單行精量播種施肥機試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)設計

王鈺旭，張仰猛，張波，鐘鳴，李青龍，王璐，孫永佳，陳剛

（1.250100 山東省 濟南市 山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院；2.250013 山東省 濟南市 山東省農(nóng)業(yè)機械技術推廣站；3.250031 山東省 濟南市 卡樂（濟南）設計有限公司；4.250100 山東省 濟南市 山東省農(nóng)業(yè)科學院）

0 引言

播種是作物生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，播種質(zhì)量直接影響產(chǎn)量。隨著科學技術的進步，國內(nèi)外大量科研人員深入研究，目前播種機具已由精密播種取代條播和穴播，精密播種的特點是播種量精確，相應株距誤差小，區(qū)域高產(chǎn)[1-3]。

由于玉米、大豆等單粒作物精量播種施肥機的作業(yè)環(huán)境是封閉的，很難在第一時間發(fā)現(xiàn)漏播、缺種、堵塞等作業(yè)故障。如果采用人工作業(yè)的手段去補種，既浪費了人力物力，又有可能破壞土壤結構減少產(chǎn)量[4-8]，因此設計開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)測的智能播種施肥監(jiān)控系統(tǒng)，對確保作物高產(chǎn)具有重要意義。

針對這種情況，本文設計了一款具有實時監(jiān)測報警功能的精量播種施肥監(jiān)控系統(tǒng)，并搭建了一臺單行播種施肥機試驗臺作為測試平臺。屏上可對株距、肥量、風壓參數(shù)進行設定，達到精量施肥播種的效果。試驗作業(yè)過程中的作業(yè)面積、作業(yè)速度、行播種數(shù)和施肥量等參數(shù)可通過顯示屏顯示。當出現(xiàn)缺種、堵種等問題時，控制系統(tǒng)將自動進行報警，相應的圖標也會由綠變紅進行提示。顯示屏上設有清除按鍵，可根據(jù)不同的實驗項目進行作業(yè)信息的清除復位，屏上還設有獨立電機開關，方便進行多種實驗測試，為后續(xù)設計單粒作物精量播種施肥機提供數(shù)據(jù)參考和實驗基礎。

1 整機結構與系統(tǒng)總體方案

本文所使用的試驗平臺外觀和部件組成如圖1 所示。為了使系統(tǒng)具有更強的擴展性和可移植性，系統(tǒng)采用模塊化設計，整個控制系統(tǒng)的設計理念如圖2 所示。

圖1 精量免耕玉米播種施肥機試驗臺結構展示圖Fig.1 Structure diagram of test bed for precision notillage corn seeder and fertilizer

圖2 控制系統(tǒng)整體設計框圖Fig.2 Overall design block diagram of control system

控制器是整個系統(tǒng)的核心大腦，負責實現(xiàn)傳感器、電機與顯示屏實時信息交互處理，當出現(xiàn)故障時，電機會第一時間將信息反饋給控制器，控制器會點亮顯示屏的故障圖標來進行報警提示；播種傳感器監(jiān)測導種管中玉米種子的排種狀況，通過脈沖信號發(fā)給控制器進行記錄和處理，控制器會通過CAN 總線實時監(jiān)測播種電機和口肥電機的狀態(tài)并將數(shù)據(jù)上傳到顯示屏上，方便用戶觀察。風機驅(qū)動模塊通過驅(qū)動風機工作使排種器的真空室產(chǎn)生負壓，當排種盤依托播種電機轉動時，種子會在真空室負壓的作用下被吸附，并隨排種盤一起轉動。當種子轉出真空室后，不再承受負壓，就靠自重或在刮種器作用下下落在溝內(nèi)，實現(xiàn)了排種器排種作業(yè)?？诜孰姍C安裝在肥箱下端的開口處，這樣肥料就能通過開口進入排肥軸，當口肥電機接收控制器指令工作時，肥料就會隨排肥軸的轉動從排肥口排出，完成排肥作業(yè)。

2 硬件電路設計

2.1 主芯片

本監(jiān)控系統(tǒng)設計采用STM32F103ZET6 作為MCU，該芯片在STM32F1 常用型號里面配置非常強大的，它擁有的資源包括：64 kB SRAM、512 kB FLASH、2 個基本定時器、4 個通用定時器、2 個高級定時器、2 個DMA 控制器（共12 個通道）、3 個SPI、2 個IIC、5 個串口、1 個USB、1 個CAN、3 個12 位ADC、1 個12 位DAC、1個SDIO 接口、1 個FSMC 接口以及112 個通用IO 口，是STM32F1 家族常用型號里面最高配置的芯片[9-10]。

2.2 電源電路

如圖3 所示是控制板中12 V 轉5 V 的電源電路。電路中加入了瞬態(tài)電壓抑制TVS 二極管SM8S33A 來保護電路，其允許的正向浪涌電流在TA=250C，T=10 ms 條件下，可達50～200 A。并且采用了TPS5456DDA 集成型高側MOSFET 的60 V、5 A 降壓穩(wěn)壓器來實現(xiàn)電路降壓輸入。

