小麥小區(qū)播種機排種控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

程修沛 李洪文 王慶杰 何 進 盧彩云 楊 薇

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測實驗站， 北京 100083；3.中機美諾科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

田間育種試驗是為培育作物新品種在試驗小區(qū)進行的小面積試驗[1-2]，對于品種改良、繁殖良種等具有重要的意義。田間育種試驗是一個復(fù)雜的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程，實現(xiàn)田間育種試驗的機械化作業(yè)有利于提高育種的工作效率、降低勞動強度、減少成本，保證試驗的科學(xué)性和準確性[3-4]。

小區(qū)播種機作為田間育種試驗的專用機械，因試驗小區(qū)面積小而數(shù)量多、品種多而播量少的特殊性，需具有定量播種、自動清種、間隔播種、連續(xù)播種等要求[5-7]。經(jīng)過幾十年的研究與推廣，國外小區(qū)播種機械商業(yè)化程度高，技術(shù)與裝備逐漸向自動化、智能化方向發(fā)展，如Wintersteiger公司生產(chǎn)的小區(qū)播種機配套GPS、播種信息軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)播前規(guī)劃、播中監(jiān)測以及播后信息處理等功能[7-8]，但其價格昂貴，不能很好地滿足國內(nèi)育種機械需求[9]。

國內(nèi)小區(qū)播種以人工為主，其勞動強度大、作業(yè)可靠性低、品種多而不能做到同期播種等，制約了育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展[10]，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者從參數(shù)優(yōu)化、關(guān)鍵部件優(yōu)化改進等方面進行了研究[11-12]。然而，現(xiàn)有的小區(qū)播種機自動化水平低[13]，排種作業(yè)參數(shù)不易設(shè)置和調(diào)節(jié)，小區(qū)播種質(zhì)量差，嚴重影響小區(qū)育種試驗的科學(xué)性。錐體格盤采用地輪或驅(qū)動輪驅(qū)動，每次需要調(diào)節(jié)機械傳動比，以滿足不同長度小區(qū)對錐體格盤轉(zhuǎn)速的要求[14]；分種器多采用固定轉(zhuǎn)速，無法滿足不同品種、不同長度小區(qū)播種對轉(zhuǎn)速的需求，達不到較優(yōu)的作業(yè)水平，易出現(xiàn)播種均勻性差的問題。針對以上問題，龔麗農(nóng)等[15]對小區(qū)播種機電控系統(tǒng)進行設(shè)計，劉業(yè)宇等[9]研究了里下河小麥小區(qū)播種機，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。

本文設(shè)計一種基于STM32的小麥小區(qū)播種機排種控制系統(tǒng)，以STM32為主控制系統(tǒng)，采用Android終端進行人機交互，由電磁閥控制存種筒提升、步進電機驅(qū)動錐體格盤、直流無刷電機驅(qū)動分種器，解決排種作業(yè)參數(shù)不易調(diào)節(jié)、排種精度差等問題，提高小區(qū)播種機械的自動化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

小區(qū)排種控制系統(tǒng)主要由STM32主控制系統(tǒng)、Android終端、存種筒提升控制系統(tǒng)、錐體格盤控制系統(tǒng)和分種器控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，STM32主控制系統(tǒng)由STM32F407單片機、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；存種筒提升控制系統(tǒng)由電磁閥、光耦隔離型繼電器和存種筒組成；錐體格盤控制系統(tǒng)由MOS效應(yīng)管、步進電機、步進電機驅(qū)動器和錐體格盤裝置組成；分種器控制系統(tǒng)由直流無刷電機、直流無刷電機驅(qū)動器和分種器等組成。通過設(shè)計排種控制系統(tǒng)，能夠采用Android終端對小區(qū)排種作業(yè)參數(shù)進行設(shè)置，實現(xiàn)存種筒提升、錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速的機電控制，達到提高小區(qū)播種精度的目的。

