馬鈴薯播種機漏播監測與補種系統設計研究

李 平,馮 偉,張先鋒,鐘魏然,王 攀,崔晉波

(1.重慶市農業科學院,重慶 401329;2.四川省農業機械研究設計院,成都 610066)

0 引言

馬鈴薯是我國第4大糧食作物,每年種植面積600萬hm2以上,位居全球第一[1]。隨著機械化程度的推進,馬鈴薯已經基本實現了耕整地、播種、中耕管理、收獲環節的機械化作業。按照現有農藝要求,馬鈴薯種薯都采用切塊種植,在切塊過程中導致種薯的大小不一,造成了現有馬鈴薯播種機出現漏播、重播、株距變異等問題,嚴重影響了馬鈴薯的產量,制約了馬鈴薯產業的快速發展。

針對馬鈴薯播種機漏播的問題,國內外學者都進行了相關研究,主要體現在漏播監測和補薯機構兩個方面。劉樹峰等人設計了一種采用激光傳感器的馬鈴薯漏播監測裝置,并在種箱旁邊設計了1個由電機驅動的外槽輪式的補薯裝置,但對馬鈴薯的外形尺寸要求較高,存在種薯夾傷、重播和株距變異的問題。甘肅農業大學鞏自衛等人采用激光傳感器進行漏播監測和漏播補償控制系統的設計,其對環境的清潔度要求較高,在實際應用過程中會因為塵土太嚴重導致監測系統失效。甘肅農業大學王關平等人基于單向離合器、通過干簧繼電器觸發紅外漏播監測系統的補薯裝置,結構較為簡單,單向離合器很好地解決了兩種動力隨意切換的問題;但在執行補薯作業時電機高速運轉,在進行馬鈴薯補薯的同時也縮短了在種箱對取種勺的充種時間,會造成取種勺空勺的情況。孫偉等人設計了一種加強型漏播檢測及以擊打強排為手段的速動補種系統,基本解決了補薯過程中株距變異的問題;但專用的補種箱依然存在,在擊打部位容易出現堵塞和種薯損傷的問題。

綜上所述,馬鈴薯漏播監測系統的研究已經較為成熟,且監測準確率也很高,只需在可靠性和實用性進行相關改進即可;而補薯機構雖然采用了不同的結構和驅動形式,但是均存在傷薯率高、株距變異大、堵塞等多種問題,一直處于研發階段,并沒有推廣。為此,針對以上的問題,設計了一種基于雙紅外線的傳感器漏播監測系統而播種機構采用了單行雙鏈的勺鏈式取種機構,一行用于正常播種,另一行用于馬鈴薯漏播補薯,通過補薯電機的驅動可以實現馬鈴薯播種作業的精確補薯,解決了馬鈴薯補薯堵塞、株距變異大及傷薯率高的問題。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

馬鈴薯智能補薯裝置由兩部分構成(見圖1):一是種薯漏播監測系統,由永磁體磁鋼、霍爾傳感器、紅外線發生器、紅外線接收器、DA模塊、運算控制器等主要部件組成;二是種薯補薯裝置,由勺鏈式取種勺、步進電機、傳動機構等主要部件組成。

1.種箱 2.補薯驅動電機 3.取種勺 4.驅動鏈條 5.護種槽 6、9、14、17霍爾傳感器 7、10、15、18 紅外發射管 8、11、16、19紅外接收管 12.地輪驅動軸 13.地輪 20.切塊種薯 21.小磁鋼圖1 馬鈴薯漏播監測與補薯播種機整機示意圖Fig.1 Schematic diagram of potato missing sowing monitoring and potato supplement planter

1.2 工作原理

馬鈴薯種薯漏播監測裝置采用了基于紅外線的光電傳感器,在每個取種勺安裝有1個磁鋼,在紅外線傳感器旁邊安裝有1個霍爾傳感器;當帶磁鋼的取種勺經過霍爾傳感器時,觸發紅外光電傳感器工作進而啟動漏播監測系統;當紅外線接收器未收到有光時,系統判定取種勺有種薯,不啟動補薯機構;當紅外線接收器接收到光時,系統判定取種勺未有種薯,立即將補薯信號發送到執行端,驅動補薯機構精確補薯。

