型孔輪式水稻排種器排種監控系統設計

2015-04-07 14:24:02李旭等

湖北農業科學 2015年3期

李旭等

摘要：針對型孔輪式水稻排種器展開了排種監控系統研究，利用紅外光電傳感器采集種子在輸種管內的流動信息并轉換輸出相應的電信號，由單片機實時監測電信號的變化，實現對排種狀況的監控。設計降低了播種機的漏播和重播現象，提高了播種質量和播種效率。

關鍵詞：排種器；漏播；重播；紅外檢測

中圖分類號：S223.2+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0693-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.049

Design of Sowing Monitoring System of Type Hole Wheel Seed Metering Device

LI Xu1a，2， XIE Fang-ping1a，2， LIU Da-wei2，1b， LIU Rong-ce3

（1.Hunan Agricultural University， a.College of Engineering； b. Institute for New Rural Development， Changsha 410128， China； 2.Hunan Modern Agricultural Equipment Engineering and Technology Research Center， Changsha 410128， China； 3.Hengyang Finance Economics and Industry Polytechnic， Hengyang 421002， Hunan， China）

Abstract： The sowing monitoring system of type hole wheel seed metering device was designed and investigated. The floating information of the seeds in the seed drop tube was cellected by infrared photoelectric sensor， and then changed into electrical signal. The change of the electrical signal could be monitored by single chip microcomputer so as to monitor the seed metering device. The seeding absence and rebroadcast were decreased with the high seeding quality and efficiency under the system.

Key words： seed metering device； seeding absence； rebroadcast； infrared detection

水稻是中國種植面積最大、單產最高、總產量最多的糧食作物，水稻生產在中國糧食生產中占有極其重要的地位。水稻直播則是發展水稻生產的重點方向[1]。水稻機械直播技術主要是針對傳統手工撒直播技術存在的不足，利用水稻直播機具，通過機械化條播把稻種播入大田，解決了手工無序撒播存在的群體質量難控制和倒伏嚴重等問題，有利于高產且抗倒伏效果好，可以顯著降低種植勞動強度，有助于實現水稻生產的全程機械化[2]。直播前農藝上水稻種子要求浸種、破胸露白，甚至出芽等，所以水稻直播機的排種器比一般谷物排種機的要求更高[3]。當前，水稻直播機是否出現漏播主要依靠操作手的觀察，往往因為發現不及時造成漏播，導致稻田基本苗數不足，影響水稻生產效益。在此基礎上再補種，費時費力，既耽誤了播種時間，也增加了生產成本[4]。為了提高水稻種子直播的質量，降低播種過程中出現的漏播和重播等情況，設計了一種基于型孔輪式水稻排種器的排種監控系統。

1 系統結構與工作原理

1.1 系統結構

該排種監控系統由微控制器、紅外傳感器電路、由按鍵和顯示電路構成的人機交互界面、報警電路和電源電路組成。系統結構圖如圖1。

1.2 排種系統的組成及監控系統工作原理

現有的水稻直播機排種器有外槽輪式、窩眼式、型孔帶式、氣力式和型孔輪式等。原理和結構上各有不同，但工作過程均包含充種、清種、護種和投種四個環節[5]。圖2是型孔輪式排種器的裝置圖，排種系統由種子箱、側板、刮種裝置、排種輪、穴孔、排種管及紅外光電傳感器等組成。種子箱內的種子在重力及種子間的作用力作用下充入排種輪上的穴孔內，每個穴孔的種粒數量為1～3粒[6]。排種輪在動力驅動下轉動，帶動穴孔內的種子運動，刮種裝置將穴孔外的種子刮離穴孔，穴孔內的種子在重力的作用下落入排種管，種子在斜置的排種管內實現排序后依次流經紅外光電傳感器，由此實現播量的精確檢測。系統工作時利用單片機定時器提供38 kHz載波信號，由I/O口輸出驅動紅外傳感器發射裝置向外發射38 kHz的紅外信號；紅外傳感器接收裝置在接收到紅外信號時輸出端狀態為低電平信號，反之輸出高電平信號，根據輸出端的電平狀態可判斷是否有種粒經過檢測端。紅外傳感器接收裝置的輸出端連接單片機微控制器的外部中斷引腳，當有種粒通過傳感器時便觸發單片機的中斷系統進行相關處理，實現微控制器對傳感器電路的實時監測，監測結果最終以種粒數量體現出來，在顯示器上實時顯示；同時，微控制器可進一步計算出相鄰種粒的播種時間間隔，通過與設定時間的比較，從而判斷是否發生漏播和重播等故障，若發生故障則驅動報警電路發出警告，提醒操作人員進行故障處理。