圖1 小區(qū)排種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of plot sowing control system1.存種筒 2.電磁閥 3.繼電器 4.STM32F407單片機 5.Android終端 6.離心分種器 7.直流無刷電機 8.直流無刷電機驅(qū)動器 9.24 V電源 10.步進電機驅(qū)動器 11.MOS效應(yīng)管 12.步進電機 13.錐體格盤 14.12 V電源

工作時，育種人員根據(jù)播前小區(qū)育種規(guī)劃，通過Android終端進行小區(qū)排種作業(yè)參數(shù)設(shè)置；設(shè)置完成后，Android終端通過藍牙通訊將參數(shù)傳輸給STM32F407單片機，STM32對數(shù)據(jù)進行解析，改變相應(yīng)PWM控制信號的占空比或脈沖頻率，從而達到控制錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速的目的；存種筒提升采用Android終端控制的方式，Android終端控制是通過控制電磁閥的吸合，進而控制存種筒的提升與回位。

當(dāng)改變作業(yè)參數(shù)進行匹配時，通過Android終端的人機交互界面即可完成參數(shù)設(shè)置，避免了傳統(tǒng)小區(qū)播種機械改變作業(yè)參數(shù)需要人工調(diào)節(jié)機械機構(gòu)、費時費力等問題，滿足了不同種子對作業(yè)參數(shù)的不同需求，提高了育種試驗精度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

小區(qū)排種控制系統(tǒng)以單片機STM32F407為主處理核心，以無線藍牙通訊為數(shù)據(jù)傳輸方式，以Android平臺為控制終端，完成對小區(qū)錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速的設(shè)置和調(diào)節(jié)，以及設(shè)置延時時間完成提升筒的提升與回位，并在特殊情況或結(jié)束時停車，控制系統(tǒng)整體電路如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)整體電路圖Fig.2 Overall circuit diagram of control system

2.2 STM32主控制系統(tǒng)

2.2.1STM32單片機

STM32單片機作為小區(qū)排種控制系統(tǒng)的核心，主要完成對上位機指令信息的接收與應(yīng)答，對步進電機、直流電機以及電磁閥的控制等功能。采用以STM32F407ZGT6為主芯片的單片機，Cortex M4為系統(tǒng)內(nèi)核，具有1 MB的Flash存儲器，主頻最高達168 MHz，共有IO端口112個，有12個16位定時器和2個32位定時器[16]，滿足擴展控制多個小區(qū)排種單體的需求。

如圖2所示，PF8為控制錐體格盤轉(zhuǎn)速的PWM 1脈沖發(fā)生端口，通過改變占空比來控制直流無刷電機轉(zhuǎn)速；PF9為控制分種器轉(zhuǎn)速的PWM 2脈沖輸出端口，采用脈沖頻率調(diào)節(jié)的方式進行步進電機轉(zhuǎn)速控制；PF10為電磁閥的控制端口，置1或置0完成高低電平的轉(zhuǎn)換進行電磁閥吸斷，進而實現(xiàn)存種筒提升或回位。

2.2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

Android終端與STM32單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸采用無線藍牙通訊方式，選擇ATK-HC05藍牙串口模塊，原理如圖2藍牙通訊電路部分所示，采用透傳方式與上位機進行通訊[17]，波特率支持4 800～1 382 400 b/s，兼容不同電壓的單片機系統(tǒng)，如3.3 V的STM32系列單片機，與計算機、手機、PDA等智能終端相互連接，使用簡單，比較穩(wěn)定。

2.3 存種筒提升控制系統(tǒng)

圖3 電磁閥安裝位置Fig.3 Installation position of solenoid valve

小區(qū)排種裝置的存種筒提升是通過電磁閥的吸合來完成，安裝如圖3所示。電磁閥沒有通電吸合時，存種筒與錐體緊密貼合，處于存種狀態(tài)；當(dāng)電磁閥上電時，電磁閥內(nèi)部線圈得電產(chǎn)生吸力，將提升杠桿下拉帶動存種筒提升進行落種；落種過程延時斷電，落種完成后，電磁閥斷電，吸力消失，提升杠桿回落，存種筒回位，進行下次存種。