圖3 電源電路Fig.3 Power supply circuit

2.3 AD 采樣電路

如圖4 所示的AD 采樣電路在本設計中主要應用在風壓檢測上，其電路核心芯片為LM358運算放大器[11]。通過AD 采樣電路可將風壓變送器輸出的0～5 V 電壓信號轉變成相應的0～2.5 V電壓，然后傳到STM32F103 芯片的AD 模塊中進行處理。

圖4 AD 采樣電路Fig.4 Analog-digital sampling circuit

2.4 CAN 總線通訊電路

本文采用SN65HVD233DR 作為CAN 總線的收發(fā)芯片來實現(xiàn)電機與控制器的交互通訊，電路圖如圖5 所示。目的是即使在復雜惡劣環(huán)境下，依然可以保證各個模塊與控制器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性，并且其數(shù)據(jù)段長度最多為8 個字節(jié)，可滿足工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8 個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性，非常適合監(jiān)控設備的互連。在高頻信號傳輸時，由于信號波長相對傳輸線較短，信號在傳輸線終端會形成反射波，干擾原信號，所以在傳輸線始端加上了120Ω 終端電阻[12-15]。

圖5 CAN 總線接口電路Fig.5 CAN bus interface circuit

2.5 傳感器

傳感器采用了紅外傳感器和風壓變送器兩種。將紅外傳感器安裝在排種管中部的兩側，當有種子通過排種管時，種子會隔斷紅外線的接收，利用示波器捕捉接收板的脈沖信號就能看到如圖6 所示的效果圖[16-19]。通過控制器對脈沖信號的采集計算就能得到播種作業(yè)時下落的種粒個數(shù)。并且系統(tǒng)也會實時偵測脈沖信號的連續(xù)性和周期性，確保能及時對播種作業(yè)中出現(xiàn)的缺種、堵種等故障進行報警處理。

圖6 示波器脈沖波形圖Fig.6 Oscilloscope pulse waveform figure

風壓變送器安裝在風機到排種器的風管中，當風機正常工作時，風力通過風管直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，傳感器的內(nèi)部電阻發(fā)生變化，利用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這個壓力的標準信號，這樣通過對信號的監(jiān)測就可以計算出實時的風壓壓力，將這個值與用戶設定的風壓進行比較再去調(diào)節(jié)PWM 的輸出占空比，就能形成一個閉環(huán)調(diào)節(jié)反饋機制，達到穩(wěn)定輸出的目的[20-21]。

3 顯示觸摸屏設計

為了能更清晰直觀看到電機工作狀態(tài)和報警信息，本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)中配備了一個顯示觸摸屏，實物如圖7 所示。

圖7 顯示觸摸屏外觀實物圖Fig.7 Physical picture of display touch screen

顯示界面如圖8 所示。界面上設立了獨立電機開關，可以進行單個的電機實驗，還設有一個總開關可以確保播種、施肥同步協(xié)調(diào)工作。監(jiān)控系統(tǒng)會收集電機所反饋的信息并進行判斷，當出現(xiàn)缺種、堵種或者電機自身故障時會把對應的電機圖標由綠變紅進行報警提示并停止電機工作。電機運行時的溫度和轉速也在顯示屏上實時顯示，方便試驗人員觀察。單次作業(yè)完畢時，點擊界面的清零按鍵就會清除該次的作業(yè)信息，方便下次實驗數(shù)據(jù)的采集。

圖8 觸摸屏主界面Fig.8 Main interface of touch screen

操作者還可以在顯示屏上對株距、畝播肥量、風壓進行參數(shù)設定，只需點擊參數(shù)旁的方框欄，就會出來如圖9 所示的設置界面，點擊數(shù)字進行參數(shù)值設定，然后點擊確定鍵返回主界面，系統(tǒng)就會收到新的參數(shù)值并進行更新。

圖9 設置界面Fig.9 Setting interface

4 軟件設計流程

4.1 施肥量計算

該系統(tǒng)通過口肥電機上傳的轉速信息以及口肥電機齒輪轉動比，實驗所得出的電機轉一圈所下落肥量等數(shù)據(jù)的計算得到每公頃下落的口肥肥量，每公頃施肥量計算公式如下：

式中：Q——每公頃土地所需施肥量，kg/hm2；i肥——口肥電機齒輪轉動比；n肥——口肥電機反饋轉速，r/min；qr——口肥電機轉一圈下落肥量，kg；v——設定的機器前進速度，km/h；wf——幅寬，m。

4.2 轉速計算

用戶在設定株距的參數(shù)值后，控制器需要將株距參數(shù)量轉化成相應的播種電機的轉速值，播種電機的轉速計算公式如下：

式中：n播——播種電機轉速，r/min；i播——播種電機與排種器齒輪轉動比；d株——設定株距，cm；v——設定的機器前進速度，km/h；N孔——排種盤吸種孔個數(shù)，個。

