氣吸式小麥電控播種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

閆 青,趙達(dá)衛(wèi),趙曉順,霍曉靜,王文娣,王 輝,唐 娟

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

國(guó)內(nèi)的小麥播種機(jī)以機(jī)械式為主,地輪作為播種機(jī)的播種驅(qū)動(dòng)輪,傳統(tǒng)機(jī)械式小麥播種機(jī)性能不斷提高,基本可以滿足播種作業(yè)的需要。目前,條播是小麥最常用的播種方式。撒播方法簡(jiǎn)單,省工省時(shí),但小麥播種深度差異較大,不利于小麥生長(zhǎng);穴播多使用于地理?xiàng)l件較差的地塊,可以集中施肥,播深較為一致,但小麥產(chǎn)量不穩(wěn)、不高,費(fèi)時(shí)費(fèi)力;條播相對(duì)省時(shí)省工,田間整體有良好通風(fēng)性,小麥生長(zhǎng)環(huán)境較好,易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn),但每行麥苗密度較大,行內(nèi)均勻性變化較大。小麥精量播種技術(shù)通過精確控制小麥株距,提高了播種均勻性,實(shí)現(xiàn)了小麥植株之間合理的行距、株距,科學(xué)分配水、肥、光條件,使小麥個(gè)體有效分蘗,為小麥生長(zhǎng)提供良好環(huán)境和保障。為了滿足精量播種的農(nóng)藝要求,提高小麥精量播種機(jī)的播種質(zhì)量,設(shè)計(jì)、優(yōu)化了小麥播種電控系統(tǒng),以提高小麥播種質(zhì)量。

國(guó)外對(duì)精量播種技術(shù)的運(yùn)用和精量播種機(jī)的研究較早,依托于先進(jìn)的傳感技術(shù)和GPS技術(shù)[1]在播種作業(yè)中的廣泛使用,精量播種、變量施肥技術(shù)已較為成熟。國(guó)內(nèi)對(duì)播種控制的研究與國(guó)外相比起步較晚,不夠成熟,對(duì)大籽粒作物的單粒精播研究較多,對(duì)小麥等小籽粒作物的研究不足。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)張春玲設(shè)計(jì)的電控玉米排種系統(tǒng)[2],利用雷達(dá)測(cè)速、電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米的精量播種,播種質(zhì)量有所提高。河南科技大學(xué)研制的2BFJ-24型小麥精量播種變量施肥機(jī)[3],具有防堵預(yù)警和變量施肥的功能。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)設(shè)計(jì)的氣吸式玉米播種機(jī)智能電控系統(tǒng)[4-5],采用光電編碼器采集車速,控制排種軸轉(zhuǎn)速,達(dá)到玉米的精量播種控制。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)電控播種系統(tǒng)的研究還只是停留在試驗(yàn)階段,沒有成熟的產(chǎn)品,在速度測(cè)量、電機(jī)控制、播種質(zhì)量檢測(cè)等方面還有很多不足之處[6-9]。氣吸式排種器傷種率低,效率高,電控系統(tǒng)和氣吸式相結(jié)合是目前播種機(jī)械發(fā)展的方向,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)現(xiàn)代化、智能化[10]的有效途徑。本課題結(jié)合氣吸式排種器設(shè)計(jì)了電控播種系統(tǒng),旨在為小麥單粒精播的實(shí)現(xiàn)及提高播種質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

1 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及原理

控制系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、顯示屏、旋轉(zhuǎn)編碼器、步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。在播種過程中,旋轉(zhuǎn)編碼器采集機(jī)具行進(jìn)速度信號(hào),控制器依據(jù)速度數(shù)據(jù)與設(shè)定株距計(jì)算后得出排種器的理論轉(zhuǎn)速,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。在單片機(jī)系統(tǒng)中,使用外部中斷INT0和定時(shí)器T0完成對(duì)速度信號(hào)的采集,采用濾波算法使得采集到的速度信號(hào)更加準(zhǔn)確可靠[11]。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理框圖Fig.1 Block diagramofwork principle

1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.2.1 控制器模塊

控制系統(tǒng)處理器選用STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC型單片機(jī),具有低消耗、高性能和超強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn),供電方式有5.5～3.4V和2.0～3.8V兩種,本系統(tǒng)采用5V供電。

