基于嵌入式單片機的仿形玉米播種機設計研究

段永彬，張文灼，徐雙杰，高清海

(1.河北工業職業技術學院， 石家莊 050093；2.石家莊舜農農業機械有限公司，石家莊 050221；3.河北省農業機械化研究所，石家莊 050051)

0 引言

近年來，國內與中小馬力輪式拖拉機配套的玉米播種機大多采用免耕精量播種機，中耕作物如玉米、大豆、高粱等多用精量播種機播種，即定株距播種。精量播種既可以節省大量種子，又可以省略田間間苗環節，節省勞力，且此播種方式還可使幼苗分布均勻，達到苗齊、苗壯、苗勻，有利于增產穩產。目前，玉米免耕精量播種機的核心工作部件為排種器，市場上常見的精量播種機大多采用垂直轉勺式機械排種器[1]，每一個排種器均設有一個變速裝置，播種過程中通過改變齒輪及傳動鏈條傳動比變更籽粒的株(穴)距，從而達到農藝所要求的株(穴)距。此機械傳動方式結構復雜且工作不穩定，也有采用機械式無極調速器實現調整株距的。鞏丙才等曾對無極調速做了詳細的分析[2]，采用多組曲柄連桿機構，通過改變曲柄的半徑來實現調速，但結構復雜、有脈動。為此，針對現有各類型機械機構排種器的不足，設計了一種通過嵌入式單片機控制的智能玉米播種機。田間試驗表明，播種株距均勻度優于傳統機械式播種機，施肥精度更是遠遠高于傳統方式。

1 電控智能玉米播種機研制技術方案

1.1 總體設計思路

嵌入式單片機在玉米播種機上的應用也有少量研究[3-4]，但還沒有成熟的應用。本設計采用單片機控制驅動電機，由驅動電機帶動排種器運轉，其控制原理為：嵌入式單片機通過采集地輪反饋的作業速度，實時控制輸出到電機上的電流，使電機輸出軸的轉速隨著作業速度的高低而變化，進而控制排種器排種軸轉速的快慢，實現種子落地株(穴)距的恒定。在人機對話上更加人性化，株距的調整采用數字化設置，代替了傳統機械有級變速的結構。同時，系統設計有故障的報警裝置。一旦發生故障，報警裝置會及時報警，機手就可以及時停車檢修，避免長距離地塊缺苗斷壟現象的發生，使得機手在作業過程中省心省力。這種結構由于采用電機直接帶動排種器，省去了變速箱、萬向傳動軸及鏈輪鏈條傳動費用，在經濟上也是可行的。

在試驗中，勺式排種器及傳統的氣吸排種器由于運行阻力大，導致株距不均勻且消耗動力大，而頂柱式指夾式排種器的設計就是基于對以上問題的解決[5-6]。本文介紹的指夾式排種器為頂柱式指夾排種器，一周由18個指夾組成。在排種轉動過程中，由于指夾與種子之間、指夾與導軌之間接觸面較小，摩擦阻力很小，所以要求排種軸轉動力矩較小。指夾式排種器的排種性能參數對機組作業速度高低不敏感，機組作業速度可以達到8～10km/h，甚至更高，播種性能依然良好穩定，所以該頂柱式指夾式排種器適宜電機帶動和控制。

1.2 機械部分主要部分結構設計

1.2.1 浮動(仿形)式播種單體結構設計

浮動(仿形)式播種單體既包括土壤工作部件，又包括排種器[7]，且要求浮動(仿形)式播種單體在工作的過程中隨地面的形狀而起伏，保證種子播種深度，這是播種機的核心工作部件。其設計的成功與否，直接關系到播種機設計的成敗。經過反復試驗，仿形播種單體結構如圖1所示。

1．仿行支臂 2.調節彈簧 3.播種開溝器 4.電機驅動播種器總成 5.種箱 6.鎮壓輪總成

1.2.2 排種器傳動電機

對于播種株距的調節，美國凱斯公司的變量播種機采用液壓馬達驅動的調速機構，結構復雜，不適合國內小機型播種機[3]。為此，本設計選用比較成熟的DC12V直流電機，在此基礎上增加了轉速信號檢測裝置，用來反饋電動排種器的實時速度。該驅動電機結構簡單，成本低，適合我國國情，如圖2所示。

圖2 驅動電機

1.3 電控部分設計

1.3.1 控制方案的選擇

電氣控制部分采集播種機作業速度及各種狀態，根據農藝的要求，通過單片機MCU控制單元進行總控并計算各類數據，且包含根據計算結果精確控制電機轉速及實現故障報警等功能。電氣控制方框圖如圖3所示。

圖3 電氣控制方框圖

播種機狀態信息采集模塊主要完成運行速度、播種機架放下或抬起狀態、種箱種子余量檢測及肥箱肥料余量檢測；電機轉速驅動控制模塊主要實現電機轉速由零到最高速平滑、快速、精確的變換；報警、數據顯示輸出模塊主要為機手提供必要的報警或故障信息，包括電氣故障信息(如電機卡死、電機全速轉和其他電氣故障)及提示報警信息。

鍵盤輸入播種參數模塊把輸入的株距、施肥量等發給MCU，MCU根據采集的運行速度等信息，計算出電機目標轉速，以PWM信號的方式發給電機；電機轉動后，由轉速反饋采集模塊反饋電機的轉速，修正PWM，達到精確控制的目的。

1.3.2 電機控制方案的確定

市場運用比較成熟的電機有步進電機、伺服電機及直流有刷減速電機等。其中，伺服電機電機自帶編碼器，驅動模塊也是成熟產品，可以較快、較容易實現閉環控制及速度值高精度控制，但成本相對較高。步進電機采用開環控制，控制精度可以滿足播種的要求，但步進電機驅動能力相對較低。直流有刷減速電機沒有轉速反饋裝置，若要實現閉環控制需采用速度檢測裝置。