系統(tǒng)選用伍德沃德公司的1502-12A2U1B2型電磁閥，額定電壓12 V。STM32單片機不足以驅(qū)動電磁閥動作，因此單片機與電磁閥之間搭接光耦隔離型繼電器，用于低電平信號驅(qū)動高壓電磁閥。由控制原理圖2所示，繼電器NO端與STM32的PF10端口相連，高低電平信號經(jīng)過光耦隔離型繼電器，控制12 V電源的通斷，實現(xiàn)電磁閥吸合和斷開。

2.4 錐體格盤控制系統(tǒng)

錐體格盤控制系統(tǒng)硬件主要由錐體格盤裝置、步進電機、步進電機驅(qū)動器以及放大驅(qū)動模塊等組成。選用60EBP143ALC-TF0型閉環(huán)步進電機，電源為DC 24～110 V，配帶光電式編碼器，配有ZDM-2HA865型全數(shù)字閉環(huán)伺服步進電機驅(qū)動器，提供16擋細分選擇，最大能夠達到51 200 p/r，與主控制系統(tǒng)連接實現(xiàn)對步進電機的閉環(huán)控制，步進電機與驅(qū)動器如圖4所示。放大驅(qū)動模塊采用深圳市粵豫電子科技公司生產(chǎn)的YYMOS-1型場效應(yīng)管，輸入輸出電壓3.3～24 V，最大頻率為100 kHz，其功能為完成PWM波形放大。

圖4 步進電機及驅(qū)動器Fig.4 Stepper motor and driver

60EBP143ALC-TF0型閉環(huán)步進電機控制信號由5～24 V驅(qū)動，STM32單片機IO端口電壓多為3.3 V，部分會兼容5 V，但驅(qū)動能力弱，不足以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。因此，單片機與步進電機驅(qū)動電路之間增加放大驅(qū)動模塊，提高驅(qū)動能力，原理如圖2所示步進電路驅(qū)動部分，電路實現(xiàn)了STM32引腳端口PF9發(fā)送3.3 V的PWM 1控制信號，經(jīng)過放大驅(qū)動模塊電壓形成12 V的PWM信號，實現(xiàn)步進電機的驅(qū)動控制和調(diào)速，進而實現(xiàn)錐體格盤轉(zhuǎn)速控制。

2.5 分種器控制系統(tǒng)

分種器采用57BLY-1230NBB型直流無刷電機帶動，直流電源24 V，額定功率125 W，轉(zhuǎn)速最高3 000 r/min；相匹配的為BLD-300B型驅(qū)動器，輸入18～50 V直流電源，即可由電位器實現(xiàn)手動調(diào)速，又可應(yīng)用于上位機的PWM或模擬量信號控制，直流電機與驅(qū)動器如圖5所示，原理如圖2所示直流電機驅(qū)動電路部分。

圖5 直流電機及驅(qū)動器Fig.5 Direct current motor and driver

其中，SV端口為控制分種器轉(zhuǎn)速的PWM 2脈沖信號的輸入端，與主控制器IO口PF8相連接；F/R為正反轉(zhuǎn)控制端，EN為控制信號使能端，低電平有效運行；霍爾傳感器輸入電源為5 V，HU、HV、HW分別與直流無刷電機的霍爾傳感器A、B、C相接；驅(qū)動器U、V、W接口對應(yīng)直流無刷電機繞組A相、B相和C相。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)流程

STM32F407接收到Android傳輸?shù)男畔ⅲ瑢f(xié)議進行解析，以獲得不同的控制指令，進而完成對小麥小區(qū)排種裝置的控制，控制系統(tǒng)工作流程如圖6所示。正常作業(yè)情況下，可以對錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速以及存種筒提升進行分別控制，相互之間不受影響；在需要緊急停止的情況下，能夠直接完成3路控制，起到保護作用。