馬鈴薯補薯裝置由勺鏈式補薯機構、驅動電機、張緊裝置及種箱等組成,主播鏈由地輪動力驅動,補薯鏈采用電機驅動,并在補薯機構的下薯端(即離地最近的取種勺背面)也設置有漏播監測。其工作原理與漏播監測一樣,當補薯鏈的下薯端檢測到有漏播時,驅動電機按照設定的速度進行補薯,保證在每一個下薯端的取種勺背面始終都有1個種薯。這樣設計的優點如下:一是可以實現在播種機剛開始下地工作時補薯機構會自動工作,直到補薯下薯端始終有種薯才停止準備;二是在播完時可以通過機構運轉把機具里面的所有馬鈴薯清除干凈,減少人工勞動量;三是播種機的補薯下薯口和主播種下薯口共用,保證了在補薯工作時可以實現既定農藝要求的株距和行距。

2 關鍵部件設計

2.1 漏播監測系統設計

2.1.1觸發模塊設計

觸發模塊相當于是漏播監測系統的開關,主要起通斷電路的作用,其安裝示意圖如圖2所示。

播種作業過程中,由于機具的振動和環境灰塵都較大,需要選擇抗振性能好和靈敏度高的霍爾傳感器。在此,選用TB-5002C型霍爾傳感器,它為新型開關式傳感器,輸入電壓為12～24V,工作電流2～20mA,具有結構簡單、體積小、響應時間短、防水防塵和壽命長等優點;選擇規格為20mm×20mm×10mm的Y30鐵氧體磁鋼,當安裝在取種勺的磁鋼離霍爾傳感器10mm時霍爾傳感器輸出導通。霍爾傳感器的控制電路如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器控制電路Fig.3 Hall sensor control circuit

2.1.2 漏播監測模塊設計

漏播監測的信號采集模塊主要集中在紅外線發生器和紅外線接收器上,安裝位置分別為主播種鏈和補薯鏈下種處。由于馬鈴薯在切塊后都會伴有粉末性消毒藥品,另外在播種過程中存在較大的灰塵,因此紅外線傳感器要選擇對塵土穿透性好的紅外線發生器和靈敏度高的紅外線接收器。紅外光敏二極管的光譜特性與紅外發光管發射的近紅外線的光譜重合,能獲得很高的光電轉換效率,且響應迅速,不容易受到雜散日光的影響;近紅外線波長在 0.75～2.0μm之間,因而對灰塵、灰幕的穿透力較強,可以保證檢測的可靠性[3];此外,近紅外管價格便宜、容易購買。因此,紅外二極管和紅外光敏二極管組合較適合馬鈴薯漏播檢測。其中,紅外光敏二極管和紅外發光二極管組合的光電傳感器可對取種勺內種薯的有無進行監測。控制電路如圖4所示。

圖4 光電傳感器控制電路Fig 4 Photoelectric sensor control circuit

馬鈴薯播種作業時,面對種薯的直徑相差較大和取種勺遮擋等實際存在的問題,選擇了3個紅外光敏二極管,每個紅外光敏二級管的安裝距離為1.5cm,目的是降低在監測過程中系統的誤判率。當且僅當3個紅外光敏二極管都接收到紅外光線時,系統才會判定取種勺缺種,系統處理器通過不間斷地讀取紅外光敏二極管的引腳狀態來識別。紅外線發射和接收裝置安裝示意圖如圖5所示。

圖5 紅外發射和接收裝置安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of infrared transmitting and receiving device

圖6 AT89S51雙列直插封裝方式的引腳Fig.6 Pins of AT89S51 dual in-line package

2.1.3運算模塊設計

本文的運算控制模塊需要同時進行主播種鏈和補薯鏈等各種機構的信息讀取,并通過運算驅動補薯電機的精準運行。在西南丘陵山區大壟雙行的農藝種植模式下,采用以AT89S51單片機為核心的運算模塊,其相比AT89C51增加了掉電標志。AT89S51單片機是一種高性能CMOS8位單片機,標準兼容MCS-51指令系統及80C51引腳結構,芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元,擁有4K Bytes Flash片內程序存儲器、2個16位可編程定時計數器;計時器和計數器功能較為強大,其補薯動作的命令很容易通過編程來控制,有效地解決了運算速度與總系統之間的矛盾問題,且該單片機非常成熟,可靠性高且穩定性好,滿足在田間播種惡劣的工況需求。雙列直插封裝方式的引腳如圖5所示。

