一種馬鈴薯漏播檢測及補償裝置的研制

王關平，孫偉

（甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州 730070）

一種馬鈴薯漏播檢測及補償裝置的研制

王關平，孫偉*

（甘肅農業大學工學院，甘肅 蘭州 730070）

針對現有的鏈勺式排種器馬鈴薯播種機作業過程中普遍存在的漏播現象，以PIC16F877單片機為核心，提出了一種由漏播檢測啟動信號生成電路、紅外漏播檢測電路和窩眼輪式排種系統構成的漏播檢測補償新方案。漏播檢測啟動信號生成電路主要由永磁鐵和干簧繼電器電路構成，每當固定于取種勺底板上的永磁鐵略過干簧繼電器時，都會觸發系統進行一次基于紅外信號發射、接收的漏播檢測工作，系統軟件基于PIC16F877特定引腳上一定時間段內發生電平變化的次數做出是否漏播的判斷；如果確定漏播事件發生，PIC16F877將迅速發出補種指令，窩眼輪式排種器在步進電機帶動下迅速旋轉90°將待補薯種排入導種槽，從而實現漏播補償。試驗結果表明，該系統漏播檢測的準確率〉99.8%，補種成功率〉75%，總播種成功率〉96.5%，鏈勺式排種器馬鈴薯播種機的漏播被有效抑制。

馬鈴薯播種機；鏈勺式排種器；干簧繼電器；紅外漏播檢測；窩眼輪式排種系統

王關平， 孫偉. 一種馬鈴薯漏播檢測及補償裝置的研制［J］. 農業現代化研究， 2016， 37（5）: 1008-1014.

Wang G P， Sun W. Development of a kind of potato loss sowing detection and compensation device［J］. Research of Agricultural Modernization， 2016， 37（5）: 1008-1014.

解決漏播問題的有效措施是增加播種監測與漏播補償裝置，檢測到取種勺上缺種，及時補種［6］。這一領域的研究始于精量播種。早在20世紀40年代起，歐美國家就率先開展了對玉米、大豆等歐美傳統大宗農作物精密播種機械的研制［7-9］，近年來，其在該領域的研究正在向智能化和特色化方向發展［10-11］。國內農機領域的工程技術人員在此領域也進行了卓有成效的探索，其中大多是對小麥等小粒種子播種過程進行監測和補償［12-13］，也有少量針對大籽粒作物位置無偏差補種系統的研究［14］，其漏播監測方案可資借鑒，但其補種方案很難直接應用于馬鈴薯漏播補償。

國內關于馬鈴薯漏播檢測與補種的相關研究近幾年才開展起來。國內的馬鈴薯播種以切塊薯種植為主，其取種機構、排種方式與小麥、玉米、大豆等有很大不同。事實上，由于馬鈴薯種子塊莖較大、播種間距較大，即使是單粒漏播，造成的影響也相當明顯，因此，每粒漏播都應被可靠識別并能及時補種，這就對漏播檢測與補償系統的可靠性提出了更高的要求。張曉東等［15］提出了由紅外光電傳感器、單片機、步進電機三部分組成的機電式馬鈴薯播種器自動補償系統，但其漏播檢測方案較原始，可靠性差，且由步進電機驅動盤式補種器補種的方案結構復雜、速度慢，實用性不佳。為此，劉全威等［16］提出了一種基于ATmegal6單片機的紅外漏播檢測系統和曲柄連桿打擊補種機構組成的馬鈴薯漏播補償方案，該系統集成度高、方案可行性較好，有較高的推廣應用價值，但整個方案的電路硬件、軟件設計還有較大的提升空間。因此，本文以正在大規模推廣應用的適應于全膜雙壟溝播技術的2CM-2型馬鈴薯播種機為母機，基于PIC16F877單片機，提出了一種由干簧繼電器觸發紅外漏播檢測和窩眼輪式排種系統進行漏播補償的新方案，并用搭建的系統進行臺架試驗驗證了其實用性和可靠性。