圖6 控制流程圖Fig.6 Flow chart of controller

3.2 存種筒延遲落下時間確定

存種筒與錐體緊密貼合形成存種空間，當(dāng)存種筒提升時，存種筒與錐體有一定的間隙，此時種子沿間隙均勻滑落，進行格盤充種；最后一粒種子完全脫離存種筒與錐體形成的充種區(qū)域后，此時存種筒可以下落，再次與錐體形成閉合空間，等待下一次倒入種子，為下一小區(qū)播種作業(yè)做準備。

本文設(shè)計的存種筒提升由電磁閥控制，小麥顆粒開始下落至全部種子離開存種空間的時間段內(nèi)電磁閥應(yīng)處于吸合狀態(tài)。由于種子落下時間比較短，采用常規(guī)觀察進行時間確定時會出現(xiàn)人眼反應(yīng)延遲的問題，因此借用EDEM離散元仿真方法確定不同提升高度小麥顆粒的落下時間。小麥顆粒大小根據(jù)試驗用品種進行設(shè)定，近似為橢圓體，以長度6.2 mm、寬度和厚度3.2 mm為顆粒三維尺寸均值進行正態(tài)生成，其他參數(shù)由實測得到，仿真提升過程如圖7所示。

圖7 存種筒提升仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of storage cylinder lifting1.外部隔板 2.小麥顆粒 3.存種筒 4.錐體 5.存種空間分界線

如圖7所示，直線為存種筒與錐體組成存種空間的邊界，以存種筒開始提升為初始時間、最后顆粒脫離存種空間為結(jié)束時間，時間差即為小麥顆粒落下時間。

圖8 種子落下時間與提升高度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve of seed drop time and lifting height

不同提升高度小麥顆粒落下時間如圖8所示。由圖8可知，隨著存種筒提升高度增大，落種時間逐漸減小，提升高度大于30 mm，種子落下時間為0.25 s，提升高度的增加對于種子落下時間的改變影響較小，趨于平穩(wěn)。提升高度為15 mm時，種子落下時間為0.77 s，分別是提升高度20、25、30 mm時種子落下時間的2.08、2.85、3.08倍。

本文選取存種筒提升高度25 mm，則種子落下時間為0.27 s。綜合考慮仿真誤差與電磁閥頻率，確定存種筒延遲落下時間t為0.5 s。在本文試驗中，存種筒提升符合作業(yè)要求，尚未出現(xiàn)種子沒有完全脫離存種區(qū)域而存種筒落下的情況，但小區(qū)播量較大時，存種筒延遲落下時間應(yīng)相應(yīng)加大。

3.3 錐體格盤轉(zhuǎn)速控制模型

步進電機經(jīng)過減速機減速后，經(jīng)過錐齒輪對換向帶動錐體格盤，轉(zhuǎn)速采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法進行控制[18]，利用STM32控制器設(shè)置定時器裝載值以及定時器捕獲/比較值[19]，從而自動產(chǎn)生PWM波，通過改變脈沖頻率的方式實現(xiàn)步進電機的調(diào)速，其實質(zhì)為調(diào)整脈沖周期的時間，得到每秒不同的脈沖數(shù)，每秒所產(chǎn)生的脈沖數(shù)越大，步進電機轉(zhuǎn)速越快，錐體格盤轉(zhuǎn)速則越快。

本文選用60EBP143ALC-TF0型閉環(huán)步進電機，步距角為1.8°，則驅(qū)動器內(nèi)部有細分情況下為細分值×200 p/r；錐體格盤轉(zhuǎn)速與脈沖頻率之間的關(guān)系式為

(1)

式中n0——錐體格盤轉(zhuǎn)速，r/min

f——PWM脈沖頻率，Hz

N0——驅(qū)動器內(nèi)部細分值

i——減速機傳動比

STM32定時器占空比一定的情況下，通過改變自動重裝載寄存器值實現(xiàn)脈沖頻率的變化，自動重裝載寄存器值與脈沖頻率之間關(guān)系為

(2)

