玉米精量播種機排種性能檢測系統研究—基于光電法

鄭雯璐，衣淑娟，李抒昊，劉 坤，戈天劍

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

在農業高度機械化的今天，精密播種機作為主要的農器具被廣泛應用；但因為其構造的封閉性使得人們無法在機器運行過程中直觀并及時監測播種狀態，一旦發生漏播、重播等排種故障將會對作物產量造成極大損失[1]。因此，為播種機配備排種質量監測系統已成為精量播種技術研究的重中之重[2]。

排種器是精密播種機的核心部件，高精度的播種過程是確保玉米高產量的重要保障。目前，播種機排種性能檢測常用方法有電容信號、壓電信號、激光信號及光電信號幾大類。就實際應用來看，因光電傳感器具有成本低、響應速度快等諸多優點，以往研究人員多利用光電法對排種器排種性能進行檢測[3]。以排種過程中下落的種粒為監測對象，當種子下落時,種粒受管壁的碰撞、摩擦等因素的影響出現漏播或多粒重播，若傳感器只能產生1個脈沖, 檢測重播的誤差較大。

因此，本文設計了一套基于光電法的玉米精量播種機排種性能監測系統，傳感器安放在排種管中部，將3對射光電傳感器交叉擺放在排種管兩端，目的在于提高排種性能檢測的穩定性和可靠性，實現排種管內排種監測無盲區，對重播、漏播和堵塞等排種性能進行監測，并與常規監測裝置進行數據對比，得出結論。

1 主要功能及原理

1.1 種子排種量監測

單片機的定時/計數器T0設置為計數器模式，可實現播種機排種量計數，定時/計數器T1設置為定時器模式，用來實現報警定時。當種子從排種管落下經過種管上安裝的光電傳感器，光敏三極管產生高低電平的變化，接收端每返回一次高電平，計數器加1，在顯示屏顯示排種數量；利用高低電平持續時間進行邏輯判斷來監測播種機是否出現故障。

1.2 漏播和重播警報

排種器正常工作時，種子從種箱內有序碼入種盤后下落至排種管內，在播種現場由于工況很差，導致出現重播和漏播現象[4]，安裝在排種管中部的傳感器對種子經過時產生的脈沖變化情況判斷是否發生漏播和重播[5]。因此，本文利用蜂鳴器對播種過程中出現的故障進行報警，其受外界影響因素較小，可以在惡劣的環境中使用，聲光報警電路如圖1所示。

1.3 作業工況監測

播種機上安裝GPS定位系統，按照播種機的行進距離和作業幅寬，來計算播種機的作業面積。8～10km/h為播種機的限定速度，根據GPS發出的指令可測出播種機的作業速度是否超速。

1.4 種箱狀態監測裝置設計

種箱排空如果不能及時發現，則會導致種子漏播的情況發生。利用壓敏電阻監測種箱內種子情況，安裝在種箱內的壓敏電阻阻值受其周圍種子量影響，將壓敏電阻安放在種箱中下部，種量充足輸出高電平，種子和壓敏電阻的距離大于9mm標準距離時，則輸出低電平，持續低電平2s以上時，向上位機發送報警信息，微處理器通過其電平的變化就可以判斷種箱內的狀態。

圖1 聲光報警電路圖Fig.1 Sound and light alarm circuit diagram

2 硬件設計

在排種性能檢測系統硬件設計上，要實現對脈沖信號的采集、整形濾波、傳輸及顯示和報警[6]，包括光電傳感器信號采集處理電路、顯示終端硬件設計兩大部分，應采用分模塊的方式解決。光電傳感器檢測到的光電信號通過接受調理電路把數據上傳給單片機，由單片機通過ZigBee無線模塊傳送給上位機并進行顯示。

2.1 傳感器電路設計

光電傳感器的選型種類繁多，普通發光二極管發光強度不夠，激光二極管發光強度大，但成本高；加之播種機在田間作業期間，環境十分惡劣，塵土會很容易進入到導種管內部，進而將傳感器擋住，嚴重影響光信號的傳遞[7]。因此，本系統采用波長940nm,其光線平行性好，重要的是使用時不需要外加透鏡。同時，其體積小、穩定性好，能夠滿足在戶外使用。接收端選用ST-1KL3A型光敏三極管、EL-1KL5型紅外發光二極管作為發光源，該光源波的有效感光波長范圍為400～1 050nm，對EL-1KL5所發射光波長度敏感[8-9]。播種機排種管直徑為25～30mm，玉米種子直徑一般不超過排種管直徑的1/3。考慮到1對光電傳感器的覆蓋面積有限，且種子從排種器出來時具有一定的初速度，會在導種管內發生彈跳現象并產生檢測盲區，因此設計將3對光電傳感器發射端和接收端交叉嵌入在排種管內部。這種傳感器的擺放方式使得排種管內基本無盲區，如圖2所示。

