔,計(jì)算得到排種器漏播量和重播量。通過對(duì)上述光電、視覺、電容和壓電等方法及系統(tǒng)硬件對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),光電傳感器[9-15]具有價(jià)格低、技術(shù)成熟、響應(yīng)迅速及驅(qū)動(dòng)電路簡單等優(yōu)勢,是搭建監(jiān)測系統(tǒng)探頭的首選元件。

本研究擬采用對(duì)射式光電感應(yīng)原理,設(shè)計(jì)了一種具有消除雜光干擾、抵抗塵土侵蝕等功能的排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)獲取排種量、漏播量、重播量等重要參數(shù)指標(biāo),并在發(fā)生斷條漏播時(shí)發(fā)出報(bào)警提示,從而提高精量播種機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量。

1 排種監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

排種監(jiān)測系統(tǒng)主要由紅外監(jiān)測探頭、信號(hào)采集處理電路、STM32F407ZGT6芯片、TFTLCD液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊與電源模塊等組成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

紅外監(jiān)測探頭用于獲取種粒下落位序信息并轉(zhuǎn)化為電平信號(hào);信號(hào)采集處理電路捕捉上述電平信號(hào)并通過濾波、放大等處理后傳輸至單片機(jī);單片機(jī)根據(jù)外部作業(yè)參數(shù)計(jì)算種粒間距值并獲得排種總量、重播量及漏播量等重要參數(shù),若判定發(fā)生斷條漏播,則通過引腳發(fā)出故障信號(hào);駕駛員可通過液晶顯示模塊與聲光報(bào)警模塊掌握機(jī)具作業(yè)工況,并在得到聲光報(bào)警提示后停車排查。此外,信號(hào)采集處理電路電壓取自經(jīng)DC12-DC12穩(wěn)壓后的12V蓄電池,單片機(jī)通過芯片LM7805和AMS1117芯片將蓄電池電壓降至3.3V,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓供電。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測探頭

2.1.1 工作原理

系統(tǒng)采用對(duì)射式光電感應(yīng)原理,探頭平行安裝于管壁兩側(cè),當(dāng)種粒下落通過探頭監(jiān)測范圍時(shí),產(chǎn)生遮擋信號(hào),在不同工況條件下形成對(duì)應(yīng)特征的電平信息。正常播種時(shí),信號(hào)采集處理電路將接收到規(guī)律性間斷電平脈沖;出現(xiàn)種箱缺種、排種盤吸種不暢等問題且造成一行或數(shù)行漏播時(shí),紅外光線直射入接收端并輸出連續(xù)低電平信號(hào);當(dāng)某行開溝器被土塊等雜物堵塞、種粒在導(dǎo)種管內(nèi)堆積遮擋紅外光線時(shí),將形成連續(xù)高電平信號(hào)。

2.1.2 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)光線覆蓋范圍,監(jiān)測探頭采用4組3mm管徑規(guī)格的紅外發(fā)光二極管和紅外光電二極管兩兩平行對(duì)射安裝,相鄰紅外發(fā)光二極管的間距為1mm,且由探頭支架隔離,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于玉米粒的直徑大于二極管管徑及隔離間隙,故理想狀態(tài)下玉米粒下落時(shí)可遮擋任意一組對(duì)射光線,不存在監(jiān)測盲區(qū)。實(shí)際情況下,紅外發(fā)光二極管頂端為半球形,光線呈傘狀發(fā)射,若無約束勢必會(huì)射入相鄰非對(duì)射的光電二極管中,形成內(nèi)部光線干擾[16],即出現(xiàn)任何光電二極管均無法被種粒完全遮擋的情況,影響監(jiān)測精度,且易造成誤判。為約束發(fā)光二極管光照范圍,提高系統(tǒng)靈敏度,本研究將紅外發(fā)光二極管置后安裝,其頂端與二極管支架前端平面距離為8mm。由于支架材料選用非透明黑色尼龍,故此8mm管壁對(duì)紅外光線形成吸收與約束,從而避免了內(nèi)部雜光干擾。此外,探頭前擋板由透明光敏樹脂材料制作,不僅提高了紅外光線的穿透能力,且使探頭免受灰塵的粘附,通過定期清潔透明擋板,保證系統(tǒng)抗塵性能。外殼與下?lián)醢逋ㄟ^螺母固定,防止震動(dòng)造成下?lián)醢逑蚝蠡?下?lián)醢搴颓皳醢謇每ú酃潭?防止震動(dòng)造成探頭向前和向上運(yùn)動(dòng)。

1.探頭前擋板 2.探頭支架 3.電路板 4.探頭支架外殼 5.螺母外殼 6.探頭后擋板 7.螺母孔 8.二極管 9.通光孔圖2 探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of monitoring probe