式中NT——定時器最大頻率，Hz

Npsc——預(yù)分頻系數(shù)，0為不分頻

Narr——自動重裝載寄存器值

聯(lián)立式(1)和式(2)，得到錐體格盤轉(zhuǎn)速與自動重裝載寄存器值之間的關(guān)系模型為

(3)

3.4 離心分種器轉(zhuǎn)速控制曲線與關(guān)系

直流電機與步進電機控制方式類似，均采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)速，不同點在于通過改變脈沖占空比的方式進行直流無刷電機的調(diào)速[20]。占空比越高，轉(zhuǎn)速越大，反之越小，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但關(guān)系復(fù)雜，多采用實測辦法進行確定。因此，為了得到直流無刷電機與占空比之間的關(guān)系，參考文獻[21]方法與思路，以1 kHz為固定頻率，以占空比0～80%變化范圍，采用轉(zhuǎn)速表進行實際測速，得到直流無刷電機轉(zhuǎn)速與占空比之間的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 直流電機轉(zhuǎn)速與占空比關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between DC motor speed and duty cycle

以占空比為自變量x、直流無刷電機轉(zhuǎn)速為因變量y，進行曲線擬合得到兩者之間的關(guān)系式為

y=27.087x

(4)

其中，R2=0.997 8，說明直流無刷電機轉(zhuǎn)速與占空比具有較好的擬合關(guān)系，將式(4)應(yīng)用于直流無刷電機控制算法，從而能完成離心分種器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍0～2 167 r/min，滿足了小區(qū)播種機對分種器轉(zhuǎn)速的需求。

3.5 Android終端設(shè)計

人機交互界面基于Java 語言在 Android Studio開發(fā)環(huán)境下編譯而成[22]，主要包括通訊連接、錐體格盤轉(zhuǎn)速、離心分種器轉(zhuǎn)速的作業(yè)參數(shù)設(shè)置，以及存種筒提升控制、緊急停止等功能，控制界面如圖10所示。育種人員能夠根據(jù)小區(qū)播種長度、播量與不同品種等信息進行作業(yè)參數(shù)匹配設(shè)置，以解決傳統(tǒng)小區(qū)播種機人工調(diào)節(jié)錐體格盤轉(zhuǎn)速傳動比以及離心分種器轉(zhuǎn)速無法現(xiàn)場調(diào)整等問題，使小區(qū)排種機構(gòu)在較優(yōu)的參數(shù)情況下運行。

圖10 Andriod終端人機交互界面Fig.10 Interactive interface of Android mobile phone terminal

4 臺架試驗

4.1 試驗設(shè)備與儀器

為了驗證系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，同時對錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速進行參數(shù)優(yōu)化，開展基于該排種系統(tǒng)的小區(qū)排種試驗。以目前國內(nèi)典型的錐體格盤式排種裝置(中機美諾科技股份有限公司)為基礎(chǔ)，搭配設(shè)計的控制系統(tǒng)，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)保護性耕作實驗室搭建試驗臺，主要包括臺架、錐體、存種筒、漏斗、提升杠桿、分種機構(gòu)以及所設(shè)計控制系統(tǒng)，如圖11所示。為了便于試驗后種子的收集和數(shù)據(jù)記錄，分種機構(gòu)下方布置集種袋進行種子收集。

采用美國OHAUS公司的ARA520型電子天平稱量，稱量范圍為0～1 500 g，精度0.01 g。

圖11 小區(qū)排種試驗臺Fig.11 Test bench of plot seeding1.臺架 2.底板 3.錐體 4.存種筒 5.漏斗 6.提升杠桿 7.電磁閥 8.外部隔板 9.步進電機 10.分種機構(gòu) 11.直流電機 12.錐齒輪