1　基于PIC16F877的馬鈴薯漏播檢測及補償裝置

1.1系統方案及工作原理簡述

馬鈴薯播種過程中是否發生了漏播必須首先被快速、可靠地檢測出來，以供系統決策，但取種勺是運動的，因此，要求能在一個固定點對經過的取種勺是否成功取種進行檢測，這里主要涉及3個問題：1）合理的漏播檢測方案；2）檢測點位的設置；3）漏播檢測的啟動時機。

經過深入比選和研究，本文認為采用紅外線發射、接收的檢測方案較為合適，因為紅外信號不易受到干擾，且發射與接收都較為容易，體積小、價格低廉；檢測點設置在正常切塊薯薯種箱上部顯然不太合理，這里雖然空間較大，但固著點缺乏，放置的檢測裝置容易受到觸碰而損壞，最重要的是此時薯種位于取種勺的勺碗之內，露出勺沿以上的部分相對不足，這對檢測速度和結果的可靠性會產生嚴重影響。事實證明，將檢測點設置在機身后部的導種槽兩側比較合理，此時，相應的薯種已經掉落至前一個取種勺背后的平板上，外露部分較大，易于探測，且導種槽后部空間很大，易于布置補種箱和其他補償機構；采用取種勺底座旁放置小型永磁鐵，在導種槽某一合適位置開槽放置干簧繼電器，每當取種勺到達干簧繼電器所在位置時，永磁鐵一并到達，此時啟動漏播檢測，這就解決了漏播檢測的時機選擇問題。因此，本系統的總體控制方案見圖1，其結構布局見圖2。

圖1　基于PIC16F877的馬鈴薯漏播檢測及補種系統總體方案Fig. 1　The overall scheme of potato loss sowing detection and the compensation system based on PIC16F877

由圖1、圖2所示，該馬鈴薯漏播檢測及補償系統主要包括漏播檢測啟動信號生成電路、紅外漏播檢測電路及窩眼輪式排種系統。其中，漏播檢測啟動信號生成電路由永磁鐵、干簧繼電器和漏播檢測啟動電平轉換電路構成；紅外漏播檢測電路由紅外發射、紅外接收及其返回單片機的信號構成（需借助于單片機軟件完成漏播判斷）；窩眼輪式排種系統由步進電機驅動器、步進電機和窩眼輪式排種器構成；而不同單元之間均以PIC16F877單片機為核心進行系統綜合和信號銜接。其更為詳細的工作原理還需同時結合圖3進行說明。

由圖3a可知，每一個取種勺的底板側面均放置一塊永磁鐵，永磁鐵隨同勺鏈一起運動，當永磁鐵經過干簧繼電器所在處時，干簧繼電器的常開觸點閉合，則漏播檢測啟動信號生成電路工作，PIC16F877因此而立即啟動紅外發射和紅外信號接收電路工作，并根據紅外信號的接收狀況判斷是否發生了漏播事件。如果漏播事件發生，單片機立即啟動步進電機驅動器，使步進電機帶動窩眼輪式排種器排出一粒馬鈴薯原原種以完成補種工作，同時，補種指示燈會亮0.3 s；播種過程中將自動記錄播種的總數目和發生漏播事件的次數，這些信息在LCD顯示中給出；系統控制電源由12 V鉛酸蓄電池輸出經降壓、穩壓后變為5 V提供，步進電機驅動器的電源則直接取自12 V鉛酸蓄電池。

圖2　基于2CM-2型馬鈴薯播種機的漏播檢測及補償系統結構示意圖Fig. 2　The structure diagram of loss sowing detection and the compensation system based on the 2CM-2 potato planter

圖3　漏播檢測啟動系統方案及其電路圖Fig. 3　Loss sowing detection starting system scheme and its circuit diagram

