馬鈴薯智能排種機補種系統設計與試驗

阿拉騰希胡日

(錫林郭勒盟農業科學技術推廣站，內蒙古 錫林浩特 026000)

0 引言

馬鈴薯作為我國北方主要農作物之一，傳統的種植為人工排種，為減輕種植的勞動強度，馬鈴薯排種機的技術及應用近年來不斷展開。經查閱文獻顯示：一方面，目前國內外針對馬鈴薯智能排種研究與玉米、小麥等精密播種的檢測研究相比，相對較少；另一方面，大多數學者從馬鈴薯排種機的結構組成方面進行研究，有的將播種與施肥同步進行設計試驗等。針對馬鈴薯在排種過程中會由于機具振動或馬鈴薯種大小原因出現不同程度的排種漏種與重種問題，為更好地融合現代智能化通信檢測技術，本文在馬鈴薯排種原理的基礎上，從保證排種及時準確方向出發，針對馬鈴薯智能排種機的補種系統進行了設計與試驗。

1 智能排種機結構及原理

馬鈴薯排種機主要由機架、種箱、傳送鏈條、驅動裝置、取種裝置及控制裝置組成，如圖1所示。智能排種機在足夠動力驅動裝置的帶動下進行排種作業，種箱充種區的大小和馬鈴薯的流動性能有效決定馬鈴薯的排種效率。當排種鏈前后裝置的不協調或種薯本身互相干擾狀況發生時，會使得智能排種機效率降低，因此補種裝置的加裝尤為必要。

圖1 馬鈴薯排種機三維整機模型圖Fig.1 The whole 3D model diagram of the potato metering machine

馬鈴薯種在充種區遵循達朗貝爾原理，滿足如下運動學方程，即

(1)

(2)

式中m—馬鈴薯種質量(kg)；

G—馬鈴薯種重力(N)；

f—馬鈴薯運動過程中的摩擦力(N)；

μ—摩擦因數；

v—馬鈴薯運動速度(m/s)；

γ—馬鈴薯種自然休止角(°)；

Fn—馬鈴薯種承受側向壓力(N)；

Fc—馬鈴薯種所受慣性離心力(N)；

FN—馬鈴薯種承受支持力(N)；

α—排種鏈水平方向夾角(°)；

R1—主動鏈輪半徑(mm)。

建立馬鈴薯運動學參數化模型，表1給出馬鈴薯智能排種部件的材料接觸系數取值。運用離散元理論對馬鈴薯智能排種機的排種過程進行分析，給出無粘顆粒的切向力學模型，并考慮馬鈴薯的相互碰撞系數等，進而實現智能排種目標。

表1 馬鈴薯智能排種機的各材料接觸系數Table 1 Material contract parameters of the potato intelligent seed metering machine

2 補種系統設計

2.1 硬件裝置設計

在馬鈴薯智能排種機主排種裝置的對面側加裝補種系統，并采用ZigBee技術進行信號的無線傳輸，實現信息采集的便利性與高效準確性。監測器與驅動系統的銜接反應靈敏，可提升補種系統的反應執行性能。圖2、圖3分別給出排種機補種系統的裝置模型與硬件設計框圖。

1.主排種裝置 2.啟動器 3.主排種漏種監測裝置 4.同步校正裝置 5.補種裝置監測裝置 6.步進電機 7.補種裝置 8.開溝裝置 9.CPU 10.主控模塊

圖3 智能排種機補種系統硬件設計框圖Fig.3 Hardware design block diagram of the reseed system of the intelligent seed metering machine

智能排種機在中央控制單元CPU的主控之下，通過光電傳感裝置獲取排種信息并傳遞至相應的漏種監測裝置，在關鍵位置安裝聲光報警裝置，實現漏種、重種的監測功能，進而通過同步校正與步進電機的綜合作用實現馬鈴薯補種與計數。

2.2 控制系統設計

補種系統相應的控制系統主要依靠傳感器監測馬鈴薯種箱體內的薯種流動情況，在發生漏播時，步進電機啟動開始執行補種作業，相應的控制流程圖如圖4所示。根據此思想，給出控制系統排種的主程序片段：

void tim1_init()

{

TMOD=0*10;

TH1=(65536-84)/256;

TL1=(65536-84)%256;

EA=1;

ET1=1;

}

if(tt>=num)

{

pul=～pul;

tt=0;

}

}

void main()

{

tim1_init();

num=6;

pul=1;

flag=0;

TR1=1;

light=1;

tab=0;

while(1)

{

display();

add();

if(light==1)

{

num=3;

delay_ms(10);

}

else

{

num=6;

}

delay(50);

}

}

…

…

圖4 智能排種機補種系統控制流程圖Fig.4 The reseed system control flow diagram of the intelligent seed metering machine

3 性能試驗

3.1 試驗前置要求

根據種薯尺寸、充種高度及排種速度建立影響因素試驗編碼表，選擇種薯直徑為40～60mm之間均勻大小，充種高度保證在12～30mm之間，排種速度控制在0.45～1.10m/s之間，詳細參數如表2所示。開啟馬鈴薯智能排種機的補種監測系統(見圖5)，通過判定托種裝置上有無薯種，經發送補種指令、傳感器位置監測、執行排種動作等，記錄所需參數量。

圖5 馬鈴薯排種機補種監測系統簡圖Fig.5 The reseeding monitoring system schematic diagram of the potato seed metering machine

表2 各排種影響因素回歸試驗編碼表Table 2 Coding of regression test on the row influence factors

3.2 試驗分析

經試驗，記錄補種系統不同排種工作轉速下的相關參數，如表3所示。由表3可知：在14.1～27.5r/min范圍內，補種率達到100%，且平均補種間距在設計間距20cm附近，時間間隔誤差不大于1.5%。由此證明：補種系統設計在穩定的工作轉速范圍內，其精度可達到要求，補種系統可靠性能得到驗證。

表3 馬鈴薯智能排種機補種精度試驗數據統計Table 3 Reseeding precision test data statistics of the potato intelligent seed metering machine

表4為馬鈴薯智能排種關鍵指標試驗值與設計值數據對比。從表4可以看出：漏種指數試驗平均值為1.1%，小于設計值3.0%；重種指數試驗平均值為1.3%，小于設計值3.0%。由此驗證了設計的合理性。

表4 馬鈴薯智能排種機試驗值與設計值對比Table 4 Comparison between the test value and design value on the potato intelligent seed metering machine

針對補種合格率進行驗證，圖6為馬鈴薯排種機行進速度與補種合格率的關系曲線。結果表明：在穩定行進速度范圍內，智能排種機補種系統的補種合格率可達到97.5%以上，滿足設計要求。

圖6 馬鈴薯排種機行進速度與補種合格率關系曲線Fig.6 The relationship curve between the speed of the potato seed metering machine and the reseeding rate

4 結論

1)在排種原理與馬鈴薯本身性能基礎上，對排種裝置深入分析，并加裝補種系統，降低了智能排種機的重種率與漏種率。

2)該智能排種機補種系統從硬件裝置設計與軟件控制程序兩方面展開優化，融入先進的無線通信與傳感技術，在聲光報警裝置下進行補種作業，整個過程閉環控制、穩定可靠。

3)試驗表明：試驗值與設計值誤差控制在排種機的設計要求范圍內，補種精度合格率100%；漏種指數試驗平均值為1.1%，重種指數試驗平均值為1.3%，均小于設計值3.0%；在穩定行進速度范圍內，智能排種機補種系統的補種合格率可達到97.5%以上，滿足設計要求。