1.2.2 電機(jī)控制模塊

電機(jī)選用普菲德86BYG250A型號(hào)兩相步進(jìn)電機(jī),扭矩為2.4N·m,歩距角為1.8°,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為DM542,24V供電;PUL-(PUL)接口與單片機(jī)I/O口連接,步進(jìn)電機(jī)的接線與控制器A+、A-、B+、B-端口對(duì)應(yīng)連接,相關(guān)電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)控制電路圖Fig.2 Circuitdiagram of motor control

1.2.3 測(cè)速模塊

在測(cè)速模塊中,采用HN3806-AB-400N型號(hào)旋轉(zhuǎn)編碼器,5～24V供電,脈沖信號(hào)輸出A端口與單片機(jī)外部中斷P3.2口相連,同時(shí)兩端口之間接阻值為5kΩ的上拉電阻R3,將P3.2口電平拉高。測(cè)速模塊如圖3所示。

圖3 測(cè)速模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of speed measuring module

1.2.4 顯示模塊

顯示模塊由LCD1602顯示器和獨(dú)立按鍵組成。其中,顯示器可顯示當(dāng)前行進(jìn)速度、排種軸轉(zhuǎn)速和設(shè)定株距信息;獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)株距信息的輸入、修改,作業(yè)人員可以通過按鍵控制系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。顯示模塊電路如圖4所示。

圖4 顯示模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of display module

1.2.5 電壓轉(zhuǎn)換模塊

在系統(tǒng)中需要使用5V供電,拖拉機(jī)一般可提供12V電壓,需要電壓轉(zhuǎn)換電路將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V。電壓轉(zhuǎn)換電路使用LM1117MPX-5.0芯片,工作性能好,使用簡(jiǎn)單。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用Keilμ Vision 4,編程語言為C語言[12],實(shí)現(xiàn)測(cè)速模塊、電機(jī)控制模塊和顯示模塊的功能。在控制邏輯上,控制系統(tǒng)開始運(yùn)行后,用戶輸入株距值,測(cè)速模塊執(zhí)行測(cè)速功能并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),經(jīng)過計(jì)算得到理論的電機(jī)轉(zhuǎn)速后將控制信號(hào)傳輸給電機(jī)控制模塊。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,顯示模塊實(shí)時(shí)顯示設(shè)定株距、機(jī)具行進(jìn)速度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。在測(cè)速程序中,定時(shí)器T0定時(shí)50ms,外部中斷INT0檢測(cè)外部脈沖信號(hào),經(jīng)過處理器計(jì)算得出被測(cè)輪轉(zhuǎn)速。在電機(jī)控制模塊中,使用定時(shí)器T1產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。控制主流程圖如圖6所示。

1.4 控制程序優(yōu)化

控制程序由C語言編寫。在車速檢測(cè)控制程序中,外部中斷INT0檢測(cè)編碼器脈沖信號(hào),結(jié)合定時(shí)器T0來確定旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)速,進(jìn)而得到車速。在排種盤轉(zhuǎn)速控制程序中,依據(jù)設(shè)定好的株距值和車速對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,通過計(jì)算公式將車速和電機(jī)轉(zhuǎn)速建立關(guān)系,達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[8];在電機(jī)控制程序中,使用定時(shí)器T1發(fā)出頻率符合要求的脈沖信號(hào),控制步進(jìn)電機(jī)。

由于播種作業(yè)的環(huán)境條件較差,機(jī)架振動(dòng)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器有一定影響,在軟件設(shè)計(jì)時(shí),用濾波算法對(duì)得到的脈沖信號(hào)進(jìn)行分析處理,以得到較為準(zhǔn)確的車速信號(hào)[9]。在測(cè)速程序中,基本思路如下:通過定時(shí)器T0定時(shí)50ms,外部中斷檢測(cè)旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào),經(jīng)過10次定時(shí),可以得到500ms內(nèi)總的脈沖數(shù),再取每次定時(shí)50ms的平均值。但是,由于外界環(huán)境和系統(tǒng)運(yùn)行誤差的影響,簡(jiǎn)單的均值算法得出的結(jié)果不穩(wěn)定,當(dāng)車速發(fā)生變化時(shí),每次檢測(cè)的結(jié)果突變較大,如果以此作為控制步進(jìn)電機(jī)的參數(shù),電機(jī)會(huì)發(fā)生卡頓現(xiàn)象,對(duì)播種效果產(chǎn)生影響。

