基于單片機(jī)的玉米變量施水播種機(jī)的設(shè)計(jì)

馬波濤,張晉國

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071001)

0 引言

玉米是世界上重要的糧食作物之一,除了食用外還用作飼料、工業(yè)加工、生產(chǎn)淀粉、糖和進(jìn)行發(fā)酵等。2017年,我國玉米種植面積為35 445.2khm2,總產(chǎn)量為21 589.1萬t,無論從種植面積還是總產(chǎn)量來說都已成為我國第一大糧食作物。玉米生產(chǎn)全程需水量較大,而我國是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家,人均水資源量只有2 300m3,僅為世界平均水平的28%。按世界公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn),人均水資源低于500 m3為極度缺水,而2016年河北省人均水資源為279m3/人,且農(nóng)業(yè)用水量巨大,2016年農(nóng)業(yè)用水116.99億m3,占全省總用水量的64.1%。由此可以看出:農(nóng)業(yè)用水量巨大,而玉米苗期需水量小,但有些農(nóng)田澆水仍采用大水漫灌方式,造成大量水資源浪費(fèi)[1-2]。為此,設(shè)計(jì)了一款在播種同時進(jìn)行施水作業(yè),以此減少一次大水漫灌式澆地的施水播種機(jī)。該機(jī)既可以大大節(jié)省用水量,又不會影響玉米苗期正常生長,且實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合,對于節(jié)約水資源意義重大[3]。

目前,大多施水播種機(jī)的施水控制為機(jī)械結(jié)構(gòu),受機(jī)體振動、裝配誤差等因素影響較大[4],施水量精確度難以保證。各型施水播種機(jī)有的靠棘輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)出水的開閉,通過更換不同尺寸的棘輪來改變施水量,部件磨損嚴(yán)重;且棘輪運(yùn)轉(zhuǎn)是通過地輪鏈傳動,當(dāng)?shù)剌喆蚧瑫r對施水效果有嚴(yán)重影響。更重要的是,該類型施水播種機(jī)難以滿足高速作業(yè)要求,限制了生產(chǎn)效率。有的施水播種機(jī)是定量出水,其儲水槽容量固定,播種速度快慢,每次施水量為定量,難以實(shí)現(xiàn)在播種作業(yè)中實(shí)時改變施水量[5-6]。基于此,設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的玉米變量施水播種機(jī),可根據(jù)播種作業(yè)速度實(shí)時調(diào)節(jié)施水量大小,具有工作穩(wěn)定及可中高速作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[7]。

1 總體方案

該變量施水播種機(jī)以STC89C52單片機(jī)為控制核心,配合測速模塊、施水執(zhí)行模塊等構(gòu)成。STC89C52型單片機(jī)執(zhí)行速度快、穩(wěn)定性好,它將測速模塊和施水執(zhí)行模塊有機(jī)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的良好運(yùn)行,且有LED實(shí)時顯示播種機(jī)作業(yè)速度及低水位聲光報警功能。玉米變量施水播種機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)程序包括主程序和施水執(zhí)行程序(舵機(jī))兩部分。為保證單片機(jī)高性能運(yùn)行,舵機(jī)程序和主程序由副機(jī)和主機(jī)單獨(dú)執(zhí)行。程序執(zhí)行時,測速模塊將播種機(jī)作業(yè)速度信息實(shí)時傳輸給主機(jī),主機(jī)根據(jù)速度快慢決定施水模塊出水量大小。當(dāng)速度改變時,出水量同步變化。系統(tǒng)具有抗抖動、可中高速作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52單片機(jī)

單片機(jī)是在芯片上集成了CPU、內(nèi)存及時鐘等器件構(gòu)成的一個微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于智能檢測、自動化控制、通信及儀表等領(lǐng)域。本系統(tǒng)選用的STC89C52單片機(jī)具有高速運(yùn)算、強(qiáng)抗干擾能力,其內(nèi)部擁有1個8kB的Flash程序存儲器和1臺高速5kB的EEPROM,存儲空間大,運(yùn)行效率高;同時,片內(nèi)集成3個定時器和2個DPTR指針,多任務(wù)處理能力強(qiáng)。