4.2 試驗材料

試驗采用小麥品種為煙農(nóng)19，千粒質(zhì)量40 g左右，隨機選取50粒小麥顆粒對其進行三維尺寸測量，其長度方向范圍為5.35～6.96 mm，均值為6.23 mm，長度尺寸變異系數(shù)為6.13%，寬度和厚度范圍分別為2.63～3.48 mm和2.28～3.46 mm，均值分別為3.23 mm和3.04 mm，變異系數(shù)為7.76%和10.35%，寬度和厚度基本一致，小麥顆粒可以近似為橢圓體，各尺寸分布基本符合正態(tài)分布。

4.3 試驗方法與指標

4.3.1試驗因素

根據(jù)小區(qū)排種各因素對排種效果的影響，本試驗主要分析錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速對排種作業(yè)性能的影響。

錐體格盤轉(zhuǎn)速：小區(qū)育種試驗時，每完成一個小區(qū)的播種作業(yè)，錐體格盤正好旋轉(zhuǎn)一周，種子無殘留。播量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越快，每秒落種量則越多，對于分種器的要求就越高。當(dāng)機具前進速度一定時，小區(qū)長度不同，則錐體格盤對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速，因此本文選取錐體格盤轉(zhuǎn)速分別為4、6、8 r/min進行試驗。

離心分種器轉(zhuǎn)速：根據(jù)文獻[23-24]以及預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，小麥育種試驗分種器轉(zhuǎn)速一般在1 100～1 550 r/min之間能取得較優(yōu)的分配轉(zhuǎn)速，因此本文選取分種器轉(zhuǎn)速為1 100、1 250、1 400、1 550 r/min進行試驗。

4.3.2試驗內(nèi)容與指標

選擇行間均勻性變異系數(shù)作為試驗指標[16]，分析錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速對小區(qū)播種性能的影響規(guī)律，進行12組試驗，每組試驗重復(fù)3次。每次小區(qū)播種試驗結(jié)束后，將各行種管所對應(yīng)的集種袋依次取下，并采用電子天平進行稱量，求各行種量均值、標準差，最終計算出行間均勻性變異系數(shù)。

4.4 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，參數(shù)設(shè)置方便快捷，實現(xiàn)了錐體格盤排種裝置的穩(wěn)定控制，未出現(xiàn)系統(tǒng)停頓等現(xiàn)象，滿足小區(qū)排種作業(yè)要求。基于該系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果如表1所示，雙因素重復(fù)試驗方差分析如表2所示，不同分種器轉(zhuǎn)速和錐體格盤轉(zhuǎn)速時的行間均勻性變異系數(shù)變化曲線如圖12所示。

錐體格盤帶動小麥種子依次經(jīng)過排種口，不同轉(zhuǎn)速會形成不同的落種量，速度越高，單位時間落種量則越大，從而對分種均勻性造成影響。如表1所示，隨著錐體格盤轉(zhuǎn)速的增加，行間均勻性變異系數(shù)呈不斷增加趨勢，如錐體格盤轉(zhuǎn)速4 r/min時，經(jīng)過排種口的平均落種量為5.0 g/s，平均行間均勻性變異性系數(shù)為5.35%，而錐體格盤轉(zhuǎn)速分別為6、8 r/min時，平均落種量為7.5、10.0 g/s，平均行間均勻性變異系數(shù)為5.62%、6.45%，分別較4 r/min增加約5.05%和20.56%；當(dāng)錐體格盤轉(zhuǎn)速增加，若要獲得較優(yōu)的分種均勻性效果，則分種器轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加，在錐體格盤轉(zhuǎn)速為4 r/min，較優(yōu)的分種器轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，行間均勻性變異系數(shù)4.53%，而錐體格盤轉(zhuǎn)速達到6、8 r/min，較優(yōu)的分種器轉(zhuǎn)速均為1 400 r/min，行間均勻性變異系數(shù)分別為4.79%、5.53%。