為了消除干擾信號(hào)的影響,程序設(shè)計(jì)中使用了一階滯后濾波算法,是通過設(shè)定參數(shù)a將本次采樣結(jié)果與上次濾波結(jié)果建立聯(lián)系的濾波方法。試驗(yàn)使用的光電旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)1圈產(chǎn)生400個(gè)脈沖,播種機(jī)在田間作業(yè)會(huì)產(chǎn)生頻率較高的干擾信號(hào),故一階滯后濾波較為適用,其濾波相關(guān)公式為

z=(1-a)x+ay

(1)

式中a—濾波系數(shù),0

x—本次采樣值;

y—上次濾波結(jié)果。

在程序設(shè)計(jì)中,y為50ms內(nèi)檢測(cè)到的外部脈沖個(gè)數(shù);z為經(jīng)過公式(1)計(jì)算得到的值,同時(shí)作為公式(1)下一次計(jì)算中的x值。依次迭代計(jì)算,得出較為準(zhǔn)確的脈沖信號(hào),提高測(cè)速準(zhǔn)確性。

2 控制系統(tǒng)相關(guān)計(jì)算

2.1 排種器的排種數(shù)

播種控制系統(tǒng)以氣吸式槽縫排種器為研究對(duì)象,排種器主要部分為兩個(gè)圓盤,之間形成縫隙寬為0.7mm,風(fēng)機(jī)工作后縫隙間形成負(fù)壓,達(dá)到吸種效果。排種器旋轉(zhuǎn)1周的排種數(shù)決定了一定時(shí)間、轉(zhuǎn)速下的播種量和電機(jī)控制參數(shù),其值為m,由試驗(yàn)得到。吸種原理如圖7所示。

圖7 吸種原理簡(jiǎn)Fig.7 Schematic diagram of suckingseeds

2.2 排種軸轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系

已知排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)1圈可播下的種子粒數(shù)為m,相鄰兩粒種子下落時(shí)間間隔為

(2)

式中Δt—相鄰兩粒種子下落時(shí)間間隔(s);

n—排種盤轉(zhuǎn)速(r/min)。

株距計(jì)算公式為

(3)

式中Z—小麥株距(mm);

v—機(jī)具行進(jìn)速度(km/h)。

由公式(3)得

(4)

被測(cè)輪的半徑為R(cm),公式(4)可化為

(5)

式中n1—被測(cè)輪轉(zhuǎn)速(r/min);

R—被測(cè)輪半徑(cm)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),相關(guān)設(shè)備如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備Table 1 Testequipment

搭建播種試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行播種試驗(yàn),其主要機(jī)構(gòu)如圖8所示。

3.2 氣吸式排種器吸種試驗(yàn)

選用槽縫氣吸式排種器,試驗(yàn)中風(fēng)機(jī)可以提供4.5kPa的負(fù)壓。為了測(cè)試吸種穩(wěn)定性,確定排種盤旋轉(zhuǎn)1圈的播種數(shù)m(粒),對(duì)排種器進(jìn)行吸種試驗(yàn)。試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)分別為1、5、10,將株距設(shè)定為10mm,排種器轉(zhuǎn)速分別為25、40、50r/min,每組試驗(yàn)次數(shù)為5次,記錄結(jié)果并比較。試驗(yàn)中,排種器吸種效果如圖9所示,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 吸種試驗(yàn)記錄Table 2 Test record of sucking seeds 粒

試驗(yàn)結(jié)果表明:排種器轉(zhuǎn)速對(duì)吸種數(shù)有一定影響。為保證小麥播種均勻性,本設(shè)計(jì)取試驗(yàn)轉(zhuǎn)速所測(cè)平均值m=651。

3.3 電機(jī)控制精度試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)

試驗(yàn)使用的步進(jìn)電機(jī),控制方式為開環(huán)控制,通過對(duì)控制器輸出一定頻率的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率有關(guān)。控制器設(shè)定細(xì)分為400Pulse/r,即對(duì)PUL-(PUL)端口輸出400個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈。通過理論轉(zhuǎn)速和實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速的對(duì)比試驗(yàn),確定電機(jī)控制的精確性。

設(shè)定10組不同轉(zhuǎn)速,使用優(yōu)化的控制系統(tǒng),得到每組試驗(yàn)理論轉(zhuǎn)速、實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速、實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速和實(shí)際輸出頻率的試驗(yàn)結(jié)果,如表3所示。此外,對(duì)25、50、125r/min等3種轉(zhuǎn)速進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn),得到檢測(cè)轉(zhuǎn)速、理論轉(zhuǎn)速、實(shí)際輸出脈沖頻率和檢測(cè)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線;另外,使用未優(yōu)化的控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),得到在以上3種轉(zhuǎn)速下檢測(cè)轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖10所示。