1.2系統關鍵環節電路設計

1.2.1漏播檢測啟動信號生成電路 “漏播檢測啟動信號生成電路”是為配合“紅外漏播檢測電路”的工作而設置的，其核心使命是使“紅外漏播檢測電路”只有在特定地點才能啟動，其安裝空間布局設計如圖3a。由于取種勺的運動速度較快，作業現場塵土飛揚，位置傳感器的工作環境惡劣，因此，本研究采用敏感度較高的磁探測原件——RD-07型干簧繼電器，以其為核心的漏播檢測啟動信號生成電路（圖3b）。在無磁場作用時，玻璃管中的兩個簧片是分開的，PIC16F877的引腳RB4上一直保持為高電平；每當取種勺底板側面的永磁鐵略過干簧繼電器RD-7玻璃管附近時，管內的兩個簧片被磁化而互相吸引接觸，使兩個引腳所接的電路連通，引腳RB4立刻被拉成低電平，此時，PIC16F877中設定的電平變化中斷被觸發，漏播檢測啟動；當永磁鐵離開后，兩個簧片由于本身的彈性而分開，引腳RB4又立即恢復為高電平，等待啟動下一次工作。1.2.2 紅外漏播檢測系統電路 由于檢測系統會受到附著在光電器件表面和彌漫在導種槽中塵土的影響，為此，必須選擇穿塵性好的發光元件和靈敏度高的感光元件；此外，由于需避免雜散日光的干擾，基于技術可行性和經濟可行性，本研究采用同平面1發2收的紅外原件空間布局檢測方案（圖4a）。紅外漏播檢測系統電路具體由以三極管T1和紅外發射二極管D1為核心的紅外線發射部分、以紅外接收管D2和D3為核心的紅外信號接收部分以及以三極管T2為核心的紅外接收電源VCC控制電路組成，其作用是在單片機PIC16F877協助下做出是否發生漏播事件的判斷，其電路圖見圖4b所示。在PIC16F877的控制下，其RC0端輸出43 kHz、占空比為50%的TTL方波，紅外發射二極管D1在該信號的控制下向外亦以43 kHz的頻率進行紅外線輻射；在單片機的輸出端RB3發出高電平時，紅外接收電源端VCC得電，紅外接收管D2和D3所在的電路工作啟動；在VCC得電條件下，每當紅外接收管D2或D3受到紅外信號輻射時，其對應電路分別送至單片機輸入口RB5或RB6的信號將由高電平迅速跳變為低電平，此時，系統軟件中對應的電平變化中斷被觸發，系統進入中斷處理，最后依據一定時間段內發生電平變化中斷次數的多少來做出是否發生漏播事件的判斷。

本方案的優勢主要體現在以下幾個方面：1）同平面1發2收的紅外原件空間布局使得可以在軟件中設定只有2個接收管同時接收到信號，系統才能判定為漏播，因而系統漏播判斷的成功率較高，發生誤判的概率低；2）本系統無論是紅外線的發射和接收，都是由一定條件觸發后才啟動的（攜帶磁鐵的取種勺到達了干簧繼電器M所在處），而且非常迅速，這有助于杜絕系統在非工作時段受到外界雜散信號的干擾；3）紅外發射二極管D1工作啟動后，PIC16F877便在100 μs后立即查看RB5、RB6引腳上的電平變化次數，如果2個引腳中的低電平均出現2次或以上，則證明沒有薯種存在，即發生了漏播，即使是其中之一的低電平數少于2，則對該引腳再啟動一次100 μs的電平狀態變化計數操作，如果結論還是如此，則證明沒有漏播事件發生，故每一次的漏播檢測最多不超過200 μs，即使鏈條的運行速度達到最快的0.9 m/s，薯種的行程也不超過0.18 mm，即漏播檢測的時間開銷和行程開銷都非常小，因此，系統漏播判斷的準確性和可靠性都較高；4）系統的漏播判斷是在單片機內依靠特定的軟件程序完成的，適當改寫相關程序，即可執行新的判斷方案，故系統升級靈活方便。

圖4　紅外漏播檢測系統的空間布置和電路圖Fig. 4　The space layout and circuit diagram of infrared loss sowing detect system

1.2.3步進電機驅動控制接口電路 補種裝置需要在漏播檢測部分判定確有漏播事件發生時啟動，將待補薯種及時排入導種槽中以完成補種操作。由于切塊薯流動性較差，故選用分級后的原原種作為待補薯種。本研究采用窩眼輪式排種器導種槽外側直排待補薯種的方案，因而，補償薯種的排種直接、運動行程短，故使用步進電機驅動依然能夠保證補種的快速性，其驅動控制電路見圖5。

