光敏式氣吸播種機監測裝置研究

竇鈺程，歐陽斌林，陳海濤

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

精密播種機在播種的過程中，由于各種原因可能會出現漏播現象，如果不能及時發現或找不到漏播處就不可避免的影響這一年的收成[1]，尤其當播種機幅寬增加，播種速度增加和密植時，播種作業過程中更需要監視播種狀態。所以在播種機上配置電子裝置，在播種過程中對播種機進行監測有很重要的實際意義。

由于種粒運動較快，監測種子主要采用光電傳感器，其結構簡單、價格低廉、抗電磁干擾性能好，尤其是它對種子的運動沒有任何影響[2]。因此，研究的種流監測裝置的研究大多采用光電傳感器[3]。但是，實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。國外在播種監測方面研究較早，生產的種流監測器可以配置在各種播種機上[4]，其產品特點是專業生產，安裝方便，可為各種農機具配套，抗塵性能良好[5-6]。本試驗采用光敏電阻作為傳感器，根據其特性，設計一種具有抗塵性能的裝置，對氣吸式精密播種情況進行監測。

1 監測裝置硬件設計

1.1 傳感器安裝結構

光電傳感器采用光電對管，可以達到快速檢測的目的[7]。但是，光電對管的接收管對接收不同強度的光信號返回的是高低電平信號，當有灰塵蒙蓋時，接收管可能檢測不到微弱的光信號，這樣就會影響檢測結果。光敏電阻也是一種光電傳感器，它的阻值是隨著光照強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部，受灰塵影響較小，排種器的安裝結構，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側，使其與盤孔圓周對齊，將發光管安裝在播種盤外側，發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小于有圓筒光罩的發光管發出的強光。播種盤轉動，當盤孔轉到光敏電阻和發光管直線位置時，光照在光敏電阻上，阻值很低；當盤孔轉過光敏電阻和發光管直線位置后，光敏電阻被播種盤擋住，處于較黑暗環境，阻值較大。因此，可以根據光敏電阻阻值變化情況，對盤孔計數，實現對播種情況進行檢測。

1.2 傳感器電路

傳感器電路主要由高亮度發光二極管、光敏電阻及比較器組成，其電路如圖2所示。

圖1 氣吸式排種器結構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100 K電阻，設置的比較電壓為2.5 V，且左右可調。當發光管照在光敏電阻上時，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；當照在光敏電阻上的光被擋住時，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，對漏播，排種量，排種器轉速等數據進行計算。

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。播種機正常工作時，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，所以電路沒有產生脈沖，如果吸盤上某個孔沒有種子，當這個孔經過傳感器1時，光會照到傳感器上，傳感器電路會產生一個脈沖，因此，傳感器1的功能是檢測漏播數量。傳感器2安裝在投種點之后，能將所有經過空盤孔計數，傳感器2計數值減去傳感器1的漏播數就是該排種器的播種量。

1.2.2 排種器轉速檢測

傳感器2能將所有轉過的盤孔計數，排種盤上一周有45個盤孔，將傳感器2單位時間內的計數值除以45，得到的就是排種器的轉速。

1.2.3 導種管堵塞檢測

排種器落種子部位的下方接有導種管，在播種過程可能會出現堵塞，為了檢測堵塞，在導種管底部對接一組傳感器。將比較電壓值設置為4 V，因為只檢測堵狀態，所以不必考慮散雜光的干擾，當發生堵塞時，所有的光都被種子擋住，光敏電阻處于黑暗環境傳，傳感器電路長時間輸出高電平，如果超過1 s，那么就視為導種管堵塞了。

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

2 監測裝置軟件設計

單片機的程序流程，如圖4所示。

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

程序采用C語言編寫。種子通過傳感器時間為5～10 ms，定時中斷每1 ms查詢一次各I/O狀態，根據其變化情況更新播種量及播種狀態等數據，這樣就省去了反復查詢各I/O狀態，節省了CPU時間。主程序分析播種機狀態，將播種機數據送給顯示模塊，當有異常情況出現時，及時提示。