2 系統硬件設計

2.1 系統電源電路設計

控制系統需要5 V的直流電壓，設計利用拖拉機發電機輸出的12 V的直流電壓[7]，通過7805穩壓電路得到需要的5 V直流電壓，電路簡單可靠，如果采用直插元件輸出電流可達到1.5 A，貼片元件則輸出電流可達到1.0 A，滿足控制系統的要求，電路圖如圖3。

2.2 紅外發射接收電路

控制系統中紅外傳感器電路由紅外發射電路和紅外接收模塊組成。紅外發射電路的電路原理圖如圖4，三極管9014的基極連接單片機的I/O口，通過軟件編程由單片機I/O輸出38 kHz的方波信號，控制9014的導通與斷開，從而驅動紅外發射管輸出38 kHz的紅外信號。

接收模塊選用TL0038，其引腳說明圖和電路連接圖如圖5所示。TL0038是集紅外信號接收放大為一體的接收器，包含紅外接收管、帶通放大器、檢波和脈沖整形電路。其中心接收頻率為38 kHz，輸出為TTL電平。其工作原理是當發射管和接收管之間沒有種粒通過時，紅外接收管接收到紅外信號，輸出低電平；當發射管和接收管之間有種粒阻礙時，紅外接收管截止，輸出高電平。因而，通過檢測其輸出電平便可判斷下種管是否有谷粒通過[8]。

2.3 人機交互電路

人機交互電路包括按鍵電路和顯示電路。按鍵電路為常用的4行4列的矩陣式按鍵，采用動態掃描，為系統提供了16個按鍵，可以實現功能的設置、相關參數的設定、結果查詢及擴展功能的設定。顯示電路采用LCD12864顯示模塊進行設計，該模塊具有低電壓低功耗的特點，內含簡體中文字庫，可顯示8×4行16×16點陣的漢字，可構成全中文的人機交互圖形界面，顯示系統的設置參數和實時的工作參數。按鍵和顯示電路如圖6。

2.4 報警電路

播種作業過程中，通過微控制的定時器采集相鄰種粒通過傳感器的間隔時間，若相鄰種粒的排種時間間隔超過或低于預期設定的時間，則判斷排種器出現漏播或重播故障，微控制器驅動報警電路發出警報，從而提醒工作人員暫停機具運動，進行相應故障處理，避免大量的斷條現象和重播現象。其工作原理是單片機通過P2.6引腳提供信號，利用三極管9014的放大作用驅動蜂鳴器發出聲音警報，報警電路如圖7。

3 系統軟件設計

結合系統的工作原理，系統軟件設計由主程序、種粒間隔時間檢測子程序、按鍵子程序、顯示子程序和報警子程序構成。系統的程序流程圖如圖8，系統開機后完成初始化設置，操作手通過按鍵設置系統的相關參數并啟動系統，在有種粒排下后調用種粒間隔時間檢測子程序檢測Δt，根據Δt與預設參數的比較判斷工作的狀態，在出現漏播和重播時調用報警子程序實現報警，工作過程中可通過顯示子程序查詢實時參數。

4 系統抗干擾設計

系統的抗干擾能力決定了系統工作的可靠性和安全性。干擾來自干擾源，單片機系統的干擾源主要來自系統內部和外部的電氣干擾。單片機系統抗干擾設計主要從硬件和軟件兩方面入手。系統主要從電源設計和選擇抗干擾能力強的器件兩方面進行了抗干擾設計。

4.1 電源抗干擾設計

系統利用集成穩壓電路塊供電，每個數字元件在地與電源之間都設計了104電容，有效降低了電源干擾。穩壓塊同時加大了電源電路的散熱面積，提高了系統的散熱能力。

4.2 傳感器抗干擾設計

選擇抗干擾能力強的器件是提高系統抗干擾能力的直接途徑。設計采用了一體化的紅外接收頭，直接實現了信號的放大和整形濾波，有效提高了信號處理的穩定性。同時，傳感器的安裝采用了封閉式的基座，有效降低了灰塵的干擾并減少了環境光線對檢測的影響。

5 小結

研究設計了基于型孔輪式水稻排種器排種監控系統，可實現對水稻精密播種的漏播和重播監測及播量實時顯示等功能，為漏播補償提供了有益的探討。試驗顯示，該監控系統因種粒存在同時播下的情況，粒數統計會有一定的誤差，紅外傳感器對于高速流動的種子響應速度存在不足，還需進一步的研究。

參考文獻：

[1] 胡長遠.水稻直播技術的研究與推廣應用[J].種子科技，2010（11）：39-40.

[2] 楊文敏，謝方平，王林力，等.水稻芽種直播機虛擬樣機設計與分析[J].農機化研究，2008（7）：26-28.

[3] 金梅，夏春華，吳崇友，等.水稻直播機排種器研究現狀及發展趨勢[J].中國農機化，2010（5）：39-42.