4.3 設計流程

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計流程如圖10 所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.10 System software flow chart

上電后，系統(tǒng)將進行初始化操作，并設定參數(shù)變量，進入定時中斷。系統(tǒng)通過接收種子傳感器發(fā)過來的脈沖信號計算播種數(shù)，同時會把口肥電機上傳的轉速信息進行公式計算得到施肥量，并與播種數(shù)、播種電機和口肥電機的溫度、運行狀態(tài)、轉速值一起發(fā)送到顯示屏上進行顯示。操作者設定的株距、每公頃肥量一方面會通過串口通訊模塊反饋到顯示觸摸屏上顯示，另一方面系統(tǒng)會對參數(shù)值進行算法處理得到相應的電機轉速值，并通過CAN 通訊模塊發(fā)送給電機進行工作。此外，系統(tǒng)還會將風壓變送器發(fā)送過來的信號量進行處理并與設定的風壓值進行比較，形成閉環(huán)反饋。將比較后修正過的風壓參數(shù)量轉換成相應的PWM 占空比值來調(diào)節(jié)風機驅(qū)動板輸出工作。顯示屏上還設有獨立電機開關，當某個電機或者風機啟動按鍵被激活時，系統(tǒng)將自動發(fā)送狀態(tài)指令給電機使其工作或停止工作。

5 試驗

5.1 風壓設定試驗

在本次試驗中，由于通過風管連接排種器和風機，所以實際風壓會存在誤差。將風壓變送器安裝在靠近排種器一端的風管內(nèi)，測量風機輸出的實際風壓并與設定風壓相比較，計算出相對誤差。風壓詳細測量數(shù)據(jù)和結果見表1，表內(nèi)測量風壓值為機器運作后1 min 內(nèi)風壓變送器所測風壓值的平均值。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)風壓試驗結果Tab.1 Monitoring system wind pressure test results

通過表1 可以看出設定風壓與測量的實際風壓的誤差控制在1.2%以內(nèi)，對排種器排種作業(yè)影響較小，符合玉米播種作業(yè)要求。

5.2 株距試驗

在顯示屏上對株距參數(shù)量進行設定并啟動播種電機進行播種作業(yè)，通過測量試驗臺下方播種帶種粒之間的間距來得到玉米播種時的實際株距。實際測量結果為10 次連續(xù)實驗取其平均值。株距試驗的詳細測量數(shù)據(jù)和結果見表2。

表2 監(jiān)控系統(tǒng)株距試驗結果Tab.2 Results of plant spacing monitoring system

由表2 可知，株距誤差控制在4%以內(nèi)，且主要由排種器內(nèi)部結構所致，說明整套播種系統(tǒng)算法精確度高，傳感器性能優(yōu)良，可在后續(xù)設計玉米播種施肥機監(jiān)控系統(tǒng)上進行應用。

5.3 漏播率監(jiān)測精度試驗

試驗以自然漏種的方式進行。設定播種的株距為 25 cm，并啟動播種電機進行播種實驗。試驗中通過人工觀察播種，統(tǒng)計實際的漏播次數(shù)并與系統(tǒng)的報警數(shù)進行比較，計算得到真實的漏播率參數(shù)，重復試驗6 次，各次試驗數(shù)據(jù)如表3 記錄所示。

表3 漏播率監(jiān)測精度試驗結果Tab.3 Test results of monitoring accuracy of miss seeding rate

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，精量播種監(jiān)測系統(tǒng)的播種監(jiān)測精度在96%以上，漏播率相對誤差控制在4%以內(nèi)。試驗后在種箱內(nèi)放入玉米籽粒再進行下一步的播種試驗時發(fā)現(xiàn)，漏播未報警的狀況是由于上一個種子從排種管排出時，下一個種子還處在傳感器的報警延遲范圍內(nèi)，所以導致種子漏播時未能成功報警。但這種現(xiàn)象在一段時間內(nèi)只會出現(xiàn)一次且不連續(xù)。若縮短這種報警延遲時間，會導致系統(tǒng)頻繁報警，一定程度上會影響實際播種作業(yè)的工作效率，所以目前可以對此不做調(diào)整。

6 結語

設計了單行精量播種施肥機試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)的株距誤差率控制在4%以內(nèi)，風壓誤差控制在1.2%以內(nèi)，漏播率監(jiān)測精度在96%以上，滿足目前玉米精量播種施肥的需求，具有報警系統(tǒng)準確高效、電機工作穩(wěn)定可靠、顯示觸摸屏設計簡單、操作方便等特點。有效解決了在作業(yè)過程中出現(xiàn)的缺種、漏種等問題，為解決過去農(nóng)田大面積少播、漏播等問題提供了實驗價值和數(shù)據(jù)參考，也為后續(xù)試驗玉米播種施肥機相關傳感器精度方面以及測試電機驅(qū)動性能方面提供了試驗環(huán)境和試驗平臺，對今后農(nóng)機智能化的發(fā)展提供實驗基礎。