圖10 步進(jìn)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速指標(biāo)對(duì)比曲線Fig.10 Comparison curves of speed index of stepping motor at different speeds

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)試驗(yàn)中,理論轉(zhuǎn)速由算法計(jì)算得出,實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速值由示波器檢測(cè)單片機(jī)I/O口的輸出脈沖頻率換算得到,實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)得出。由試驗(yàn)分析可知:3種轉(zhuǎn)速值有一定偏差,實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速和理論轉(zhuǎn)速最大偏差率為0.8%,電機(jī)轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)的理論轉(zhuǎn)速與檢測(cè)轉(zhuǎn)速的差值較50/min和125r/min時(shí)的差值大,但偏差率最大為0.6%。理論轉(zhuǎn)速是控制電機(jī)需達(dá)到的轉(zhuǎn)速,實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速相對(duì)較小,將兩者的誤差轉(zhuǎn)換成播種量的誤差,可得播種量最大誤差率理論值為0.8%,滿足播種要求。

2)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速和實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速存在誤差,最大偏差率為3.6%,測(cè)速模塊測(cè)速精度滿足要求。

3)由作業(yè)速度下的轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線可知:測(cè)速程序優(yōu)化后,實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速和實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速的最大偏差率為6.5%,測(cè)速更加準(zhǔn)確。

3.4 排種性能試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)

試驗(yàn)中,播種合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和粒距變異指數(shù)的計(jì)算參照GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》得出。試驗(yàn)設(shè)置株距分別為10、20、30mm,排種器轉(zhuǎn)速分別為25、50、125r/min,另設(shè)1組變速試驗(yàn)。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)果如表4所示。在不同作業(yè)速度下,粒距為10、20、30mm的合格指數(shù)平均值分別為77.96%、90.85%、95.35%,重播指數(shù)平均值分別為5.74%、3.98%、1.21%,漏播指數(shù)平均值分別為13.05%、4.41%、3.43%,合格粒距變異系數(shù)平均值分別為25.47%、22.79%、20.96%。不同粒距與不同排種器轉(zhuǎn)速下的播種質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比如圖11所示。

表4 排種試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of seeding test %

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

參照J(rèn)B/T 10293-2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中的相關(guān)內(nèi)容,如表5所示。由表5可知:試驗(yàn)得出的粒距合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)和合格粒距變異系數(shù)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由圖11可以直觀地看出:合格指數(shù)與粒距成正比,設(shè)定粒距越大,測(cè)量誤差和控制誤差對(duì)結(jié)果的影響越小,同時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的精度也隨著粒距的增大而減小。粒距為20mm和30mm的試驗(yàn)得出的漏播指數(shù)比粒距為10mm時(shí)的漏播指數(shù)小,粒距較小時(shí)誤差會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。同樣,粒距為20mm和30mm時(shí),試驗(yàn)得出的合格粒距變異系數(shù)也小于粒距為10mm時(shí)。試驗(yàn)得出的合格粒距變異系數(shù),在不同粒距條件下的試驗(yàn)中,播種質(zhì)量指標(biāo)均滿足JB/T 10293-2013的標(biāo)準(zhǔn)。

表5 作業(yè)性能指標(biāo)Table 5 Work performanceindicator

4 結(jié)論

1)氣吸式小麥電控排種系統(tǒng)改變了排種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)小麥單粒精播。使用低成本、控制簡(jiǎn)單的STC98C51單片機(jī)為控制芯片,優(yōu)化了測(cè)速程序,提高了測(cè)量準(zhǔn)確性。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明:電控排種系統(tǒng)提高了播種質(zhì)量,在設(shè)定不同粒距的情況下,排種合格指數(shù)平均為88.05%,重播指數(shù)平均為3.64%,漏播指數(shù)平均為6.96%,合格粒距變異系數(shù)平均為23.07%,均滿足JB/T 10293-2013的技術(shù)要求,有較好的播種效果。

3)電控排種器在高轉(zhuǎn)速作業(yè)中的排種效果良好,通過前期對(duì)傳統(tǒng)小麥播種的實(shí)際調(diào)研,在高速作業(yè)情況下氣吸式電控播種系統(tǒng)有著更高的工作效率和工作質(zhì)量。