種子清選機自動控制系統的研究

劉玉紅

(雙遼市柳條鄉綜合服務中心，吉林 雙遼 136400)

0 引言

農作物種子清選是實現作物的高產穩產及農作物新品種培育與推廣的重要基礎條件[1]。種子清選主要是指對收獲后的種子進行分類、清選與分級，將破碎、受損和不成熟的種子及雜草、泥沙等進行分離，為作物生長提供良好的基礎條件，實現作物增產[2]。

隨著現代化種業的發展，對農作物新品種選育的規模越來越大，在田間試驗前需要對種子進行分級與清選，目前主要依靠種子清選機進行簡易清選，存在勞動強度大、工作效率低等問題，通用種子清選設備存在種子易殘留和種子清選耗時過長等問題。近年來，隨著農業機械自動化和智能化發展，提升農業機械自動化水平對于實現農業現代化發展具有重要意義[3]。

1 控制系統設計

種子清選機自動控制系統方案如圖1所示。本研究選取STM32控制器為數據控制核心，完成多項傳感器數據處理與作業過程自動控制，人機交互界面選取DMT80600T104實現人機交互操作與界面展示，方便工作人員進行參數設定，并實時監測種子清選機工作狀況，控制系統工作流程如圖2所示。

圖1 種子清選機控制系統結構示意圖

圖2 種子清選機自動控制流程圖

在種子清選機自動控制系統中采用3對光電傳感器(GF-NA22)進行工作參數信息監測，主要包括物料料位信息(S1)、篩片前端物料信息(S2)、篩片末端物料信息(S3)，其中，Si=0表示無物料，Si=1表示有物料，i=1,2,3分別表示料斗料位、篩片前端和末端種子清選信息。控制策略如表1所示。

表1 種子清選機自動控制系統控制策略

2 控制系統硬件設計

2.1 STM32控制系統

選取STM32-F407ZGT6處理器為控制中心，實現對光電傳感器信號、傾角傳感器及種子清選機各個組成部分工作信息的采集與決策。STM32-F407ZGT6是一款微控制器單元，基于高性能ARM Cortex?-M432位RISC內核，工作頻率高達168 MHz。Cortex-M4內核具有浮點單元(FPU)單精度，支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型，實現了全套DSP指令和增強應用程序安全性的內存保護單元(MPU)。所有器件均提供3個12位ADC、2個DAC、1個低功耗RTC、12個通用16位定時器，包括2個用于電機控制的PWM定時器、2個通用32位定時器，主要規格參數如表2所示。

表2 STM32-F407ZGT6處理器技術參數與規格

2.2 人機交互模塊

人機交互模塊采用迪文DGUS串口屏進行系統開發，主要包括登錄頁面、菜單界面、參數設施和提示信息等功能。種子清選機各個裝置的主要參數調節范圍如表3所示。

表3 不同裝置參數調節范圍

2.3 給料速度控制方法

種子清選機給料速度通過數字變壓器(SDVC31-M)進行電壓調控，電壓與給料速度對應關系滿足以下二次多項式擬合方程

y=2 820.1x2-12 111x+14 358

(1)

式中y—給料速度，g·s-1；

x—PF7端口電壓，V。

2.4 振動頻率控制方法

種子清選機振動頻率主要通過改變篩面驅動電機轉速進行調節。MOS(MOSFET)管輸出電壓由式(2)確定

(2)

式中U1—MOS管輸出電壓，V；

UM—MOS管供電電壓值，24 V；

UM1—MOS管輸入電壓最大值，5 V。

篩面驅動電機轉速最高可以達500 r·min-1，此時最大振動頻率為8.3 Hz，此時篩面振動頻率fs由式(3)進行計算

(3)

2.5 篩面傾角控制方法

篩面傾角采用BWD-VG227傾角傳感器進行調節，控制中心基于RS485通訊方式進行傾角傳感器信號的讀取，與提前設定的傾角參數進行對比分析，達到傾角后電機停止工作。

3 控制系統的試驗與分析

以玉米種子為試驗材料開展種子清選機給料速度、篩面傾角和振動頻率的控制與試驗分析。

3.1 給料速度

給料速度依次選取45 g·s-1，50 g·s-1，55 g·s-1，60 g·s-1共4個水平開展試驗，每組試驗重復3次取平均值并按式(4)計算變異系數。試驗結果如表4所示。結果表明，不同給料速度下最大誤差范圍為1.2～2.1 g·s-1，最大變異系數為2.2%～3.2%，均滿足種子清選要求。

表4 給料速度控制試驗結果

(4)

式中CV—變異系數，%；

S—標準差；

x—各試驗結果值；

N—重復試驗次數。

3.2 篩面傾角

傾角調節范圍為4°～7°，步長為0.5°，每組試驗重復3次取平均值并計算變異系數。試驗結果如表5所示。不同傾角調節角度下最大誤差和變異系數滿足實際生產要求。

表5 傾角控制試驗結果

3.3 振動頻率

根據不同種子篩分所需的振動頻率設定5 Hz，6 Hz，7 Hz，8 Hz為實驗條件，每組試驗重復3次取平均值并計算變異系數。試驗結果如表6所示。不同振動頻率下最大誤差范圍為0.10～0.23 Hz，最大變異系數為1.4%～2.6%，均滿足種子清選要求。

表6 振動頻率控制試驗結果

4 結論

針對目前種子清選效率低、勞動強度大等問題，基于ARM嵌入式技術設計一種種子清選機自動控制系統，并對核心部件與進行系統論述與選型，基于給料速度、篩面傾角和振動頻率進行系統驗證與分析，試驗結果表明，各項參數可以滿足種子清選機的工作需求。