表1 行間均勻性變異系數(shù)試驗結(jié)果Tab.1 Test results of coefficient of variation at different rows

表2 方差分析Tab.2 Analysis of variance

注：** 表示在0.01水平下影響非常顯著。

圖12 不同分種器轉(zhuǎn)速和錐體格盤轉(zhuǎn)速時的行間均勻性變異系數(shù)變化曲線Fig.12 Variation curves of variation coefficient between rows for different rotation speeds of seed dispenser and cone compartment tray

由圖12分析可知，錐體格盤轉(zhuǎn)速一定的條件下，分種器轉(zhuǎn)速在1 100～1 550 r/min變化，行間均勻性變異系數(shù)均先減小后增大，區(qū)別在位于谷點的轉(zhuǎn)速各不相同，分別為1 250 r/min和1 400 r/min。離心分種器轉(zhuǎn)速較小時，行間均勻性變異系數(shù)較大，其原因可能是由于轉(zhuǎn)速較小，尚未達到較優(yōu)的離心分種速度，不能將落下的種子均勻分開，同時后續(xù)落下的種子對此前落下的種子造成干擾，影響了分配均勻性，如錐體格盤轉(zhuǎn)速8 r/min、分種器1 100 r/min時，行間均勻性變異系數(shù)為6.90%；分種器轉(zhuǎn)速較高時，落下的小麥顆粒由于高轉(zhuǎn)速可能會增大種群離心分配的無序性，且部分顆粒由于回旋或碰撞折回等因素來不及分離出去，被分種面重新帶入到分種器空間，增加了行間的不均勻性。

通過方差分析可知，錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速以及錐體格盤轉(zhuǎn)速與分種器轉(zhuǎn)速之間的交互作用對于行間均勻性變異系數(shù)均有非常顯著影響。綜合考慮，較優(yōu)參數(shù)組合為錐體格盤轉(zhuǎn)速為4 r/min、離心分種器轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，此時行間均勻性變異系數(shù)均值為4.53%，各行種管內(nèi)種子一致性較好。

為了更好地反映排種性能，同時對每次試驗后的小麥顆粒進行觀察，將破損的種子進行收集稱量，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)12組試驗均出現(xiàn)了不同程度的籽粒破損，破損率在0.12%～0.25%之間。其中錐體格盤轉(zhuǎn)速4 r/min、分種器轉(zhuǎn)速1 250 r/min時，平均破損率較低，為0.12%；錐體格盤轉(zhuǎn)速8 r/min、分種器轉(zhuǎn)速1 550 r/min，出現(xiàn)了較高的籽粒破損率，為0.25%。

通過分析可知小麥籽粒破損的原因為：由于結(jié)構(gòu)和加工精度問題，錐體格盤與底板、分種器與分種管外殼之間均存在一定的間隙，作業(yè)過程中種子進入到間隙，對顆粒造成摩擦損傷、擠壓或剪切破碎；小麥顆粒分種過程中顆粒與管壁產(chǎn)生多次碰撞，增大籽粒破損的可能性。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了小麥小區(qū)播種機排種控制系統(tǒng)，以STM32單片機為控制核心，確定存種筒延遲落下時間，分別建立錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速控制模型，采用Android終端進行人機交互具有良好的操作性，能夠快速完成小區(qū)播種機排種作業(yè)參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)了小區(qū)排種裝置的精確控制，提高了小區(qū)播種質(zhì)量。

(2)搭建了室內(nèi)試驗臺，以錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速為試驗因素進行臺架試驗。試驗表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，能夠滿足小區(qū)排種作業(yè)要求。錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速和兩者之間交互作用對行間均勻性均具有非常顯著的影響。

(3)試驗分析得出，小區(qū)排種較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)為錐體格盤轉(zhuǎn)速4 r/min、分種器轉(zhuǎn)速1 250 r/min，此時行間均勻性變異系數(shù)均值為4.53%，各行種管之間的行間一致性較好，籽粒破碎率較低。