2.2 測速模塊

編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。本系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)式編碼器,編碼器轉(zhuǎn)動時每經(jīng)過1次內(nèi)部的敏感元件便輸出1個脈沖信號。播種機(jī)作業(yè)速度信息由OMRON E6B2-CWZ6C旋轉(zhuǎn)編碼器檢測。編碼器與計(jì)米輪同軸連接,計(jì)米輪直徑60cm,輪子外側(cè)有防止打滑的鉚釘,在免耕地實(shí)際作業(yè)中防纏草效果良好。編碼器每轉(zhuǎn)1圈向單片機(jī)發(fā)出100個脈沖信號,單片機(jī)根據(jù)單位時間內(nèi)接受到的脈沖數(shù)計(jì)算出實(shí)時作業(yè)速度,依據(jù)該速度決定舵機(jī)打開角度,從而改變出水量大小。編碼器信號發(fā)送端直接與單片機(jī)預(yù)定義的信號接收端連接,不需要額外轉(zhuǎn)換器,接線、安裝方便。E6B2型編碼器為集電極開路輸出(NPN輸出),電壓范圍寬、信號輸出穩(wěn)定,計(jì)數(shù)分辨率為1.89mm/脈沖。編碼器輸入輸出原理圖如圖2所示。其允許輸入電壓直流5～24V,信號發(fā)送端直接接入單片機(jī)預(yù)先定義的信號接收端P3.7引腳。開始工作后,單片機(jī)初始化,準(zhǔn)備接收編碼器發(fā)來的脈沖信號,此時單片機(jī)并不需要對編碼器下達(dá)任何指令;當(dāng)播種機(jī)開始作業(yè)時,編碼器自發(fā)地源源不斷地向單片機(jī)發(fā)送脈沖信號,單片機(jī)通過LED屏將速度信息實(shí)時顯示。

播種機(jī)作業(yè)速度與脈沖數(shù)的對應(yīng)關(guān)系為

式中V—作業(yè)速度;

N—每秒內(nèi)發(fā)送脈沖數(shù);

d—計(jì)米輪直徑,d=0.6m。

圖2 編碼器輸入輸出原理圖

2.3 施水控制模塊

施水控制部分主要由DH-03X舵機(jī)與閥門構(gòu)成,24V供電時該舵機(jī)扭矩為3 648N/cm,角速度為2.09rad/s,接收脈寬為0.5～2.5ms標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)控制信號。舵機(jī)由舵盤、位置反饋電位器、減速齒輪組、直流電機(jī)和控制電路組成。減速齒輪組由直流電機(jī)驅(qū)動,其輸出軸帶動一個具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測。控制電路根據(jù)電位器的反饋電壓,與外部輸入控制脈沖進(jìn)行比較,產(chǎn)生糾正脈沖,控制并驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),使減速齒輪輸出的位置與期望值相復(fù)合,從而達(dá)到精確控制轉(zhuǎn)向角度的目的。舵機(jī)的控制脈沖周期為20ms,脈寬為0.5～2.5ms。當(dāng)脈寬在0.5～2.5ms之間變化時,便對應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動不同的角度。舵機(jī)信號收發(fā)端直接與單片機(jī)已預(yù)定義的P2.6引腳連接即可進(jìn)行信息傳輸,不需額外轉(zhuǎn)換器。舵機(jī)工作原理如圖3所示。

圖3 舵機(jī)工作原理

舵機(jī)輸出軸通過頂絲與閥門轉(zhuǎn)軸牢固聯(lián)接在一起。單片機(jī)依據(jù)速度信息對舵機(jī)下達(dá)相應(yīng)的角度轉(zhuǎn)動信息:當(dāng)作業(yè)速度快時,單片機(jī)控制閥門打開角度大;當(dāng)速度減小時,閥門打開角度減小,舵機(jī)輸出軸帶動閥門開閉。本施水控制系統(tǒng)為常閉型[8-9]。