2.2 補薯機構設計

補薯機構的作用是在系統發出補薯信號后,驅動電機在規定的時間完成精準補薯動作,本文的補薯機構采用和主播種鏈一樣的結構。由于勺鏈式取種機構鏈條足夠長,其補薯動作屬于間斷性工作且有足夠的充種時間,大大提高了補薯機構的作業效率,降低了補薯機構的漏播監測系統運算量。補薯機構的漏播監測裝置安裝在補薯機構離地最低的取種勺背面,當監測機構發現補薯鏈取種勺背面沒有種薯時,隨即驅動補薯電機,將下一個取種勺代替現有的取種勺,始終保持取種勺的背面有種薯待命。在驅動機構中,步進電機的轉速和轉角在補薯機構上具有十分重要的作用,關系到取種勺的充種時間和種薯的精準到達播種點。本文取重慶地區現有馬鈴薯種植密度的平均值4000株/667m2,播種壟面寬度為0.7m,壟溝的寬度為1m,株距約為0.25m,中小型馬鈴薯播種機的播種速度為2～5km/h;勺鏈采用12A鏈條,鏈條的節距為12.9mm,每6節布置一個種勺;鏈輪選用齒數為22齒。通過簡單的計算得知,勺鏈式排種器的工作線速度為0.43～0.86m/s。

考慮到步進電機的驅動電源為拖拉機電瓶供電,故步進電機工作電壓范圍選擇在0～36V。在12V電壓工況下,其振動和噪音都較其他工況更為理想,工作狀態較為穩定。在工作中所驅動的勺鏈在滿載情況下,設切塊馬鈴薯種薯的平均質量為50g,驅動鏈條的長度為1.45m,鏈輪的參數為12A,齒數為22齒,每6個鏈節安裝一個馬鈴薯取種勺。馬鈴薯補薯裝置工作側面示意圖如圖7所示。

1.切塊種薯 2.取種勺 3.驅動鏈輪 4.下薯口圖7 馬鈴薯播種機補薯裝置側面示意圖Fig.7 Side diagram of potato supplement device of potato planter

由圖7可知:馬鈴薯補薯機構的左右兩端取種勺在一般情況下種薯是均勻分布的,按照馬鈴薯種薯切塊要求,其種薯的質量相差不超過20%。因此,驅動鏈輪左右兩端取種勺累加起來所受的馬鈴薯重力均是豎直向下,理論上它們產生扭矩相互抵消。該鏈輪的驅動扭矩為取種勺中種薯累計質量差加上取種勺在種薯箱運動所受的摩擦力與鏈輪半徑的積。按照本文設計的馬鈴薯種箱高度為1.3m,在種薯滿載的情況下,經過現場測試取種勺在種薯箱中運動的平均摩擦力為74.6N,鏈輪的節圓直徑為127.82mm,考慮到種薯的左右鏈條兩邊種薯質量差,取放大系數為2,通過計算可得

式中F—取種勺運動的摩擦力(N);

d—鏈輪的節圓直徑(m);

μ—放大系數。

計算可得,取種勺驅動電機的扭矩T=9.54N·m。帶入功率計算公式,可得

式中T—驅動電機的扭矩(N·m);

n—電機的轉速(r/min)。

帶入公式,計算出電機的功率為79W。考慮到電機在極限工況下由于薯箱種薯的排列和極限工況電機的過載因素,最終確定選擇電機的功率為200W,工作電壓為12V,以盡量保持拖拉機發電系統的電量補充與消耗的平衡。

在補薯執行機構的運動過程中,為了保證補薯機構下種位置與主播種機構的下薯位置一致,采用了主播種下薯口和補薯機構下薯口共用的方法,且在外形尺寸上保持一致,尤其是與下薯驅動鏈的高度保持一致,以保證執行補薯作業時補薯下薯的位置與主播種鏈的下種位置保持一致,確保株距不改變。馬鈴薯播種機下薯口的結構示意圖如圖8所示。

1.補薯驅動電機 2.霍爾傳感器 3.紅外發射管 4.補薯驅動鏈條 5.紅外接收管 6.下薯口 7.主播種驅動鏈條 8.種箱圖8 馬鈴薯播種機下薯口的結構示意圖Fig.8 Structural diagram of lower potato mouth of potato planter

