膜上精量播種機光纖實時監測裝置的設計

張定良，于永良，臧象臣，王堆金，盧玉剛，謝小強，饒志強，阿布都熱合曼·艾買爾

（新疆天誠農機具制造有限公司，新疆 庫爾勒 841005）

0 引言

棉花、玉米是新疆主要農作物。而播種作業是棉花、玉米生產中最基本、最重要的一環，在農業機械迅速發展的今天，新疆棉花、玉米的機械化精量播種技術的發展已成熟并大面積推廣。機械式精量播種機和其它播種機結構相似，工作過程全封閉，無法觀察其工作狀況。由于田間的工作環境比較惡劣，會出現種箱排空、導種管堵塞等故障，如果無法及時發現故障并解決，會造成大面積漏播，影響經濟效益，造成糧食減產等[1]。目前新疆市場上主要推廣使用的配有型孔式精量穴播器的機械精量播種機，但這機械式精量播種機械實現不了對其下種性能的實時監測，當型孔式精量穴播器工作過程中出現種子大小不一、型孔堵塞、拐臂、扭簧斷裂、棘爪不回位，甚至種管堵塞、種箱排空的情況，均會出現機械精量穴播器不能正常下種，由于不能直觀顯示穴播器下種的情況，不能及時發現問題并進行解決，就會產生大面積空穴、多籽、斷條、斷壟現象，而解決此現象的辦法一是花費大量人工時時挖種查種，二是后期出苗后花費人工補種、定苗，費工、費時、增加成本，嚴重影響了棉花、玉米產量。因此研究開發一種具有實時監測精量穴播器下種性能的播種機是必要的，它可以節約勞動力、提高正產效率、增產增效，對推動新疆棉花、玉米精量播種技術自動化有著重要意義。

1 系統組成方案

針對目前天誠農機設計制造的夾持式精量播種機[2]使用情況，設計開發一種新型的穴播器以及安裝在該穴播器上的實時監測裝置,該穴播器能實現對棉花種子玉米種子的精量穴播，并且保證穴播器下種的空穴率、一籽率、多籽率等指標均符合國家質量技術監督局的要求，該穴播器還具有穴播株距可調、穴播鴨子嘴可更換、下種精度與種子大小、種子形狀沒影響的特點（圖1、圖2）。實時監測裝置采用Cortex-M3內核處理器，能完成對點型探測器測量的數據進行匯總與分析，并將分析到的異常信號傳遞給顯示屏和語音輸出、喇叭輸出信號，再由語音輸出喇叭發出警報，顯示屏顯示穴播器存在的故障。

圖1 夾持式精量穴播器定盤

圖2 夾持式精量穴播器內部結構

穴播器檢測點型探測器，采用光纖植入線對射原理。解決了傳統光電檢測以點為中心，檢測面窄的問題，并將模擬量轉換為數字量通過總線將數據匯總到Cortex-M3內核處理器進行分析。并增加霍爾傳感器對穴位進行檢測，使測量數據有了參考對象，數據分析準確性有了判斷的依據。

穴播器檢測點型探測器采用總線形式與Cortex-M3內核處理器進行數據通訊。穴播器檢測點型探測器擁有獨立的ID號，可以單個或多個與Cortex-M3內核處理器進行通訊，數據互不串擾。

穴播器檢測點型探測器與Cortex-M3內核處理器組成一套集采集、統計、高分辨率觸摸顯示、聲光報警于一體的檢測系統。檢測系統可以將測試數據導出，也可生成相關柱狀圖或餅圖等數據格式，使數據分析統計更加簡單、便捷、直觀，工作原理如圖3。穴播器光纖植入感應的新型傳感器，該傳感器具有體積小、精度高、防震、防塵的特點，便于安裝在夾持式精量穴播器上并且能適應該穴播器在田間土壤中作業時伴隨的劇烈抖動和大量灰塵的惡劣條件。

圖3 檢測系統工作原理

2 實時監測裝置的設計

2.1 光纖介紹

光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發射裝置使用發光二極管（lightemittingdiode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。

2.2 霍爾傳感器介紹

霍爾原理：當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產生電位差，這種現象就稱為霍爾效應。霍爾開關就屬于有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可方便的把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，同時又具備工業場合實際應用易操作和可靠性的要求。

霍爾開關的輸入端是以磁感應強度B來表征的，當B值達到一定的程度（如 B1）時，霍爾開關內部的觸發器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態也隨之翻轉輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開關類似有 NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型(雙極性)、雙信號輸出之分。霍爾開關具有無觸點、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，內部采用環氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環境下可靠的工作。

