播種一體化蔬果玉米復合種植機設計

馬靜 梁堃 楊葉

（寧夏工商職業技術學院，寧夏 銀川750001）

蔬果玉米是指用作干鮮果品、蔬菜、榨汁以及罐藏食品等的玉米，包括甜玉米、糯玉米、爆列玉米等品種；寧夏由于光熱條件好和大面積的引黃灌區，蔬果玉米單產能力較高。近些年，寧夏不斷調整玉米結構，優化種植結構，蔬果玉米種植基地增至2 萬多畝，是重要的經濟作物，成為當地農民脫貧的重要手段，特別是引黃灌區依托加工企業，因地制宜發展鮮食糯玉米、甜玉米種植、生產、加工產業取得了較大的經濟效益。

但在整體推進過程中，中間環節多、人工成本高，種植機械化程度低、整體技術標準較低、難以形成產業化發展等問題，阻礙了蔬果玉米產業的可持續發展。其中，由于寧夏沙土面積占耕地面積約25%[2]，伴隨中部干旱帶、南部山區蔬果玉米種植面積不斷增加，傳統大水漫灌玉米種植的方式造成水資源的嚴重浪費和水肥利用效率低等現象更是普遍存在。按照農業部《關于“鐮刀彎”地區玉米結構調整的指導意見》的要求，寧夏回族自治區出臺了玉米結構調整指導意見，意見指出要壓減大水漫灌玉米種植面積，嚴格控制灌溉用水總額，大力發展以水肥一體化為核心的高效節水玉米種植機械，加大綠色高產高效和模式攻關，提高產品產量和品質[1]。

玉米播種是玉米種植的關鍵環節，傳統的玉米播種方式是玉米點播或者條播,效率低下、耗時較長，影響玉米產量。針對這一現狀，本文采取農機與農藝結合的措施，設計出了與拖拉機組配套的高效復合的蔬果玉米滲灌、播種、施肥、覆膜一體化高效種植設備。

1 總體方案設計

研制一種高效復合的蔬果玉米滲灌、播種、施肥、覆膜一體化種植設備。該設備與拖拉機組成作業機組，可一次完成滲灌管預埋、精量播種施肥、噴灑農藥，覆膜等工序。設備主要由機架、滲灌管開溝器、滲灌管卷支架、預埋滲灌管覆土機構、挖坑輪、播種輪、農藥噴灑機構、薄膜卷支架及壓輥機構、支撐滾輪、薄膜覆土機構等部分組成，如圖1 所示。

1.1 預埋滲灌管結構

隨著日益嚴峻的水資源緊缺危機的出現以及環保意識的增強，作為當今最先進的節水灌溉技術之一的滲灌技術在玉米種植中開始得到應用。滲灌是地下微灌的技術形式，通過在作物根系活動層預埋微孔滲灌管，根據作物的生長需水量定時定量地向土壤中滲水供給作物，滲濕根際土壤，可以最大限度地杜絕水資源的損失和浪費。相比較噴灌、滴灌水肥一體化為核心的節水灌溉模式，滲灌節水更加高效，可以實現畝節水70%以上，畝節約肥料50 公斤[3]。滲灌的另一個優點是：澆后土壤表面仍保持疏松狀態，改善土壤通氣條件同時提高了養分狀況，有利于根系的發育，也節省了除草松土的用工、節省了占地，便于田間作業。

圖1 播種一體化蔬果玉米復合種植機結構主體

本結構中主要有滲灌管開溝器、滲灌管管盤、滲灌支承輪架、滲灌管預埋覆土器。在機組行進的過程中，滲灌管開溝器、滲灌管管盤、滲灌支承輪架、滲灌管預埋覆土器互相配合完成滲灌管的鋪設、填土、預埋工序，田間灌水時，水通過埋設于地面以下的微孔滲灌滲水管的管壁的孔眼滲出，經土壤滲吸擴散，濕潤根區土壤，以供作物生長需要。

1.2 播種施肥結構

本結構主要有種箱、肥箱、開溝器、覆土機構、排種器、排肥器、驅動電機構成，依此能完成播種、施肥、覆土鎮壓等工序。本結構中的重點是排種器的設計和控制，體現出的技術優點在于：通過驅動電機及控制模塊、播種量控制系統的合理設計，使得排種器在作業過程中，每穴玉米種子精量入溝可控，節省播種用種量，達到農藝設計要求；同時，在播種的過程中合理的設計排肥機構，使得種、肥達到精量控制的目的；播種器分左右型腔，種子和化肥分開裝，獨立出口設計，防止種子與化肥直接接觸，保證成活率及后續生長養料充足；播種器置于播種輪上，在工作中與挖坑輪相互配合使用；挖坑輪通過滾輪表面的鏟型結構，行進中實現挖坑；挖坑輪與播種輪具有角向要求，為了保證種子和化肥準確點種到挖坑輪挖的坑中，挖坑輪的挖鏟必須與播種輪的出料嘴同相位，使用一對等大小鏈輪連接挖坑輪和播種輪，調整好相位，安裝鏈條[4]。

1.3 農藥噴灑結構

現有的玉米播種機不能夠將覆膜和噴藥一體完成，使用較為麻煩，人工勞動強度大，不能在覆膜前后分別對種子處進行噴灑農藥。由于玉米苗長成后間距比較密，長得高，農戶進入玉米地不易將農藥噴灑在玉米葉上，農藥噴灑的效果不好，滅蟲效果不佳。所以，要在種植期進行農藥噴灑，防止土壤內的各種蟲和卵，在播種完吃掉玉米；防止蟲害在玉米幼苗期破壞幼苗根莖。通過在覆膜前對播種位置進行噴灑農藥，提高殺蟲和覆膜效果，使玉米播種過程中覆膜和噴灑農藥一體完成，大大提高玉米播種作業效率，降低人工勞動強度，具有極高的使用價值。