2.3 軟件系統流程設計

根據功能要求,馬鈴薯漏播監測系統的工作流程如下:第1個過程為通電后完成系統的初始化,然后對各個系統進行自檢,如果系統自檢出現故障,將會點亮對應系統的故障燈,并以聲光報警提示用戶,自檢完成無問題后進入待機狀態;第2個過程為系統對補薯鏈上的取種勺種薯有無進行判別,若系統判定為無種薯,則通過步進電機驅動補薯鏈帶動取種勺運動,直到補薯監測系統監測到取種勺上有種薯為止,完成上述過程后系統進入待命狀態;當系統接到啟動監測命令后,監測系統對主播種鏈和補種鏈上的取種勺有無種薯進行判別,當檢測到主播種鏈取種勺上無種薯時,在取種空勺到達播種位置后步進電機驅動補薯機構精準地將種薯補在應播種位置,并將補薯的次數進行累計。軟件系統的開機流程圖和系統工作流程圖如圖9、圖10所示。

圖9 軟件系統開機流程圖Fig.9 Software system startup flow chart

圖10 軟件系統工作流程圖Fig.10 Work flow chart of software system

3 播種性能試驗與結果分析

試驗選取的地塊為重慶市農業科學院建立的“西南馬鈴薯全程機械化示范基地”,其試驗條件如表1所示。

表1 試驗條件Table 1 Test conditions

試驗分別測試該機具在不同升運鏈速度下的正常播種率、補種成功率、總播種成功率。試驗選取的播種長度為100m,馬鈴薯種薯和補薯數量若干。其中,補薯采用紅色顏料浸泡以區分正常播種的馬鈴薯,在升運鏈速度為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8m/s的情況下,分別采集正常播種數、漏播數、補償播種數,以此計算馬鈴薯播種機的正常播種率、補種成功率、總播種成功率,即

試驗中,為了獲得更加有效的數據,每個升運鏈速度測試3次,最后取3次的平均值作為行走速度的各項測試數據。播種農藝按照重慶本地馬鈴薯機播種植的技術要求,即馬鈴薯種植密度平均值為4000株/667m2,播種壟面寬度為0.7m,壟溝的寬度為1m,株距約為0.25m。在試驗中取數據較為平穩的一段作為本次試驗數據,如表2所示。

表2 不同播種速度下測定數據Table 2 Measured data under different sowing speeds

由表2可以看出:在沒有加裝漏播監測及補薯裝置的情況下,勺鏈式馬鈴薯播種機的正常播種率為78%～91%,且隨著升運鏈速度的加快正常播種率不斷降低,屬于正常農藝作業要求;當該播種機的升運鏈速度為0.4m/s時正常播種率為91%,這是由于在低速時取種勺有足夠的充種時間,因此其漏播率較低。在加裝了漏播監測及補薯系統后,當升運鏈速度在0.4～0.6m/s之間時都具有較好的補薯效果,總播種成功率均為99%;但在升運鏈速度繼續上升后,隨著主播種鏈的漏播率越來越高,補薯鏈的作業量也急速增加。由于同樣采用的勺鏈式取種機構,也存在漏播的情況,當播種機的升運鏈速度超過0.7m/s時,補薯鏈的漏播率也急速提升,此時播種機的總播種成功率也在急速下降。綜上分析,該勺鏈式馬鈴薯播種機的最佳升運鏈速度為0.7m/s。

4 結論

1)設計的馬鈴薯播種機采用的單行雙鏈式結構,在一定程度上增加了馬鈴薯播種作業時取種勺的充種時間,尤其是補薯鏈的充種時間,極大地減少了補薯機構運行時造成的漏播情況。在本次試驗過程中,馬鈴薯播種機的升運鏈工作速度可以提高到0.7m/s,取得了較好的試驗效果。

2)搭載了單行雙鏈式的馬鈴薯播種機,在系統開機后便完成自檢,隨即啟動補薯鏈取種勺的漏播監測,即在作業之初補薯機構便會自動工作,直到補薯機構的取種勺有馬鈴薯種薯時再進入待命狀態,縮短了工人的準備時間,同時提高了工作效率。另外,在作業完成后,可以通過控制電機連續運行將補薯機構的所有種薯清除干凈,以便于機具的存放,具有較好的應用價值。