玉米精量播種機排種監測系統設計

湯允猛,紀 超,付 威,陳金成

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000;2.新疆農墾科學院機械裝備研究所,新疆 石河子 832000)

0 引言

精量播種機是一種快速、高效的農業裝備,具有節約種子、減輕勞動強度等優勢。精量播種機的核心部件是排種器,其性能優劣決定播種作業質量。由于精量播種機的排種器和導種管通常采用封閉設計,無法通過人工直接觀察內部工作過程,若實際田間作業中發生排種盤吸種不暢、導種管或開溝器堵塞等故障,將造成種粒漏播。尤其是大型精播機在進行高速作業時發生漏播故障,勢必導致大面積缺苗,嚴重影響作物產量[1-2]。因此,亟需為精量播種機配備性能完善、可靠性高的排種質量實時監測報警系統,對提高播種作業質量具有重要意義。

近年來,隨著傳感器技術的發展,播種監測方法呈現多樣性。日本的并河·清[3]利用多組紅外LED和光敏三極管搭建了光電傳感器監測探頭,實現了對種子流漏播量、重播量的統計。布盧農業大學的V. Leemans研制的計算機視覺監測系統[4]可通過光學相機識別種粒下落過程,統計播種數量。周利明等[5-6]通過電容信號變化獲取相鄰種粒的脈沖積分面積來判斷排種器的工作性能。黃東巖等[7-8]利用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜傳感器監測相鄰玉米粒在下落過程中產生的碰撞脈沖信號及兩信號間的時間間隔,計算得到排種器漏播量和重播量。通過對上述光電、視覺、電容和壓電等方法及系統硬件對比分析發現,光電傳感器[9-15]具有價格低、技術成熟、響應迅速及驅動電路簡單等優勢,是搭建監測系統探頭的首選元件。

本研究擬采用對射式光電感應原理,設計了一種具有消除雜光干擾、抵抗塵土侵蝕等功能的排種質量監測系統,能夠實時獲取排種量、漏播量、重播量等重要參數指標,并在發生斷條漏播時發出報警提示,從而提高精量播種機田間作業質量。

1 排種監測系統構成

排種監測系統主要由紅外監測探頭、信號采集處理電路、STM32F407ZGT6芯片、TFTLCD液晶顯示模塊、聲光報警模塊與電源模塊等組成,如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

紅外監測探頭用于獲取種粒下落位序信息并轉化為電平信號;信號采集處理電路捕捉上述電平信號并通過濾波、放大等處理后傳輸至單片機;單片機根據外部作業參數計算種粒間距值并獲得排種總量、重播量及漏播量等重要參數,若判定發生斷條漏播,則通過引腳發出故障信號;駕駛員可通過液晶顯示模塊與聲光報警模塊掌握機具作業工況,并在得到聲光報警提示后停車排查。此外,信號采集處理電路電壓取自經DC12-DC12穩壓后的12V蓄電池,單片機通過芯片LM7805和AMS1117芯片將蓄電池電壓降至3.3V,實現穩壓供電。

2 硬件設計

2.1 監測探頭

2.1.1 工作原理

系統采用對射式光電感應原理,探頭平行安裝于管壁兩側,當種粒下落通過探頭監測范圍時,產生遮擋信號,在不同工況條件下形成對應特征的電平信息。正常播種時,信號采集處理電路將接收到規律性間斷電平脈沖;出現種箱缺種、排種盤吸種不暢等問題且造成一行或數行漏播時,紅外光線直射入接收端并輸出連續低電平信號;當某行開溝器被土塊等雜物堵塞、種粒在導種管內堆積遮擋紅外光線時,將形成連續高電平信號。

2.1.2 探頭結構設計

為增強光線覆蓋范圍,監測探頭采用4組3mm管徑規格的紅外發光二極管和紅外光電二極管兩兩平行對射安裝,相鄰紅外發光二極管的間距為1mm,且由探頭支架隔離,其結構如圖2所示。由于玉米粒的直徑大于二極管管徑及隔離間隙,故理想狀態下玉米粒下落時可遮擋任意一組對射光線,不存在監測盲區。實際情況下,紅外發光二極管頂端為半球形,光線呈傘狀發射,若無約束勢必會射入相鄰非對射的光電二極管中,形成內部光線干擾[16],即出現任何光電二極管均無法被種粒完全遮擋的情況,影響監測精度,且易造成誤判。為約束發光二極管光照范圍,提高系統靈敏度,本研究將紅外發光二極管置后安裝,其頂端與二極管支架前端平面距離為8mm。由于支架材料選用非透明黑色尼龍,故此8mm管壁對紅外光線形成吸收與約束,從而避免了內部雜光干擾。此外,探頭前擋板由透明光敏樹脂材料制作,不僅提高了紅外光線的穿透能力,且使探頭免受灰塵的粘附,通過定期清潔透明擋板,保證系統抗塵性能。外殼與下擋板通過螺母固定,防止震動造成下擋板向后滑移;下擋板和前擋板利用卡槽固定,防止震動造成探頭向前和向上運動。