2.4 低水位報警模塊

水箱液位由XKC-Y26型液位傳感器檢測。該傳感器本質(zhì)上是電容式檢測,其工作原理為:水和空氣的介電常數(shù)不同(一般為81和1),當(dāng)水位下降至傳感器高度以下時,由于介電常數(shù)的改變引起電容值的改變,專用的ada電容檢測芯片把電容值變化轉(zhuǎn)化為輸出電壓脈沖寬度的變化。當(dāng)電壓脈寬低于設(shè)定值時,即發(fā)出報警信號,由此完成了水位高度變化向電壓脈寬變化的轉(zhuǎn)變。XKC-Y26信號端直接與單片機(jī)P3.6引腳連接,進(jìn)行信息傳輸,通過編寫報警程序?qū)崿F(xiàn)了當(dāng)檢測到低水位時同時伴有傳感器指示燈閃爍和蜂鳴器聲音報警功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

玉米變量施水播種機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分,即主程序和舵機(jī)控制程序。程序基于keilμVision5開發(fā),采用C語言模塊化編程。

為保證系統(tǒng)高性能穩(wěn)定運(yùn)行,主程序和舵機(jī)程序分別由主機(jī)和副機(jī)單獨(dú)執(zhí)行。從模塊上劃分,可分為單片機(jī)主控制模塊、編碼器測速模塊、水位監(jiān)測模塊和舵機(jī)施水模塊。其中,測速模塊又包含LED顯示模塊,水位監(jiān)測模塊包含聲光報警模塊。系統(tǒng)模塊劃分如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模塊劃分

玉米變量施水播種機(jī)開始工作時,單片機(jī)準(zhǔn)備接收來自旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號;當(dāng)播種機(jī)開始行走時,編碼器隨計(jì)米輪轉(zhuǎn)動向單片機(jī)輸出脈沖信號;編碼器通過聯(lián)軸器與計(jì)米輪聯(lián)接在一起,編碼器每轉(zhuǎn)1圈輸出100個脈沖,單片機(jī)根據(jù)每秒內(nèi)接收脈沖數(shù),對應(yīng)出作業(yè)速度,并通過LED顯示速度信息,控制舵機(jī)開閉角度;當(dāng)速度變化至另一區(qū)間時,單片機(jī)控制舵機(jī)角度相應(yīng)變化。水位監(jiān)測由XKC-Y26型液位傳感器執(zhí)行,當(dāng)水位低于設(shè)定高度時,啟動報警,蜂鳴器鳴笛,指示燈閃爍,提醒機(jī)手加水。此時,若有手動復(fù)位,則水位監(jiān)測系統(tǒng)與報警系統(tǒng)被關(guān)閉,單片機(jī)正常讀取速度信息并控制舵機(jī)工作;若沒有進(jìn)行手動復(fù)位,則在報警10s后自動結(jié)束測速等工作。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

為防止由于機(jī)具振動導(dǎo)致速度在兩個區(qū)間極值出來回跳變,特加入防抖程序。只有當(dāng)速度跳變至另一區(qū)間且維持0.5s以上時,單片機(jī)才會對舵機(jī)下達(dá)控制指令;若速度跳變不足0.5s,舵機(jī)維持原角度。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)探究了水龍頭開閉角度與出水量(打開10s出水量)的關(guān)系,如圖6所示。通過SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,找出了水龍頭(舵機(jī))打開角度與出水量擬合曲線的表達(dá)式。圖7為擬合曲線R2值,圖8為水龍頭(舵機(jī))打開角度與出水量擬合曲線。

