可變量智能播種裝置設計

侯攀登 韓沖沖

摘 要 介紹了一種用于玉米種子精密播種的智能播種裝置的設計與研發，該裝置的特點是采用電機驅動排種，可以按照農藝要求任意調整株距。電機的轉速獲取是在測速輪前進的速度基礎上實現的，通過測速輪獲取的速度信號，傳遞給單片機進行處理，經過公式分析，最終得到目標電機轉速。試驗采用的排種器為指夾式排種器，排種效果好，排種均勻，能夠為單粒精播提供可靠保障。

關鍵詞 智能；可變量；播種裝置

中圖分類號：S435.11 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.14.090

1 研制背景及意義

播種是農業生產中的重要環節，提高播種機的工作性能、工作質量和工作效率已成為人們在播種過程中的追求目標。現有播種機排種一般都是采用齒輪、鏈輪等機械傳動，依靠地輪驅動排種器排種，改變播種株距需要通過改變傳動比來實現[1]。改變傳動比需更換鏈輪、齒輪，不能在作業中改變株距，而作業過程中拖拉機速度波動和地輪打滑會造成株距變化，從而會影響播種的均勻性。為此，針對目前農村播種出現的問題，研制出可變量智能播種裝置。

該可變量智能播種裝置以單片機為主控芯片，采用步進電機驅動排種軸轉動，實現播種人員快速調整播種株距和播種株距的連續調節[2]。該裝置使用步進電機實現種子排種，可以提高播種株距的精確性，減小地輪打滑對株距變動的影響，實現作業過程技術參數的實時顯示，系統工作可靠性強。

2 可變量智能播種裝置的結構及組成

可變量智能播種裝置主要由指夾式排種器步進電機、行走輪（測速輪）、機架幾部分組成。步進電機用來為排種器轉動提供動力。測速輪用來測速，同時還起到支撐和壓實作用[3]。此外，測速輪被安裝在播種機單體的后方，其主要起到承重作用，因為地況良好，所以測速輪打滑率較低。

3 可變量智能播種裝置的總體設計方案

3.1 控制系統硬件的總體設計方案

控制系統的硬件設計主要進行信息采集部分、排種驅動部分兩大模塊的設計。硬件部分完成的工作主要是信息收集、信息處理、信息傳遞和輸出控制等。

3.1.1 信息采集部分

在設計中，測速模塊安裝在測速輪上面，主要采集排種器的前進速度，將采集的信息發送至單片機主控芯片進行處理[4]。單片機內部主要進行預設株距，構建前進速度、播種株距和排種器轉速3者之間的數學模型，通過計算分析出要發給步進電機的脈沖數。

3.1.2 步進電機驅動排種部分

在設計中，對傳統排種器驅動方式進行了改進，將地輪驅動方式改變為步進電機驅動方式，該驅動方式有效避免地輪打滑的干擾，提高了排種器的排種效果。傳感器將排種器前進的速度信號傳輸到單片機中。單片機根據排種器的前進速度和預設株距，通過數學模型計算，將信號脈沖發送給步進電機驅動排種器，最終實現精確排種。

3.2 控制系統軟件的總體設計方案

軟件部分的設計是整個控制系統設計中的核心部分，對于提升系統的準確性、穩定性、抗干擾性具有重要的意義。

本項目以C語言作為編程工具，采用模塊化編程方法，將所需功能按照實際需要拆解成若干個小模塊，分別對每一個模塊進行獨立編程，然后分別進行調試，最后在綜合在一起成為完整的軟件系統，測試最終的控制效果。對應需要完成的工作，軟件部分的程序設計包括主程序、信息采集子程序、電機驅動子程序等的設計。

4 硬件的選擇與設計

4.1 單片機系統的選取與設計

單片微型計算機簡稱單片機，是指在一塊芯片上繼承了中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM或EPROM、定時器/計數器、中斷控制器及串行和并行I/O接口等部件。其確切的稱謂是微控制器，單片機只是其習慣稱謂，在實際應用中最為廣泛。概括來講，一塊芯片就成了一臺計算機。

4.2 速度檢測模塊的選擇與設計

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種檢測磁場的傳感器。用于工業上檢測技術和信息處理技術等，在農業上也有廣泛應用。霍爾傳感器具有精度高、電氣隔離性好、寬帶寬和測量范圍廣泛等優點。傳感器特設M3固定安裝孔，調節方向與固定方便易用，使用寬電壓LM393比較器，通過對霍爾元件傳過來的值和電位器值進行比較，可以直接輸出高低電平，信號干凈，波形好，驅動能力強。當電流超過15 mA時，配可調精密電位器調節靈敏度，如果電位器順時針旋轉，靈敏度越高，反之越低。

驅動器采用28 mm二相步進電機，型號為SS1102A10A，采用永磁硅鋼片及日本NSK原裝軸承制造，電機長度51 mm，靜力矩150 mNm，重量0.2 kg，電流1A，定位精度高，輸出力矩高，響應頻率高，運行噪音低，動態特性好。步進電機：J-5718HB6401-J，機高113 mm，2相4線，3.6 N.m，4.0 A，性能好、溫升低、噪音小。配驅動器DM542128細分4.2 A，廣泛應用于自動化設備行業。

5 可變量智能播種裝置的主程序設計

可變量智能播種裝置的主程序設計包括以下幾個步驟。1）對AT89C2051單片機以及各控制芯片進行初始化，保證控制系統做好工作準備；2）調用信息采集及數據處理、運算子程序，依據霍爾傳感器和激光傳感器發送回來的信號，通過分析、計算，判斷有無故障發生和得出步進電機轉速；3）調用電機驅動子程序，根據前進速度的變化，將單片機計算好的脈沖數實時發送至步進電機驅動器，驅動步進電機轉動。

6 結語

本文設計的可變量智能播種裝置具有以下優勢：1）采用步進電機驅動排種器排種的驅動系統，有效解決了地輪打滑影響播種株距的問題，提高了精密播種機播種株距的準確性；2）通過單片機依據拖拉機前輪速度控制步進電機轉動來調節播種株距，實現了播種株距的無級調節，避免了停機手動調節，提高了播種機的工作效率，播種均勻性也明顯提高；3）經過對該控制系統的試驗測試可以看出，在播種過程中，系統能夠依據機組速度調節播種株距，不僅提高了精密播種機的工作質量和勞動生產率，而且還降低了勞動強度。

參考文獻：

[1] 黃河，曾欣.基于單片機的玉米智能播種機設計和研究[J].農機化研究，2018（5）：201-204.

[2] 孟鵬祥.玉米精密播種機智能監控系統的研究[D].淄博：山東理工大學，2016.

[3] 彭強吉，孫宜田，薦世春，等.智能玉米精密播種施肥機的研制[J].中國農機化學報，2016（3）：15-19.

[4] 蔣春燕.玉米精密播種機智能控制系統的研究[D].淄博：山東理工大學，2015.

（責任編輯：劉昀）