基于單片機的玉米智能播種機設計和研究

黃 河，曾 欣

(宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003)

0 引言

玉米是我國三大糧食作物之一，可以加工成各種食品作為主食，具有較高的營養價值。此外，玉米還可以作為畜禽的飼料，或深加工后應用于能源開發，也具有較高的經濟價值。我國是玉米的種植和消費大國，中國海關和智研咨詢的統計結果表明：2016年我國玉米種植面積為3 676萬hm2，產量接近2.2億t。玉米的種植面積和產量在世界范圍內僅次于美國，在國內的作物中僅次于水稻。受國內玉米消費量的影響，我國每年都要進口一定數量的玉米。玉米的單產相比其它作物較高，加工食品深受消費者的歡迎，同時具有廣泛的用途，在國民經濟占有重要地位[1]。

播種是玉米整個生產過程中最為耗時費力的環節，且要在較短的時間內完成，否則會對產量造成較大影響。農業機械化程度對農業的生產效率有著決定性的影響，推進玉米生產的機械化對我國農業的可持續發展具有重要的意義。玉米播種機可將玉米按照設定的行距和間距均勻播種，并覆蓋土壤，部分機械還附帶施肥和灑水的功能。隨著科學發展和技術進步，我國逐步研制出了多種類型的玉米播種機，包括適用于干旱地區的精量施水播種機、全膜覆蓋雙壟溝播機、適用于丘陵地區的小型山地播種機，以及折疊式免耕播種機等[2-5]。這些機械應用在生產中，能夠節約用種量，減少所需的勞動力和縮短作業時間，比人工作業具有更高的播種精度。另外，機械播種還可以提高玉米的出苗率和整齊度，更容易達到高產的目的。

我國的玉米播種機械比國外起步晚，現有的水平也不高。與國外的同類機械相比，上述各型玉米播種機的技術還不完全成熟，性能上仍存在一些缺陷，主要表現在以下幾個方面:①不同品種的玉米種子大小各異，而所播玉米種子的數量是由排種器上凹坑的大小決定，導致其一次所容納的不同品種的種子數量存在差異。若不能調節凹坑的大小，則會影響排種的精度。②因玉米品種、土壤類型和種植習慣的差異，各地種植的玉米株間距都不同；而大多數的玉米播種機都有固定的播種株間距，很難進行調整，影響了使用的范圍[6]。③由于結構設計的原因，播種機的播種過程在相對封閉的空間中完成，不能觀察其工作的狀況，在田間比較惡劣的情況下，容易出現種箱排空和導種管堵塞的問題，難以及時地發現并解決，從而造成漏播的問題。④機械在作業過程中會出現地輪打滑影響播種精度及播深不一致而影響出苗整齊度的問題。

針對上述排種凹坑和株間距不能調整的問題，對機械結構進行重新設計和優化。而對于種箱排空、導種管堵塞、地輪打滑，以及漏播和重播的問題，則須要加裝監測和控制系統，提高機械的智能化水平。我國玉米播種機的智能化監測和控制研究起步晚，但發展較快，目前已經開發出了多種基于單片機或PLC的智能化監測控制系統[7-11]。劉坤等設計了一種基于光電傳感器和轉速編碼器的排種監測方法，用于對導種管排空和堵塞報警以及測定排種量，能夠獲得100%的空堵報警率和98.37%的排種檢測精度[12]。任守華等設計了一種基于編碼傳感器的播種深度控制方法，通過測定仿形拖板與機架間的角度關系，獲得了0.75cm的播深控制精度[13]。這些研究都為推動玉米播種機械的智能化，保障我國玉米的高產和穩產奠定了基礎。

本文針對玉米播種機的漏播、重播和地輪打滑問題，設計了一種基于單片機的智能監測和控制系統。該系統以單片機為核心，利用高精度的平板電容電路監測排種量、漏播量和重播量，利用霍爾傳感器監測機械的滑移率。當出現播種故障或機械滑移率過大時，系統自動啟動聲光報警，顯示故障原因并提示操作人員排除。同時，在田間對該監測控制系統的適應性和準確性進行驗證，以期為提高玉米播種質量提供技術支持。

1 系統原理及組成

1.1 系統原理

播種過程中，當玉米種子下落經過電容平板時，會引起電容的變化，電容的變化量與種子的質量成正相關；種子完全通過后，電容迅速恢復到原始的數值，形成一個脈沖信號；電容傳感器采集一系列的電容脈沖信號，并用峰值分析方法進行處理，計算獲得的兩個峰值信號之間的時間，便是播種單粒種子的時間；將該時間乘以播種機當時的行進速度，即為理論株間距。

對種箱排空的判別依據為1s內的電容變化量小于設定的閾值，導種管堵塞的判別依據為電容相比原始數值的變化量大于設定的閾值。這兩種故障都會導致漏播并啟動報警，在播種質量上表現為實際播種的株間距大于1.5倍的理論間距。種子經過電容引起的電容變化量與其質量成正相關，因此兩粒種子同時下落產生的電容脈沖在時間上與單粒脈沖相似，而峰值存在明顯的差異，可以以此進行判別。雙粒種子同時下落引起重播，在播種質量上表現為實際播種的株間距小于或等于0.5倍的理論間距。

