基于反射式光電感應的精量播種機漏播監測系統研究

劉翔宇 叢錦玲 坎雜 紀超

摘要：排種器是播種機的核心部件，其性能穩定性直接影響播種作業質量。實際工作過程中，由于排種器通常處于密閉狀態，無法通過人工直接觀測其作業質量，若發生斷條漏播等問題將嚴重影響作物產量。針對中、小粒徑作物開發了一種基于反射光電感應的精量播種機漏播監測系統，該系統采用FS-V11漫反射式光放大器獲取排種脈沖信號，準確度高、抗擾動能力強。設計了基于單片機MSP430F149的信號處理電路，并以落種時長為基準，規劃了種粒監測軟件流程，實現系統軟件硬件集成。以小麥精量排種器為例，進行漏播監測試驗，結果表明，當排種器轉速為 30 r/min 時，監測精度為95.5%；當排種器轉速在30～45 r/min之間隨機變速時，監測精度為93.5%。

關鍵詞：反射式光電感應；小麥；漏播監測系統；排種器

中圖分類號： S223.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0164-03[HS）][HT9.SS]

精量排種器是播種機的核心部件，排種器出現的漏播現象嚴重影響了播種作業的質量。在精量播種技術的發展過程中，排種器漏播性能監測是重要的研究方向之一[1]。國外對播種漏播監測系統的研究進展較快，美國約翰迪爾公司生產的Maxemerge Planters系列精量播種機已投入生產使用，其技術先進、功能齊全、運行穩定、監測精度較高[2]。國內對精量排種器漏播監測系統的研究則較為緩慢，20世紀90年代隨著51單片機的普及，精量排種器漏播監測系統方面的研究才開始出現[3]。在漏播監測的識別中，主要識別對象為玉米[4-5]、馬鈴薯[6]等中、大粒徑作物種子，針對中、小粒徑種子和田間作業拖拉機變速情況下的漏播監測研究較少。

目前，漏播監測系統使用的監測方法主要有光電感應法和機器視覺法[8-9]。機器視覺法的監測精度高，但結構復雜，不適應復雜的田間工作環境；光電感應安裝簡單，穩定性較好，應用較為普及。本研究設計了一種基于反射式光電感應的漏播監測系統，針對中、小粒徑作物播種，解決田間惡劣的工作環境造成的不規則振動、變速時信號拾取誤差等問題。硬件系統設計包括實播信號采集電路、信號濾波處理電路、報警電路、顯示電路；軟件系統設計包括排種器信息采集中斷子程序、報警顯示子程序及漏播識別算法。

1監測原理

應用反射式光電感應技術對種子掉落進行監測和標準排種脈沖的拾取；應用單片機進行信號讀取以及采集，并對信號進行分析處理。

監測部分設計分為2點：（1）傳感器的選型，選擇基恩士FS-V11漫反射式光放大器；（2）監測接口設計，如圖1所示，采用柔性軟彎管，使種子下落過程中沿管壁滑落，滑落過程中種子通過監測接口的速度及位置變化較小，可提高監測的準確度。

對應排種盤的型孔位置，在排種盤傳動鏈輪均布反光測試點，當排種盤傳動鏈輪轉動時，激光束獲取反光點信號，由單片機內部定時器對2粒種子的投落時間進行精確識別。

2監測系統

根據精量排種器的工作原理對漏播監測系統進行設計，如圖2所示，監測系統主要由排種器信息采集部分、信息處理部分、顯示報警部分組成。應用反射式光纖傳感器獲取實際播種序列脈沖和標準排種脈沖，引入濾波處理電路對信號進行濾波以及信號放大，配合單片機內部時鐘計算出標準排種脈沖信號間隔；運用MSP430F149單片機進行數據處理及分析，應用1602液晶顯示器顯示播種合格率；電源由拖拉機車載蓄電池轉換成12 V直流電提供。

2.1落種信號拾取

在落種信號的拾取過程中，設計了一種單側安裝調試傳感[CM（25]器的監測接口監測范圍和盲區，如圖3所示。單片機選擇[CM）]

下沿中斷的觸發方式，在無種子通過時，監測傳感器輸出高電平；當有種子通過時，光敏三極管導通，輸出低電平；經過運算放大器進行信號放大，輸出單片機可以識別的電壓值信號輸出到單片機P1.1引腳進行信號讀取。