窩眼輪式排種器的質量是1 kg，其直徑是100 mm；沿其槽輪頂端切線方向的最大靜摩擦力為5 N，所以窩眼槽輪的最大扭矩（T，N·m）為：

圖5　步進電機驅動控制電路Fig. 5　Step motor drive control circuit

式中：J為窩眼輪式排種盤的轉動慣量，r為其半徑，m為其質量，F為該盤頂端切線方向的最大靜摩擦力，ω·為窩眼槽輪從靜止狀態加速到300 RPM的平均角加速度。選用BYG250H型步進電機，步距角為1.8°，能夠滿足轉角精度的要求；保持轉矩為1.4 N·m（〉1.035 N·m）、轉動慣量為670 g·cm2（窩眼輪式排種盤的轉動慣量 J=m·r2/2=1.0×0.052/2=1.25 g/cm2），能夠滿足立即停止的要求；與BYG250H型步進電機配合使用的是DM422型步進電機驅動器，采用共陽極接法，單片機RB0輸出低電平（高電平）時允許（禁止）驅動器工作，RB1輸出低電平（高電平）時步進電機正轉（反轉），RB2輸出脈沖時步進電機轉動，且調節該脈沖的頻率可以調節步進電機的轉速。

2　系統軟件設計

系統軟件主要由系統主程序和漏播判斷補償中斷子程序構成。系統主程序主要負責系統初始化、播種及補種數據顯示、補種提示、排種器傳動測試以及其它人機應答等工作（圖6）；而漏播判斷補償中斷子程序只有在漏播檢測啟動信號生成時才能進入執行，實時性要求高，要完成紅外線發射、紅外接收電源端VCC控制、根據RB5及RB6兩引腳上的電平變化特征判定漏播事件發生與否以及據此完成步進電機驅動補種等操作（圖7），是系統核心功能所在。

3　系統試驗與結果分析

圖6　系統主程序結構圖Fig. 6　System main program structure diagram

圖7　漏播判斷補償中斷子程序結構圖Fig. 7　Loss sowing judgment and compensation interrupt subroutine structure diagram

基于圖1所述的方案搭建漏播檢測及補種控制電路系統，DM422型步進電機驅動器外置，在甘肅農業大學農業工程實訓中心自制的2CM-2型勺鏈式馬鈴薯排種試驗臺上加裝待補原原薯種箱、窩眼輪式排種器、臨時托架及置于其上的步進電機進行了臺架試驗（圖8），以測試勺鏈在不同作業速度下漏播檢測與自動補薯系統的性能。勺鏈與種床帶由電機驅動且通過變頻器調節其速度，主排種系統采用切塊薯，自動補種系統采用直徑20-25 mm的原原薯，為了使試驗數據具有代表性和實用性，主要在升運鏈速度為0.3、0.6及0.9 m/s，即慢、中、快三個典型值下進行試驗，獲取正常播種數n、漏播數q及補播數m的數據，以原始播種率（R0）、補播成功率（R1）和總播種成功率（R2）來檢驗本漏播檢測系統的可靠性和播種速度對補償系統補種成功率的影響，其計算方法為：

圖8　2CM-2型馬鈴薯播種機臺架漏播檢測及補種模擬試驗Fig. 8　Loss sowing detection and the compensation test based on 2CM-2 potato planter test-bed

不加漏播補種裝置的情況下，較低作業速度時（升運鏈運動速度≤0.3 m/s），原始播種率約為92.0%，較高作業速度時，如升運鏈速度為0.9 m/s，則正常播種率降為約86%（表1），這證明隨著作業速度的加快，漏播率將顯著增加；而安裝漏播補償裝置之后，在正常升運鏈速度區間，補播成功率在75%-85%之間，總播種成功率在96.5%-98.5%之間，漏播被顯著補償，總播種成功率顯著提升。

然而，試驗也發現系統在高速作業情況下補種成功率偏低，主要原因是隨著鏈條運轉速度的加快，在相鄰兩個取種勺距離不變的條件下，留給系統的反應時間將會越來越短，而漏播檢測與窩眼輪式排種系統存在最小時間消耗，低于這個時間開銷會造成補種失敗，漏播檢測所需的時間幾乎可以忽略，因而，減小步進電機驅動的窩眼輪式排種器運動時間是提高系統在高速作業情況下補種成功率的關鍵所在，例如，可以選擇高速步進電機以減小該部分的時間消耗；窩眼槽輪時有堵塞事件發生，待補原原種的入口是最容易發生堵塞之處，該處的堵塞判斷和排堵是研究過程中出現的新問題，可以通過優化結構設計、外加振動等措施改進。