設(shè)角度變量為x,10s內(nèi)出水量為y,則舵機(jī)打開角度與出水量的關(guān)系表達(dá)式為

y=0.232x-1.319

R為復(fù)相關(guān)系數(shù);R2反映回歸方程能夠解釋的方差占因變量差的百分比,用來評價模型的擬合效果,R2方取值范圍介于0～1之間,越接近1表明擬合效果越好,一般認(rèn)為R2>0.5即有較好的擬合效果。F檢驗(yàn)是表明模型中因變量與所有自變量之間線性關(guān)系在總體上是否顯著的判斷。F檢驗(yàn)的Sig值小于0.05,表明模型中因變量與自變量的線性關(guān)系極為顯著,該擬合曲線有較強(qiáng)說服力。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)于2018年6月16日在河北省辛集市保高豐農(nóng)場進(jìn)行。試驗(yàn)面積0.45hm2,土壤耕層為輕壤質(zhì)潮土,土壤容重為1.24～1.70g/cm3,氣總孔隙度為53.9～35.9%,pH值為7.8～8.4,屬微咸性土壤。為測試施水播種對玉米苗期影響,進(jìn)行施水播種和傳統(tǒng)播種對比試驗(yàn),前者比后者除多了1項(xiàng)施水功能外,其余均保持相同。試驗(yàn)用播種機(jī)為農(nóng)哈哈2BYJF-4型玉米免耕施肥精播機(jī)。該播種機(jī)參數(shù)如表1所示,作業(yè)圖如圖9所示。

表1 2BYJF-4型玉米免耕施肥精播機(jī)參數(shù)

圖9 作業(yè)圖

5.2 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)區(qū)分成A塊和B塊,A塊為施水播種,B塊為傳統(tǒng)播種。試驗(yàn)開始前,測得A、B在0～10cm地表土壤含水率分別為9.882%和13.693%,B塊土壤含水率高于A。A地塊又依據(jù)施水量多少分為A1、A2、A3。其中,A1施水量為670mL/m,A2施水量為300mL/m,A3施水量為240mL/m。播種后,在7月1日、5日、6日分別有6、7、7mm降水。播種后5天發(fā)芽率如圖10所示,具體數(shù)據(jù)如表2所示;播種后5h、5天、23天土壤含水率變化如圖11所示。

施水播種作業(yè)后,A地塊含水率有了明顯提升,在23天左右逐漸與B地塊土壤含水率接近。由此可以看出:播種后5天,A1組發(fā)芽率最高,在相鄰4行中已有3行發(fā)芽率達(dá)到100%;其次是A2和A3。播種期間施水作業(yè)對種子發(fā)芽及苗期生長有顯著良好影響,傳統(tǒng)播種5天發(fā)芽率明顯低于施水播種,且施水作業(yè)的玉米苗期長勢明顯好于傳統(tǒng)播種。播種10天后,施水作業(yè)玉米長勢和傳統(tǒng)無施水作業(yè)長勢分別如圖12、圖13所示。

圖12 施水作業(yè)長勢(播種后10天)

圖13 傳統(tǒng)無施水長勢(播種后10天)

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的變量施水播種機(jī),可在播種作業(yè)時同步施水。采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心,采用大扭矩舵機(jī)作為出水控制機(jī)構(gòu),編碼器檢測播種機(jī)作業(yè)速度。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)在播種時同步施水,并可根據(jù)播種機(jī)作業(yè)速度的快慢自主實(shí)時改變出水量的大小。播種5天后,A1、A2、A3、B組發(fā)芽率分別為95%、89%、86%和48%。施水播種的玉米種子發(fā)芽明顯早于傳統(tǒng)播種玉米,且施水作業(yè)的玉米苗長勢明顯好于傳統(tǒng)播種的玉米。

2)設(shè)計(jì)的玉米變量施水播種機(jī)可根據(jù)播種機(jī)作業(yè)速度自主實(shí)時改變出水量,運(yùn)行穩(wěn)定。施水播種有利于種子發(fā)芽,提高了土壤含水率,在約23天后含水率降至未施水作業(yè)地塊水平。此時,正接上華北雨季,并不會影響玉米后期生長,從而減少了一次傳統(tǒng)地表漫灌式澆水,在一定程度上緩解了農(nóng)民排隊(duì)澆水延誤農(nóng)時的問題,并大大節(jié)省用水量,節(jié)水意義重大。