2.2排種盤轉速獲取

霍爾傳感器在監測標準投種脈沖間隔的過程中存在以下問題：電機運行的過程中造成的噪聲干擾，無法準確識別；小麥精量播種中，粒距在7～10 cm之間[13]，排種盤型孔間隔為9°，2個磁鐵在排列如此密集的情況下，磁場會互相影響，無法準確識別。因而在系統設計過程中，采用排種器傳動鏈輪貼合反光點與排種盤型孔一一對應的方式，通過監測2個反光點間的間隔來獲取落種的標準排種脈沖。光電傳感器所輸出的脈沖信號經過一個運算放大器對信號進行放大處理，轉換單片機可以讀取的電壓值，輸入到單片機的P3.1引腳進行信號采集，由單片機的內部時鐘進行計時，由公式計算出當前排種盤的轉速。

2.3顯示報警

針對小麥的精量播種性能監測，本系統以漏播指數為核心參考數據，對漏播進行實時監測及報警。通過單片機P4.1引腳對LED燈和蜂鳴器進行控制。漏播指數過高時，P4.1引腳輸出高電平，紅色LED燈發光，三極管Q1導通，蜂鳴器發出報警信號。

3監測軟件流程設計

監測軟件流程設計如圖4所示。播種機工作開始時，排種器需要經過轉動數周后才會進入正常工作狀態。若把此部分數據計入統計數據中，會導致監測的漏播率偏高，出現誤報警的情況。設計算法中做出相應調整：以光電開關第1次得到信號后進行周期計數，落種時間由種子通過光電開關時獲取標準投種脈沖進行記錄。[FL）]

對落種進描過程中的時間間隔進行判別：設計落種的時間間隔超過1.5t0時，識別為漏播數k+1；設計落種的時間間隔超過3t0時，識別為漏播數k+2；以此類推，當超過 4.5t0 時，程序終止并發出報警反饋。

4對比試驗

4.1試驗材料

以氣吸式小麥精量排種器為監測對象，種子為新疆適播的新冬8號小麥種子。試驗地點為石河子大學排種器性能監測實驗室，利用JPS-12排種器計算機視覺監測試驗臺開展監測對比試驗，監測系統試驗臺如圖5所示。

4.2排種器試驗臺對比試驗

試驗過程中，對監測系統在變速條件下的監測精度進行測量，以獲取影響排種器工作狀態的因素。

JPS-12機器視覺技術排種器性能試驗臺可實現種子粒距、合格指數、重播指數、漏播指數、變異系數等參數監測。試驗以JPS-12排種器試驗臺所提供的指標為基準與本研究的監測系統的監測數據進行對比，以排種器轉速為單因素考核漏播性能。以排種器轉速為30～45 r/min、轉速增量為 5 r/min 進行漏播精確度測試，結果如表1所示。

以排種器轉速為30～45 r/min隨機變速進行漏播精確度測試，結果如表2所示。

對漏播值和實際漏播值的單因素線性回歸分析，由表3可知，相關系數r為0.987；擬合優度r2為0.974，調整后擬合優度r2為0.972，標準估計誤差為1.77。由表4可知，F值為663.284，P值為0.000，說明得到的回歸模型有統計學意義。由表5可知，常量為10.232，實際值系數為0.839，t為 3.083，P=0.000，可得到一元線性回歸方程為y=0.839x+10.232，回歸曲線與擬合三點圖如圖6所示。綜上所述，監測數據具備實際的統計意義，本研究設計的監測系統的監測值可以由實際的漏播值反映出來，兩者的線性擬合度良好。

5結論

基于播種機在田間的實際工作情況，設計了一種基于光電感應的氣力式小麥精量排種器漏播監測系統，通過光電感應對標準投種脈沖和實際投種脈沖進行識別。結果證明，本研究設計的監測系統可實現精播監測及顯示功能、濾波處理及漏播分析功能、故障報警功能等，利用反射式光電感應，優化了標準脈沖，提高了變速運行中的監測精度，在排種器轉速為30～45 r/min隨機變速的情況下監測精度為93.5%；在勻

測、實時反饋、實時提醒，保證工作效率和作業質量。

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