1)伺服電機控制方案分析。伺服電機(執行電機)在電氣控制系統中被用作執行部件，驅動器把接收到的PWM或電壓信號轉換成電機軸上的角位移或角速度[8]。伺服電機驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，內部的轉子是永磁鐵；轉子在磁場的作用下轉動，電機轉動自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服驅動器和伺服電機編碼器的脈沖形成反饋，構成閉環控制系統，實現精量播種。

2)步進電機控制方案分析。步進電機是將脈沖信號轉變為角位移或線位移步進電機件，正常的情況下，電機的轉速取決于脈沖信號的頻率，運行的角度取決于脈沖數量。當步進驅動器接收到1個脈沖信號后，驅動步進電機按設定的方向轉動1個固定的角度“步距角”，步進旋轉。因此，可通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而準確定位，實現精量播種；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，實現高速播種。翟建波等采用混合式步進電機驅動的方式實現電控播種[9]，缺點是高速時性能差、扭矩小及控制器驅動器電路復雜體積大。尤其是當驅動大功率的步進電機時，成本高于直流減速電機，收回維修比較麻煩[10-11]。

3)直流減速電機控制方案分析。直流減速電機在直流電機輸出后經過齒輪變速將輸出速度降到一定范圍，輸出轉速的慣量很小。直流減速在農機半自動化上已開始使用，控制簡單、扭矩大、振動小、能耗低、緊湊小巧、可靠耐用且市場保有量大，但控制精度不高、變速控制麻煩。本設計通過添加測速裝置和采用大功率Mous管解決精度和變速控制方面的問題。

經過性能與經濟性的比較，本方案采用了有刷直流電機加反饋的閉環控制系統，原理如圖4所示。

圖4 控制原理圖

1.4 數學模型的建立

研究對象為指夾式玉米排種器，有18個指夾。為了加強通用性，設排種器的指夾數為K，即每周排種數。在排種器的輸入軸安裝測速編碼器(編碼器為600線)，從通用性考慮，設為f1′，其轉速與排種器轉速為1:1，則單位時間內播種機行走距離為

L=f1′×πD×f2

(1)

式中L—行車長度；

f1—地輪上安裝編碼器的每轉脈沖數；

f1′—單位時間t內輸出的脈沖數(實質為轉速)；

D—地輪直徑(mm)。

單位時間內，排種器排種數量為

(2)

式中m—單位時間t內，排種器排種數量；

f2—排種器轉速檢測編碼器每轉1周的脈沖數；

f2′—電機目標轉速；

k—排種器每周排種個數。

根據以上分析，株距P為

(3)

由此計算出電機目標轉速為

(4)

當前機器各參數為f1=400、k=18，D=400、f2=400，則

(5)

根據控制工程原理，利用PID算法[12-14]得出控制系統數學模型，如圖5所示。

圖5 控制系統數學模型

PWM信號[15]為Δf，啟動時接近1，同速后接近于0。

控制單元采集速度信息，再根據排種器參數(每周下種數)、株距及單位肥量信息等，計算出播種/施肥電機轉速；通過電機轉速的反饋算出誤差，根據誤差進行精確控制。控制單元采集其他信息可以做出種量肥量余量過低報警，保障操作人員及時添加種量和肥量，還有故障報警，提示操作人員及時維修更換零部件。

2 試驗與結果分析

試驗用動力采用時風16kW輪式拖拉機，試驗場景為帶茬地。試驗地寬約100m左右，長度約200m左右，比較平整。試驗時，拖拉機速度分別采用低3擋和高2擋(速度相當于5、8km/h)兩種作業速度，播種機播種株距設為25cm，施肥量設為375kg/hm2。

2.1 播種株距試驗結果

采用3行播種機進行試驗，依據中華人民共和國國家標準《單粒(精密)播種機試驗方法》(GB/T6973-2005)進行試驗和結果分析。播種過程中進行敞開式播種，不覆土，在中間30m內每行連續測量30個種子株距記錄結果，結果如表1和表2所示。

表1 作業速度5km/h時株距數據

續表1

表2 作業速度8km/h時株距數據

續表2

以上數據表明：播種株距設定為25cm時，作業實際株距平均值為24.69cm，株距最大值為32cm，最小值為18cm；播種作業無重播和漏播，株距變異系數為5.88%；設定田間作業株距后，株距與作業速度大小無關。

2.2 施肥試驗結果

播種前，肥箱裝入適量顆粒肥料，施肥量設為375kg/hm2，分別以5、8km/h作業播完0.07hm2地后，測量肥箱剩下的化肥質量，測量3次，計算平均值，兩者數量之差就是單位施肥量。5km/h作業時，施肥量測量值為25.9kg，誤差為3.6%；8km/h作業時，施肥量測量值為24.0kg，誤差為4.0%；施肥量誤差符合標準《GBT35487-2017 變量施肥播種機控制系統》施肥量控制精度低于5%的要求。

3 結論

采用嵌入式單片機控制系統的玉米播種機，徹底顛覆了傳統播種機的傳動方式，省去了鏈條、鏈輪及齒輪變速箱，增強了可靠性、智能性，操作更容易。田間試驗表明：設定田間作業株距和施肥量后，株距和施肥量與作業速度大小無關。播種的株距均勻度優于機械式播種機，拖拉機作業速度快慢變化，對播種機作業質量基本沒影響，播種株距及施肥量均能達到設計值要求，嵌入式單片機在玉米播種機上的應用值得推廣。