基于Exynos嵌入式的精密播種機自動射種裝置的研究

張明偉，劉紅艷

(濟源職業技術學院 機電工程系，河南 濟源 454650)

0 引言

播種是整個生產作業中最為繁瑣的環節，播種質量的高低，直接決定了出苗率和幼苗優良程度，對最后的作物產量具有重要影響。自動射種式精密播種機具有投種點低、種床平整、籽粒分布均勻、種深一致及出苗整齊等符合農藝要求的特點，能夠為種子的生長發育創造最佳條件，可以大量節省種子，減少田間間苗用工，保證作物穩產高產。本文以提高播種機播種質量為出發點，設計了一種基于Exynos嵌入式的精密播種機自動射種裝置。

1 精密播種機結構及自動射種裝置原理

精密播種機核心部件由種箱、仿形機構、仿形輪、開溝器、覆土板、射種裝置，以及射種裝置控制組成，如圖1所示。精密播種機大多采用單個大梁的工作方式支撐整個機器的質量，其他零部件都安裝在機架上。播種機的核心為射種裝置及其控制系統，二者配合使用，使種箱的種子在氣力式射種裝置的作用下射入土壤中。其工作原理：氣閥開關與氣門杠桿兩個凸輪由一根軸承相連，在鎮壓輪加上一鏈輪裝置，將動力傳給兩凸輪；當種箱底部的電磁閥被打開時，種子掉入射種裝置內部，接著嵌入式控制系統控制電磁閥關閉，同時打開噴氣電磁鐵；當射種裝置出口的電磁閥打開時，在氣體壓力下將種子射入到土壤中，然后由覆土板給種子蓋上一層土。

1.種箱 2.后臂 3.仿形機構 4. 大梁 5.化肥箱 6.懸掛裝置 7.仿形輪 8.前支臂 9.施肥鏟 10.開溝器 11. 自動射種裝置控制部分 12.射種裝置 13.減震裝置 14.覆土板 15.鎮壓輪

2 精密播種機整體方案的設計

2.1 精密播種機整體設計

本文設計的精密播種機既可由農業拖拉機牽引前進，也可采用人工推進的方式前進。在作業中，精密播種機制動射種裝置可以根據拖拉機速度或者人推進前行的速度，對射種頻率進行實時控制調節。該播種機采用單線排種模式，種子經由種箱落入射種裝置中，由噴氣電磁閥控制種子從倉內射入土壤。精密播種機結構示意如圖2所示。

在作業中，為了保證種子種植距離的一致性，自動射種裝置的射種頻率是根據整個機器前進速度進行調整的，因此該播種機采用光電傳感器測機器的前進速度，并根據該速度自動調整射種頻率。本文將光電傳感器安裝于收割機鎮壓輪，以保證測速的準確性和實時性。

圖2 精密播種機結構示意圖

2.2 自動射種裝置的設計

精密播種機的核心是自動射種裝置，其性能的好壞直接決定了播種機的可行性和執行效率。由于自動射種裝置采用氣體壓力將種子射入土壤的方式，首要要求是保證整個裝置具有良好的密封性，其次是進氣腔和射種腔耐壓力強。自動射種裝置不僅要保證種子順利地被氣體射到土壤中，還要保證射出的種子不會被排種閥帶回；另外，還要保證裝置結構簡單，方便維修和升級。自動射種裝置結構如圖3所示。

圖3 自動射種裝置結構圖

自動射種裝置主要包括排氣閥、排氣箱體、射種箱體和排種閥等部件，其結構簡化后如圖4所示。

自動射種裝置箱體采用圓柱體，保證排氣和排種的順利進行；種箱在自動射種裝置正上方，由控制系統驅動排種閥，控制種子落入自動射種裝置艙內；排氣閥在裝置左上方，根據自由落體運動速度設定排種閥和排氣閥之間開啟的時間差，確定種子在落入裝置腔體1/3高度時，開啟排氣閥，將種子順利射出；射種管和排種管應設計在同一條直線上，方便氣體將種子從射種管射出。另外，為了保證整個自動射種裝置的密封性，裝置各個連接處都采用密封墊，盡量減少氣體的泄露，提高射種效率。

圖4 自動射種裝置簡單示意圖

2.3 開溝器的設計

由于每種作物生長環境不同，其播種要求差別也很大，播種機一般需要設計播種深度可調的開溝器。開溝器的設計一般需要滿足兩點：溝淺、翻土少和自主覆土能力強。因此，在設計開溝器時，主要對導管、開溝鏟及深度調節器進行設計。在實際應用中，開溝器導管常常采用一個中空的圓管，其直接和深度調節器(播深調節器)相連，調節板利用上面的控固定開溝器。為了保證種子射入土壤的速度開溝器影響，開溝器一般位于縱梁中間，開溝器導管正對排種孔。開溝器結構示意如圖5所示。