2.3 精量穴數計數原理[6]

傳統技術缺陷：（1）調試繁瑣。不同農作物及株距的監測靈敏度設置按下種子或者肥料監測行數的設置按鈕不要松開。當種子或者肥料指示燈快速閃動時，松開按鈕，每按下一次按鈕就會增加 0.5 s的靈敏度時間。主機監測的靈敏度時間可以是0.5～10 s不等的時間段，以適應不同農作物及株距。（2）顯示方式過于呆板。數碼管顯示、顯示信息不夠直觀，數據不便于統計；相關數據抓取不方便，耗費人力。（3）計數沒有統一標準。計數以時間為單位，對播種機手要求高。

比對計數原理：采用一個標準計數與一個未知計數之間的差值來判斷計數的準確性。在穴播器芯盤的每個射出口前安裝一個磁性元件，在穴播器的定子上安裝一個霍爾傳感器，穴播器在高速運轉時做為標準計數。在穴播器種子加速射出方向前安裝一路光纖，當種子從光纖之間經過時產生計數信號判斷種子是否射出，并抓出相關數據。當檢測到一個標準信號后下一個標準信號到來之前應有一次種子射出計數的相關記錄，如果沒有則說明射空。利用這個原理可以準確的計算出穴播器射擊成功率。

數據導出：數據導出便于統計與管理導出的數據以天為單位或以小時為單位，可以打印播種機開始播種到播種結束的相關數據。

觸摸彩屏顯示：觸摸輸入可以根據生產需要設置報警極限、采集路數等。顯示屏可以顯示駕駛室內溫濕度、播種人、每路統計數據等相關信息，可以設置報警極限，聲光提示播種手進行相應的處理。

3 結合夾持式穴播器實施方案

（1）光纖安裝位置，如圖4所示。

圖4 光纖安裝位置

（2）霍爾傳感器安裝位置，如圖5所示。

圖5 霍爾傳感器安裝位置

（3）除塵導管安裝，如圖6所示。

圖6 除塵導管安裝位置

4 探測器數據處理模塊

（1）采用高速處理器。點播穴播器探測器采用高速處理器來計數，將數據在本地存儲并使其掉電數據不遺失，保證統計數據的準確性與時效性。

（2）點型穴播器探測器通訊。采用兩線制M_BUS通信連接連接更方便，連接不分正負極。安裝方式簡單易懂，非專業人員參照安裝說明既可現場操作使用。

（3）數據顯示與處理系統。采用高清彩屏顯示，顯示登陸界面、播種機手信息各個通道采集數據與報警狀況。

（4）整個監測控制流程圖如圖7。

圖7 監測控制流程

5 安裝使用與維護

安裝：（1）將各個穴播器點型探測器安裝到位，將其連接電纜連接到主機，航空插頭連接固定。（2）確認連接無誤后，接通電源開關，電源指示燈亮起。系統自檢開始。自檢測試完成后可投入使用。

維護：產品使用1個周期（每天結束時）檢測電纜是否松動。

6 試驗及數據分析

選取3 000粒種子玉峰9號作為試驗用種，種子外觀大、圓，粒飽滿狀。按每600粒種子為1組，做5組試驗，監測結果如表1所示。

表1 排種量監測結果

取2 500粒種子KX3564號作為試驗用種，種子外觀扁長瘦小。按每500粒種子為1組，做5組試驗，監測結果如表2所示。

表2 排種量監測結果

7 結果分析及存在問題

監測系統采用光纖植入感應的新型傳感器，該傳感器具有體積小、精度高、防震、防塵的特點，方便安裝在新式夾持式精量穴播器上并且能適應該穴播器在田間土壤中作業時伴隨的劇烈抖動和大量灰塵的惡劣條件。針對田間工作噪音較大的情況，加裝了聲光報警器，便于及時發現故障。試驗表明：該監測系統在監測形狀較大、圓度飽滿的大種子時性能穩定、報警及時準確，誤報率為0.1%左右，對排種量監測平均精度達98.56%，有效提高了播種監測效率和播種質量。但對于外觀扁平瘦的小種子監測性能不太穩定，誤報率為0.3%左右，排種精度平均96.35%。

通過初步臺架試驗，由于實時監測裝置的傳感器通過連接信號線給控制器輸送信號，因此安裝在穴播器外定盤的光纖傳感器應固定在外定盤某一位置，應解決如何防止外定盤倒轉時發生信號線纏繞扯斷的問題。光纖檢測傳感器靠阻斷信號來檢測下種情況，如何防止灰塵、包衣劑掩蓋光電檢測傳感器檢測信號，也是急需重點試驗解決的問題。