在牽引機械和播種機的車輪上分別安裝霍爾傳感器，用于測定車輪旋轉所產生的脈沖信號頻率。根據車輪的半徑，計算兩個機械車輪的線速度V0和V1，V0為播種機的行進速度，V1為播種機的排種速度。滑移率的計算公式為S= (V0 -V1)/V0×100%，滑移率越大則播種的株間距越大。

1.2 系統組成

系統裝載在RN-Z02型玉米播種機上，由東方紅LX1000型拖拉機牽引并提供電源。RN-Z02型玉米播種機為轉動軸式，具有播種、施肥和覆土的功能。播種機可同時播種3行，行距在45～60cm之間可調，株距在16～32cm之間可調，播深為15cm。東方紅LX1000型拖拉機后輪輪距212cm，離地高度43cm，額定功率73.5kW，行進速度2～36km/h。

系統以80C51型單片機為核心，與TAM7008型顯示屏和LTE-1201型聲光報警器連接在一起并安裝在拖拉機上。系統由拖拉機上的蓄電池提供電源，在顯示屏上設置系統參數和查看運行狀況。單片機接收各種傳感器的數據并進行分析，判別得到種箱排空、導種管堵塞或滑移率過大時便啟動報警器閃爍和發出聲音，顯示故障原因并提示操作人員排除。電容傳感器為CMBR3116型，安裝在導種管的下方末端，其電容變化的脈沖經過信號調制器轉換后發送給單片機。兩個霍爾傳感器為JLl8A3型，與單片機連接，分別安裝在拖拉機和播種機的車輪上用于測定轉速。車輪的半徑在顯示屏上輸入，通過單片機計算前后車輪的線速度，最終得到滑移率，如圖1所示。

圖1 智能監測和控制系統的組成Fig.1 Component of the intelligent monitoring and control system

2 軟件設計

系統的核心為單片機，其結構簡單，對數據的分析計算沒有很高的要求。因此，系統軟件以C語言為基礎設計，用于接收和發送各種數據信息，監測排種量、漏播重播數和滑移率等參數，以及根據邏輯判斷發送報警指令。軟件的組成部分包括主程序、定時子程序和報警子程序等，分別執行數據采集、閾值判別和啟動報警的功能。系統啟動后單片機首先進行初始化，然后開始接收傳感器的數據，并將分析計算結果和播種狀況輸出在顯示屏上。對種箱排空和導種管堵塞的判別閾值分別設定為0.02pF和1pF，滑移率的報警閾值設定為18%。判別到故障后，單片機便將指令發送到報警器，啟動報警；排出故障后，系統繼續進行監測；完成一個階段的播種作業后，單片機將存儲各項數據，對播種質量進行評價并輸出結果。

3 試驗結果與分析

2016年，在宜賓職業技術學院的玉米試驗田中驗證系統監測的準確性和播種質量。試驗進行5次，拖拉機以5km/h的速度行駛并進行播種作業，株間距設定為25cm。玉米品種為農華101，每次取1 000粒種子用于播種，作業完成后記載系統測定的排種量和滑移率；然后，測定播種機械行駛距離，計算實際的株間距。試驗的結果如表1所示。由表1可知：監測的排種量都比實際排種量少，監測精確率在97.2%～99.0%之間，平均值為98.2%，表現出很高的準確性；實際株間距均大于設定值，對株間距控制的精確率在93.2%～98.0%之間，平均值為95.8%，控制的準確性也較高；監測到的滑移率在13.5%～16.8%之間，平均值為15.1%，沒有啟動報警，能夠滿足實際生產的要求。

表1 系統田間監測和控制的準確性

在室內利用傳送帶驗證了系統對故障的響應時間及對漏播和重播的監測準確性。試驗進行了5次，每次的實際排種量為1 000粒。傳送帶位于導種管的下方，運行速度為5km/h，種子落在傳送帶上。人工記錄實際的故障響應時間、漏播和重播次數，并與系統的監測結果比較。試驗的結果如表2所示。由表2可知：系統對排空和堵塞都能成功監測并啟動報警，響應時間分別在0.8～1.4s和2.0～2.7s之間，平均時間分別為1.1s和2.4s，與其它研究所設計的系統性能相似；系統的實際漏播和重播次數分別在45～53和58～65之間，平均檢出率分別為93.3%和93.9%，能夠滿足實際生產的要求。

表2 系統室內的響應速度和監測準確性

4 結論

設計了一種基于單片機的智能監測和控制系統，利用高精度的平板電容電路監測排種量、漏播量和重播量，利用霍爾傳感器監測機械的滑移率。當出現播種故障或機械滑移率過大時，系統自動啟動聲光報警。田間試驗中排種量監測的平均精確率為98.2%，對株間距控制的平均精確率為95.8%，監測到的滑移率為15.1%。室內試驗中，系統對排空和堵塞都能成功監測并啟動報警，響應時間分別為1.1s和2.4s。系統對漏播和重播的平均檢出率分別為93.3%和93.9%，監測和控制的準確性都較高，能夠滿足實際生產的要求。

在其它的研究中，對于播種機排種性能的檢測大多采用光電傳感器。光電傳感器結構簡單，種類繁多，具有較高的性價比。但是其原理是通過物理的光學遮擋來觸發電磁脈沖，在實際應用中會因為粉塵的飛揚而導致可靠性降低，且無法檢測到多粒種子同時下落產生的重播現象。本研究采用高精度的電容電路監測排種性能，對重播實現了很高的檢測精度，具有在實際生產中應用的潛力。

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