玉米播種機全自動控制系統的優化分析

劉 凱

（山東華宇工學院，山東 德州 253000）

播種是玉米種植的基礎環節，對后期產量和種植質量具有直接性影響。利用單片機、傳感器等硬件設備，實現株距控制等方面的優化，為玉米產業生產水平提升起到積極的促進作用。

1 全自動控制系統的概念和基本組成

在當前工農業及制造業生產流程中，基于機電技術、PLC程序、伺服控制系統、變頻控制系統的綜合作用，實現被控制對象的自動化運行，并且某一環節工藝條件變化時，系統會以自動調節方式，將運行工藝數據調整至要求范圍內，從而實現系統的正常運行。根據控制原理的不同，可以將全自動控制系統分為開環控制系統和閉環控制系統。在當前設計體系中，全自動控制系統主要由控制器、被控對象、執行機構和變送器四個基本部分組成。

2 播種機的結構及運行原理

根據設計原理的不同，玉米播種機的具體結構也有所偏差，但是其主體結構通常都是由播種箱、步進電機、平衡輪、排種結構、驅動電機及相應的輔助裝置組成。在作業人員設定操作參數后，步進電機和驅動電機開始驅動播種機向前運動，并同時驅動排種裝置開始工作。為確保播種質量滿足玉米種植和生長的基本要求，排種檢測裝置能夠實時監測排種情況，確保種子下落數量和頻率能夠保持穩定。開溝器和排種器則是完成翻土和埋種作業的主要設備，能夠將種子播種在合適的位置。

3 控制系統的硬件設計

3.1 單片機模塊

目前市面上單片機種類較為復雜，為更好的確保控制系統穩定運行，根據播種機運行需要，綜合考慮性能、功耗及運行環境等因素影響，本設計方案中，選擇Texas instruments公司MSP430F5438型號單片機。該型號單片機具有 256KB 閃存、16KB SRAM、12 位 ADC、DMA、UART/SPI/I2C、計時器和硬件乘法器的 25MHz MCU，能夠較好的滿足設計要求。

3.2 測速傳感器模塊

測速傳感器主要是為控制系統指令優化提供基本依據，為確保系統控制精度達到設備運行基本要求，必須確保采集數據的準確性和穩定性。當前單片機主要是接收數字信號或高低電平信號，以此測速傳感器也應當選取具有此功能的設備。其元件結構主要包括霍爾半導體元件、永久磁鐵、擋隔磁力線的葉片等部分。

將單片機P1.1端口與傳感器輸入端口D0連接在一起，就可以利用磁極的位置轉變，輸出不同的高低電平信號，通過脈沖個數和定時時間參數的設定，計算出播種機前輪轉速并將其轉換為播種機前進速度，實現播種流程的控制。

3.3 步進電機驅動模塊

步進電機能夠將電脈沖信號轉變為角位移或者是線位移，并具有無累積誤差的特點，被廣泛應用于工農業設備生產和改造方面。由于玉米播種機設備運行環境影響，在選用步進電機時，需要確保其輸出轉矩和動態性能滿足實際運行要求。步進電機無法直接利用直流或交流電源進行控制，需要配備專門的驅動器，能夠較好的避免設備運行中出現過載情況。

3.4 聲光報警模塊

在播種機運行過程中，由于設計、操作及環境因素影響，常會出現不同類型故障，因此需要設置對應的聲光報警模塊。報警形式分為蜂鳴器聲音報警和發光二極管報警兩種方式，在傳感器接收到故障信息后，將信號傳輸至軟件程序中，程序根據預先設定的信號處理要求，對故障類型進行判斷，并發出聲音和燈光閃爍報警。

4 驗證與分析

4.1 試驗驗證

試驗驗證設計是將傳統播種株距測試與優化后的播種株距測試結果相對比，具體方案如下。

試驗方法：在同一粒距長度和播種株距設定條件下，以傳統播種機和優化后的播種機為試驗對象，分別測量前進速度1、2、3米/秒時兩種播種機的株距合格指數和漏播指數。為確保試驗結果準確性，采用3次重復試驗并取平均值的方式為最終結果。將兩種播種機的測試結果進行對比，對優化結果進行驗證。

試驗參數設計：播種長度為400粒距長度，播種株距設定為20厘米。

試驗結果：根據3次重復試驗結果，傳統播種機和優化后播種機的試驗結果數據如表1所示。

表1 傳統播種機與優化后播種機試驗數據對比

從試驗數據分析，經過優化后的播種機，在株距合格指數和漏播指數方面，相對于傳統播種機都有明顯提升。

4.2 優化要點分析

通過對傳統播種機進行硬件和軟件程序方面優化，設計出具有良好運作水平的設計方案，能夠實現玉米播種機的全自動控制，有效提升播種精度，減少播種株距不均勻及漏播現象對玉米種植產量影響，降低農業生產過程中的人力資源投入，有效提升玉米產業生產效益。