圖2 傳感器檢測無盲區示意圖Fig.2 Sensor detection of blind zone schematic

種子通過光電檢測區產生高電平信號，經過調理電路進行整形、濾波、邏輯門后進行顯示。光電傳感器連接圖如圖3所示。

圖3 光電傳感器連接圖Fig.3 Photoelectric sensor connection diagram

2.2 信號調節電路設計

由于光電傳感器輸出波形不規整，會導致單片機對光電信號產生誤判，需對光電傳感器輸出信號進行整形[10]，提高傳感器采集數據精度，本文采用了C-D40106B施密特觸發器；由于采用3對光電傳感器會輸出3組脈沖信號，施密特觸發器在設計中相當于“非門”，對下位機采集的脈沖信號進行了整形濾波。兩個電脈沖信號的時差就是種子下落時間差，當輸種管中有種子流動時傳感器有脈沖輸入到判別電路,則判別電路輸出為“1”態；當輸種管無種子流動時,傳感器無脈沖輸出,則判別電路無脈沖輸入,其輸出為“0“態[11]。

本文將3對光電傳感器采用“與”電路和“或”門電路進行整形，是考慮到當種粒下落經過此處時一定會遮蓋住這3對光電傳感器的任意1對，產生脈沖信號(圖4)，因此3對傳感器的信號端選擇了與門和或門操作來實現對空、堵及重播的報警。

圖4 整形電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of plastic circuit

2.3 無線模塊電路

本試驗采用nRF24L01芯片組成的無線收發模塊，其優點可總結以下幾點：傳輸速率最高可達 2Mbps，工作效率快；抗干擾能力強；功耗低，掉電模式下電流僅為 1μA；可軟件設置地址，能夠直連各種單片機使用，軟件編程非常方便；由于無線模塊的工作電壓是 1.9～3.6V，因此可以將無線模塊直接連接單片機的電源輸出端，給其提供 3.3V 電壓就可以正常工作。nRF24L01+的模式選擇控制引腳 CE 置為 1 時，芯片工作在接收模式；IRQ 引腳是中斷信號輸出端，當數據發送或接收完畢后，IRQ 端口會發出中斷信號，通知單片機及時對寄存器中的數據進行處理。

2.4 報警電路

為了改善播種機播種工況，提高播種機作業性能，在作業過程中播種機出現故障時，要及時進行報警，避免大面積缺苗、斷壟等情況的發生[12]。為此，本文設計了故障報警電路，與主單片機的 P1.2 口連接。當輸出的高低電平發生變化時，單片機判斷故障類型并發送給主機，進而控制蜂鳴器報警；同時，液晶屏同步顯示故障信息，提醒機手及時對故障做出處理。

3 軟件設計

整個軟件程序包括程序初始化、數據采集子程序、無線發射子程序、報警子程序和顯示子程序。對 STC12C5A60S2 單片機及各控制芯片進行初始化，保證控制系統做好工作準備；調用信息采集及數據處理、運算子程序，調用無線傳輸子程序，當有信息需要發送或接收時，無線模塊便會調整工作模式完成數據的無線收發；調用報警子程序，在播種機工作過程中，當發生漏播情況時，報警系統能夠及時報警；調用顯示子程序，實時對播種參數進行顯示，當發生漏播故障時，顯示屏會自動跳轉到故障頁面顯示相關故障信息。系統的總程序框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Master program flow diagram

4 實驗分析與結果分析

4.1 排種量檢測試驗

試驗在黑龍江八一農墾大學播種機進行，選擇整理好的平整地面作為試驗地。玉米種子型號為金山8號，種子直徑6mm。選擇3 000粒玉米種子進行排種量檢測試驗，將3 000粒種子隨機分為15組，依次將各組種子進行試驗，將試驗結果進行誤差分析。種子從排種箱勻速下落，經過安裝在排種管內部的光電傳感器，上位機得出種子下落的數目，將其與實際值進行比較，如表1所示。

表1 排種量檢測結果Table 1 The results of the detection of seed volume

試驗表明：該排種器監測傳感器對排種量檢測精度可以達到97.5%，達到工況要求，能夠準確地檢測排種量。

4.2 漏播和重播異常報警試驗

在對漏播量和重播量進行統計時，取適量金山8號玉米種子隨機分為3組，投入排種管內，為增加漏播重播種粒樣本數量，在排種器與導種管之間加裝了小擋板，種粒下落時有一部分會撞擊擋板，相鄰種粒的下落時間差將會改變，從而模擬排種異常狀況。試驗結果如表2所示。

在做異常警報試驗時，采取人為制造異常的方法，來檢測報警系統的靈敏度。報警試驗時，在種子下落過程中將調速器關閉，人為地使兩粒種子下落的時間間隔超過定時器警報時間t，用秒表記錄多長時間上位機發出警報、顯示屏顯示故障信息。試驗結果顯示：在模擬漏播和排種堵塞的情況下，異常發生到傳給上位機報警延時時間為2s，漏播和重播報警監測精度達到要求；排種器漏播報警可靠率100%，報警系統可靠率100%。

表2 監測精度試驗Table 2 Monitoring accuracy test

5 結論

對排種器性能監測系統的綜合測試表明：設計的交叉擺放光電傳感器能夠實現對排種過程的實時監控，并能對種箱排空和輸種管堵塞等異常情況發出實時報警信號。該排種器監測傳感器對排種量檢測精度可以達到97.5%，對漏播量和重播量的監測精度分別為93.8%和94.2%，滿足工況要求。