表1　不同升運鏈速度下的試驗數據Table 1　Test data of different speed of ascending chain

4　結論

本文以與全膜雙壟溝播技術配套的2CM-2型鏈勺式排種器馬鈴薯播種機漏播現象為切入點，深入研究了漏播判定的實現方案、裝置位置的布設、漏播檢測的啟動時機選擇及補種執行方案等問題，并在此基礎上搭建系統硬件進行了臺架試驗。結果表明，由漏播檢測啟動信號生成電路和紅外漏播檢測電路構成的漏播檢測系統的準確率〉99.8%，由步進電機驅動的窩眼輪式排種器結構簡單、補種行程短、動作迅速，補種成功率〉75%，總播種成功率〉96.5%，具有進一步改進推廣的潛在價值。

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（責任編輯：童成立）

Development of a kind of potato loss sowing detection and compensation device

For the problems of loss sowing in the operation of the potato planter with the chain-scoop metering device，based on microchip unit PIC16F877， a new scheme which is composed of loss sowing detection start signal generation circuit， infrared loss sowing detection circuit and socket-roller seed metering system is put forward. Loss sowing detection start signal generation circuit mainly consisted of the permanent magnets and a reed relay circuit， when every permanent magnet which is fixed to the plate of the seed spoon skips over the reed relay， the loss sowing detection will be trigged basing on the infrared signal emission and receiving， the system can make the judgment whether loss sowing occurs based on the number of level changes in particular pins of PIC16F877 during a certain period； in the case of loss sowing， a reseeding directive from PIC16F877 will be issued immediately， the socket-roller seed metering device will rotate 90° rapidly driven by the step motor， as a result， a potato seed will be released into the slipping groove， and the loss sowing compensation is realized. The experimental results show that the system performance is reliable， the accuracy of loss sowing detection is not less than 99.8%， the success of loss sowing compensation is greater than 75% and the total seeding success is above 96.5%， loss sowing of the potato planter with the chain-scoop metering device is suppressed significantly.

the potato planter； chain-scoop metering device； reed relay； infrared loss sowing detection； socket-roller seed metering system

the Fundamental Research Funds for the Colleges and Universities of Gansu Province （2013）； Sheng-Tong-Sheng Science and Technology Innovation Fund （GSAU-STS-1337）.

SUN Wei， E-mail: sunw@gsau.edu.cn.

16 February， 2016；Accepted 31 May， 2016

S223.2

A

1000-0275（2016）05-1008-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0059

甘肅省高等學校基本科研業務費資助項目（2013）；盛彤笙科技創新基金（GSAU-STS-1337）。

王關平（1975-），男，寧夏彭陽人，副教授，主要從事農業電氣自動化研究，E-mail: wangguanping@gsau.edu.cn；通訊作者：孫偉（1980-），男，甘肅高臺人，副教授，主要從事現代旱作農機裝備技術研究，E-mail: sunw@gsau.edu.cn。

2016-02-16，接受日期：2016-05-31

WANG Guan-ping， SUN Wei

（College of Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou， Gansu 730070， China）

隨著我國馬鈴薯種植規模的不斷擴大，馬鈴薯種植的機械化程度不斷提高，但我國大部分地區采用切塊薯種植，由于薯塊形狀、大小不一，且薯塊與取種勺的尺寸配合未必適當，因此種勺取種時容易因為漏取而造成漏播，這將導致不應有的減產［1-3］。針對這種情況，可以采用人工補種，該方式不但勞動強度大，而且效率低下，補種的成功率和可靠性都很低，此外，增加的用工成本和生產成本也非常可觀；也可通過改進馬鈴薯播種機的結構等措施來減少漏播率，但這些改進使得系統復雜化，雖然漏播率有所降低，但與期望的≤1%的目標依然有不小的差距［4-5］。