3 結果與分析

在實驗室建立排種器單體實驗臺，對監測裝置的性能進行測試。實驗臺由吸塵器、減速電機、變頻器、測試儀器設備和研究的測試電路構成，如圖5所示。

圖5 排種器實驗臺結構Fig.5 Structure of seed sowing device experiment table

減速電機驅動排種器，變頻器用來控制電機轉速，從而控制排種器的轉速，使用吸塵器模擬風機，將測試電路安裝在排種器上，運行各個裝置，對電路進行測試。

3.1 裝置性能測試

首先，運行裝置，調節變頻器的頻率，通過傳感器2的計數值來檢測排種器轉速，在變頻器頻率為20 Hz時，排種器每秒排種個數接近32，該值達到了田間要求，因此將變頻器頻率設為20 Hz，對其他數據進行測試。對排種數量檢測進行了試驗得出結果如表1所示。

排種數量檢測誤差率約為1%，檢測較為準確，5組數據的漏播均為0，說明排種器在正常運行情況下運行，不存在漏播情況。為了測試檢測漏播的準確性，排種箱內不加種子，盤孔上除了5個連續盤孔外，其余的都用膠粘上種子，運行裝置，排種器每轉一周，都能檢測到5粒漏播，漏播檢測較為準確。同時，人為模擬排種管堵塞和排空現象，電路都能準確、及時地檢測到。

3.2 抗塵性能試驗

在光敏電阻上涂上一層膠，在上面粘上大量灰塵，測得發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行測試。監測結果如表2所示。在灰塵的干擾下，排種數量檢測誤差率約為1%，與無灰塵下的誤差率相同。同時，該電路還能準確的檢測到漏播、排空及堵塞的情況。

3.3 試驗驗證

采用照度計對試驗環境照度進行測量，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、電阻是排種盤轉到發光管和光敏電阻直線位置時光敏電阻的照度和阻值，黑暗照度、電阻是排種盤兩個盤孔中間位置擋住光敏電阻時光敏電阻的照度和阻值。

表1 排種性能檢測結果Table 1 Detection result of seeding performance

表2 抗塵性能檢測結果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。因為光照和黑暗照度差別很大，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，黑暗阻值卻達到了200 K以上，在光敏電阻上串聯100 K電阻及設置比較電壓值達到了抵抗灰塵干擾的目的。

4 結論

本研究將光敏電阻應用于氣吸式精密播種機的監測裝置，根據其特性設計了相應的硬件和軟件。試驗表明，該裝置能夠及時地、準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，達到了監測的目的，對進一步的實際應用設計有一定參考價值。

[1] 陳紹斌,呂新民,張麗君.精密播種機監測系統的研究與開發[J].農藥,2007,5(5):112-114.

[2] 鄭送軍.精密播種機排種器自動監測系統研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2007.

[3] 劉洪強,馬旭,袁月明,等.基于光電傳感器的精密排種器性能檢測[J].吉林農業大學學報,2007,29(5):347-349.

[4] 孫全芳,戴玉華.精密播種機監控系統的研究現狀與發展趨勢[J].山東機械,2005(4):60-62.

[5] Haase W C.Pioneer I-a planter computer system[J].ASAE,1986,1(1):135-145.

[6] Inoti I K.Electronically-controlled pneumatic precision planterelectronic seed sensing and evaluation of metering uniformit[J].JSAM,1990,52:35-43.

[7] 王樹臣,遲天陽.氣吸式精密播種機種肥監測設備的研制[J].林業機械與木工設備,2004,32(8):15-16.

[8] 彭勇,鮑宏志,劉文立.光敏電阻特性測定及其在自動照明燈中的應用[J].大學物理實驗,2002,15(4):26-27.