1.探頭前擋板 2.探頭支架 3.電路板 4.探頭支架外殼 5.螺母外殼 6.探頭后擋板 7.螺母孔 8.二極管 9.通光孔圖2 探頭結構圖Fig.2 Structure of monitoring probe

監測裝置結構如圖3所示。其中,U型支架結構底面設計5mm×13mm的環槽,通過調節螺母和墊片位置可移動探頭,用于監測不同作物的種子流信號,提高探頭的實用性能。監測探頭安裝于導種管外壁,距地面高度100mm,貼近種床,能夠更加準確地測定實際落種情況。

(a) 監測裝置整體結構圖

(b) U型支架結構圖1.探頭監測口 2.螺栓 3.U型支架 4.可調螺母 5.管卡 6.導種管 7.輔助支撐孔 8.環槽 9.放線孔圖3 監測裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of monitoring device

2.2 信號采集電路

系統信號采集電路主要由發(收)二極管、限流電阻、LM358P運算放大器及分壓電阻等組成,如圖4所示。紅外發光二極管光線強度隨限流電阻R1的增大而減弱,考慮系統功率損耗及實際監測精度要求,R1取值0.68 kΩ。通過LM358P(U1A)與電容C1放大目標信號,濾除雜波干擾,保證信號清晰穩定。系統指示燈采用逐行對應設置,表征各排種器落種狀態[18]:無種粒下落,指示燈不發光;種粒間隔下落,指示燈閃爍;導種管堵塞形成漏播時指示燈常亮,提示操控人員檢查故障。

圖4 信號采集電路Fig.4 Signal acquisition circuit

3 軟件設計

首先,通過系統初始化檢測是否存在電路故障或異物遮擋問題。若電路正常且無異物遮擋時,指示燈顯示綠色,否則提示為紅色;待初始化完成后,種粒下落,單片機通過外部中斷程序捕獲電平脈沖信號并累加計數,同時啟動定時器計算相鄰脈沖的時間間隔T,結合種床帶的前進速度VT得到實際粒距d,將其數值與理論粒距L進行比較,并根據GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》判斷種粒是否存在重播、漏播現象;計算得到的排種量、漏播量及重播量由TFTLCD液晶模塊實時顯示;若斷條漏播持續時間過長,其累加值超過故障判定閾值,系統將提示駕駛員停車檢修。系統軟件流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the system software

4 試驗結果與分析

4.1 試驗材料

以新疆新玉41號玉米為監測對象,利用新疆農墾科學院機械裝備研究所播種實驗室的JPS-12試驗臺架開展排種性能監測試驗。導種管安裝于排種口下方且垂直于傳送帶,傳送帶表面涂有黃油,避免種粒下落彈跳。排種監測試驗臺如圖6所示。

圖6 排種監測試驗臺Fig.6 Seeding monitoring test bench

4.2 排種監測試驗

設置種床帶速度為4km/h,排種器每分鐘排種300粒,種子由排種口下落通過監測探頭時,系統采集排種量、重播量、漏播量等數據并通過液晶屏顯示;再由人工統計實際的排種量、重播量、漏播量等數據進行對比分析。試驗結果如表1所示。

表1 排種監測精度試驗Table 1 Accuracy test of seed metering

試驗結果表明:系統對排種量和漏播量的監測精度分別為98.1%與94.6%,高于重播監測精度。其原因為:少數種粒重疊下落經過探頭時,兩種粒下落未產生時間間隔或間隔時間小于系統定時器掃描時間,系統僅能識別到1組光電信號,造成漏判。

5 結論

1)設計了玉米精量播種機排種監測系統,主要由紅外監測探頭、信號采集處理電路、STM32單片機、TFTLCD 液晶顯示模塊與聲光報警模塊等組成,適用于種粒粒徑3mm及以上作物的播種監測作業。

2)開發了基于對射式光電感應的紅外監測探頭,通過優化支架結構消除了內部散射光線形成的雜光干擾,提高了系統監測靈敏度和抗塵性能。

3)規劃了軟件流程并完成系統軟硬件集成,臺架試驗表明:系統對排種量、漏播量和重播量的監測精度分別為98.1%、94.6%、87.9%,滿足實際作業要求。