1.4 覆膜結構

覆膜栽培技術是提高農作物產量的有效措施之一，它具有儲存雨水，抑制雜草生長，防寒、節水、增溫、增產，使作物早熟、提高地表溫度的功效，社會、經濟、生態效益非常顯著；因此，覆膜栽培技術是解決我國干旱地區、半干旱地區提高糧食產量的關鍵技術。

本結構中主要包括薄膜卷、支撐滾輪與覆膜犁組合實現覆膜、覆土工序。工作時，首先將合適寬度的卷狀的薄膜安裝薄膜卷上，并將薄膜端頭預壓在支撐滾輪下，工作過程中，地膜在覆膜裝置的自重和牽引力的作用下自動轉動，從而將薄膜鋪展開來，然后通過兩側的覆膜犁將薄膜的兩邊掩埋在土壤中，一方面預防膜被大風揭起同時可以對降雨進行有效的阻擋，另一方面，一旦覆膜完成，就要開啟對薄膜的保護管理工作比如：防止動牲畜進入園地破壞，預防大風揭起、吹壞，一旦發現問題需要及時用細土覆蓋保證覆膜效果。覆膜后，薄膜阻隔了土壤中的氣、水以及熱量向空氣中的散發流失，促進了土壤養分的分解釋放和土壤微生物活動，對于玉米種子而言就像形成了一個微型溫棚，土壤溫度明顯增加，從而促進了玉米的發芽、生長[5]。

2 控制原理及系統組成

控制系統的作業原理：利用轉速傳感器獲取拖拉機的前進速度信號, 該信號經過傳感器內部電路處理后轉變成電信號輸送給單片機；單片機根據輸入參數株距計算處理后得到應輸送給步進電機驅動器的脈沖數, 從而使步進電機轉速與拖拉機前進速度保持一致,以達到均勻排種的目的，控制原理如圖所示。

圖2 播種一體機控制系統結構示意圖

其中，單片機系統主機模塊主要完成拖拉機前進速度信號的采集以及觸摸屏輸入株距參數、人機交互等功能，單片機系統從機模塊主要通過控制步進電機的脈沖數調節排種器的排種速度。由于拖拉機駕駛室到播種一體機兩側排種器之間存在一定距離, 如果用有線傳輸會使控制線路雜亂且影響系統整體布局，為了簡化線路和增強系統的抗干擾性,兩個單片機控制單元，一個裝在拖拉機駕駛室里作為單片機系統主機，另一個安裝在排種器附近作為單片機系統從機，兩個單片機控制單元之間通過芯片進行信息的無線傳輸。

3 電機控制方案的確定

在玉米種植機械中，排種器的設計是最重要的部分，傳統機械式排種器多使用地輪驅動的方式，由于地輪在行進過程中會出現打滑造成播種間距不均勻、漏播等問題，改進的方式就是采用電機直驅，排種更加穩定可靠且速度可調。目前，排種器的驅動電機有伺服電機、直流減速電機、步進電機等多種選擇方式。

3.1 伺服電機方案。 拖拉機速度信號通過單片機可轉換為伺服電機的脈沖信號, 在伺服電機轉速與拖拉機行進速度之間構建一定的數學關系模型, 使伺服電機的轉速隨著拖拉機速度的變化而變化；伺服電機通過脈沖信號來實現，當每接收到1 個脈沖，就會旋轉1 個對應的角度或位移，同時電機本身可以發出反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，通過閉環控制，可以較快、較容易實現高精度的速度控制,其精度可以達0.001mm，能夠實現玉米排種器的精量控制，但成本相對較高。

3.2 直流減速電機方案。直流減速電機的齒輪減速機構可以獲得較低的轉速，較大的力矩，同時，不同的傳動比可以提供不同的轉速和力矩的選擇，這使得直流電機在農機半自動化行業中的使用率大大提高了，使用減速電機的最大優點是是簡化設計、節省空間，扭矩大、振動小、能耗低、緊湊小巧。但若在排種器驅動方案中選擇此電機，不足問題是沒有轉速反饋裝置，若要實現閉環控制還需采用獨立的速度檢測裝置。

3.3 步進電機方案。步進電機是將脈沖信號轉變為角位移或線位移步進電機件, 通常, 每接收一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或位移，電機輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，電機的輸出轉速取決于與脈沖頻率。因此, 可通過控制脈沖個數來控制角位移量, 從而準確定位, 實現精量播種。步進電機采用開環控制, 可采用速度檢測裝置實現反饋，控制精度雖然不及伺服電機高但足可以滿足播種的要求。

經過綜合性能比較,考慮設計農民買得起、用得好的機型，本設計采用了步進電機驅動排種器的控制方案。

4 結論

本文通過使用基于單片機系統的電機驅動蔬果玉米播種機的排種、施肥部分，不但省去了鏈輪、鏈條及齒輪變速箱,結構簡單易操作，更實現了播種和施肥的精量控制，該機可實現滲灌、播種、施肥、覆膜以及噴灑農藥等工序，一機多用，增強了可靠性、智能性, 操作更容易且值得推廣。