圖5 開溝器結構示意圖

開溝器導管正上方是一個接種漏斗，自動射種裝置射出的種子直接通過開溝器導管射入種子溝的土壤中。為了保證自動射種裝置射出的種子全部可以射入到開溝器導管中，接種漏斗設計成一圓管型的入口，防止種子射入角度偏差，而影響兩個種子在種子溝距離不一。另外，接種漏斗入口面積大于兩個護種片寬度，在組裝過程中，保證兩個護種片緊緊包在一起，這樣就會確保自動射種裝置射出的種子全部通過開溝器導管射入種子溝中。

3 自動射種裝置控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計

1) 控制系統硬件框架圖。自動射種裝置控制系統主要負責整個系統信號的采集、處理，以及對各個執行期間的驅動控制。根據一般的機械控制理論，該裝置應包括機架裝置、氣動射種裝置、電磁鐵及主控制模塊等，根據裝置工作職能可以分為3層：控制層、驅動層和執行層。自動射種裝置工作層間關系如圖6所示。

圖6 自動射種裝置工作層間關系圖

自動射種裝置控制系統由Exynos 4412處理器、多個傳感器、步進電機、噴氣電磁鐵、液壓馬達、電磁閥、聲光報警器、人機交互界面和電源構成，如圖7所示。

自動射種裝置控制系統采用Exynos 4412處理器為主控制器，系統配備人機交互界面，工作人員在作業前，根據種子類型或土地情況設定播種株距等信息，并可根據通過液晶顯示屏獲取播種面積和漏播率等參數信息。在實際播種過程中，霍爾傳感器的作用是采集播種機的前進速度，光電傳感器的作用是測量漏播率和重播率，氣壓傳感器測量排氣的氣壓參數并判斷氣壓是否達標，步進電機代替地輪帶動排種器轉動，提高播種均勻性。Exynos 4412處理器根據用戶設定的參數信息建立控制模型，設置播種株距和重種、漏種率等信息，并根據各傳感器采集的信息，驅動控制各執行機構。

圖7 自動射種裝置控制系統結構框架

2) 光電傳感器檢測電路設計。光電傳感器是一個可以將光信號轉變為電信號的元器件，其作為檢測系統的信號采集元器件，是整個控制系統信息重要的來源。自動射種裝置控制系統光電傳感器檢測電路如圖8所示。

圖8 光電傳感器檢測電路

圖8中，R5為一個光電檢測器，當沒有種子經過時，Q1的2N3904三極管為導通狀態， Q2的基極為低電平，Q2為截止狀態， signal為低電平；而當有種子經過時，Q1的2N3904三極管為截止狀態， Q2的基極為高電平，Q2變為導通狀態，而signal由低電平轉換為高電平；Exynos 4412的GPIO管腳捕獲到這一變化，并將計數器加1，以此來計算播種數量。

3) 噴氣電磁鐵電路設計。噴氣電磁鐵工作電壓為220V，因此Exynos 4412無法直接對其進行驅動控制，需通過繼電器間接對其進行控制。繼電器采用5V供電電壓，當Exynos 4412的驅動繼電器的GPIO管腳為低電平時，繼電器的閉合，進而控制電磁鐵的吸合。噴氣電磁鐵電路如圖9所示。

3.2 控制系統軟件設計

為了保證自動射種裝置控制系統程序的輕型化和可移植性，該程序采用模塊化的思想設計，主要包括各傳感器信息的采集處理、步進電機驅動、液壓馬達驅動和人機交互信息的輸出等。系統主程序流程如10所示。

圖9 噴氣電磁鐵控制電路

圖10 自動射種裝置控制系統主程序流程

4 試驗與結果分析

為了驗證該自動射種裝置控制系統的性能、可行性和可靠性，在某玉米種植農場進行了試驗。試驗中，拖拉機采用1804四驅大馬力拖拉機，作業速度為5～7km/h，播種深度設置為40mm，株距設置為26cm。整個試驗開展5次，每次播種1 000粒。試驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

由表1可知：檢測排種量比實際排種量少，檢測精確度在96%以上，精準度較高；播種深度和設置值相比，精準度在95.3%以上，控制的準確性較高；株距精準度在94.1%～98.3%之間，精準度高。由此可以得出結論：自動射種裝置控制系統有效提高了田間播種的作業效率。

5 結論

針對現代農業種植需求，以自動射種裝置為研究對象，設計和研究了基于Exynos嵌入式的精密播種機自動射種裝置。與傳統播種器械相比，該裝置工作精確可靠，可根據種子類別進行參數設置與修改，實現了射種過程的自動控制。試驗表明：該裝置排種檢測精確度在96%以上，播深精準度在95.3%以上，株距精準度在94.1%和98.3%之間，精準度都比較高，對田間播種的作業效率提高具有明顯作用。