監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,U型支架結(jié)構(gòu)底面設(shè)計(jì)5mm×13mm的環(huán)槽,通過調(diào)節(jié)螺母和墊片位置可移動(dòng)探頭,用于監(jiān)測不同作物的種子流信號(hào),提高探頭的實(shí)用性能。監(jiān)測探頭安裝于導(dǎo)種管外壁,距地面高度100mm,貼近種床,能夠更加準(zhǔn)確地測定實(shí)際落種情況。

(a) 監(jiān)測裝置整體結(jié)構(gòu)圖

(b) U型支架結(jié)構(gòu)圖1.探頭監(jiān)測口 2.螺栓 3.U型支架 4.可調(diào)螺母 5.管卡 6.導(dǎo)種管 7.輔助支撐孔 8.環(huán)槽 9.放線孔圖3 監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of monitoring device

2.2 信號(hào)采集電路

系統(tǒng)信號(hào)采集電路主要由發(fā)(收)二極管、限流電阻、LM358P運(yùn)算放大器及分壓電阻等組成,如圖4所示。紅外發(fā)光二極管光線強(qiáng)度隨限流電阻R1的增大而減弱,考慮系統(tǒng)功率損耗及實(shí)際監(jiān)測精度要求,R1取值0.68 kΩ。通過LM358P(U1A)與電容C1放大目標(biāo)信號(hào),濾除雜波干擾,保證信號(hào)清晰穩(wěn)定。系統(tǒng)指示燈采用逐行對(duì)應(yīng)設(shè)置,表征各排種器落種狀態(tài)[18]:無種粒下落,指示燈不發(fā)光;種粒間隔下落,指示燈閃爍;導(dǎo)種管堵塞形成漏播時(shí)指示燈常亮,提示操控人員檢查故障。

圖4 信號(hào)采集電路Fig.4 Signal acquisition circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

首先,通過系統(tǒng)初始化檢測是否存在電路故障或異物遮擋問題。若電路正常且無異物遮擋時(shí),指示燈顯示綠色,否則提示為紅色;待初始化完成后,種粒下落,單片機(jī)通過外部中斷程序捕獲電平脈沖信號(hào)并累加計(jì)數(shù),同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)算相鄰脈沖的時(shí)間間隔T,結(jié)合種床帶的前進(jìn)速度VT得到實(shí)際粒距d,將其數(shù)值與理論粒距L進(jìn)行比較,并根據(jù)GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》判斷種粒是否存在重播、漏播現(xiàn)象;計(jì)算得到的排種量、漏播量及重播量由TFTLCD液晶模塊實(shí)時(shí)顯示;若斷條漏播持續(xù)時(shí)間過長,其累加值超過故障判定閾值,系統(tǒng)將提示駕駛員停車檢修。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the system software

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)材料

以新疆新玉41號(hào)玉米為監(jiān)測對(duì)象,利用新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所播種實(shí)驗(yàn)室的JPS-12試驗(yàn)臺(tái)架開展排種性能監(jiān)測試驗(yàn)。導(dǎo)種管安裝于排種口下方且垂直于傳送帶,傳送帶表面涂有黃油,避免種粒下落彈跳。排種監(jiān)測試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示。

圖6 排種監(jiān)測試驗(yàn)臺(tái)Fig.6 Seeding monitoring test bench

4.2 排種監(jiān)測試驗(yàn)

設(shè)置種床帶速度為4km/h,排種器每分鐘排種300粒,種子由排種口下落通過監(jiān)測探頭時(shí),系統(tǒng)采集排種量、重播量、漏播量等數(shù)據(jù)并通過液晶屏顯示;再由人工統(tǒng)計(jì)實(shí)際的排種量、重播量、漏播量等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 排種監(jiān)測精度試驗(yàn)Table 1 Accuracy test of seed metering

試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)對(duì)排種量和漏播量的監(jiān)測精度分別為98.1%與94.6%,高于重播監(jiān)測精度。其原因?yàn)?少數(shù)種粒重疊下落經(jīng)過探頭時(shí),兩種粒下落未產(chǎn)生時(shí)間間隔或間隔時(shí)間小于系統(tǒng)定時(shí)器掃描時(shí)間,系統(tǒng)僅能識(shí)別到1組光電信號(hào),造成漏判。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了玉米精量播種機(jī)排種監(jiān)測系統(tǒng),主要由紅外監(jiān)測探頭、信號(hào)采集處理電路、STM32單片機(jī)、TFTLCD 液晶顯示模塊與聲光報(bào)警模塊等組成,適用于種粒粒徑3mm及以上作物的播種監(jiān)測作業(yè)。

2)開發(fā)了基于對(duì)射式光電感應(yīng)的紅外監(jiān)測探頭,通過優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)消除了內(nèi)部散射光線形成的雜光干擾,提高了系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度和抗塵性能。

3)規(guī)劃了軟件流程并完成系統(tǒng)軟硬件集成,臺(tái)架試驗(yàn)表明:系統(tǒng)對(duì)排種量、漏播量和重播量的監(jiān)測精度分別為98.1%、94.6%、87.9%,滿足實(shí)際作業(yè)要求。