批次式種子清選機自動控制系統設計

李永磊，萬里鵬程，徐澤昕，袁 昊，陳海軍，宋建農

批次式種子清選機自動控制系統設計

李永磊1，萬里鵬程1，徐澤昕1，袁 昊1，陳海軍2,3※，宋建農1

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；3. 農業農村部農產品產后處理重點實驗室，北京 100125）

批次式種子清選機是為滿足試驗小區種子特殊加工要求而研制的專用裝備。為解決種子批次處理過程中操作工序多、勞動強度大、作業效率低等問題，該研究基于ARM（Advanced RISC Machine）嵌入式系統設計了批次式種子清選機自動控制系統。該系統由給料余量監測、篩面變頻振動、激振清篩控制、篩面傾角調節等功能模塊組成，以物料位置和狀態信息為主要控制條件，采用優先控制策略及變頻控制優化模型，明確了給料速度、振動頻率、激振頻率、篩面傾角的控制方法，實現物料位置特征信息精準提取、工作參數動態調整、作業過程自動控制及篩面高效清理。控制系統運行準確性試驗結果表明，篩面傾角、給料速度、振動頻率變異系數均小于3.19%，滿足使用要求。在前期研究基礎上開展批次式清選機作業性能試驗，綜合考察清選機自動控制下的作業質量。試驗結果表明：設定工況下自動控制系統運行正常、工作可靠，凈度、種子獲選率、批次作業時長、作業效率變異系數分別為0.15%、0.26% 、2.2%和2.19%，實現了批次式種子清選機的自動化作業。研究結果可為種子及其他顆粒物料的批次處理裝備自動化設計提供參考，為智能裝備的研發奠定基礎。

試驗；設計；小區；種子清選；自動控制；變頻振動

0 引 言

農作物品種選育田間試驗是現代種業的重要內容，是新品種選育及推廣應用的基礎和關鍵。田間試驗通常以試驗小區為基本種植單位[1-3]，其種植農藝和試驗要求具有種植品種多、單品面積小、間隔種植、重復試驗、同步試驗等特殊性，田間試驗機械化已發展成為相對獨立的、特殊的機械化技術體系。中國田間試驗機械研究起步較晚，投放市場的適用技術裝備缺乏，田間試驗機械化已成為種業機械化發展的瓶頸[4-6]。

隨著現代商業化育種體系建立和發展，國內外種業公司新品種選育試驗規模不斷增大，品種選育田間試驗安排數百上千乃至上萬個試驗小區已成常態。試驗小區面積多為5～20 m2，收獲種子約5～15 kg，甚至更少[7-10]。通常人工或機械收獲后的種子中含有碎秸稈、不成熟粒、不完善粒及灰塵等雜質（含雜率約為4%～10%），需進行基本清選處理后方可入庫存儲或開展后續試驗研究[11-13]。為避免混雜，每個小區收獲后的種子采用尼龍網袋獨立包裝并做好標記。目前，試驗小區種子處理多用簡易工具輔助清選或采用小型通用篩選機或風篩清選機簡單清選，普遍存在勞動強度大、作業效率低，通用設備種子易殘留及清機不便耗時長等問題[14-16]，迫切需要研發適用于試驗小區種子處理的專用裝備。陸榮等[17]為滿足試驗小區花生脫殼與清選作業需要研制了立錐式小區花生脫殼機及三通道橫流氣吸清選裝置；王升升等[18]設計了用于大白菜種子收獲的由內流式圓筒篩、橫流吸雜風機等組成的分離清選裝置。針對試驗小區種子品種數量多、每份種子質量少、分批次非連續作業、種子不能混雜及作業效率較高等特殊需求，作者團隊研制了批次式種子清選裝置[19]，系統集成了批次供種、風選除雜、篩選分級、篩面清理等作業工序，基本實現了試驗小區種子批次處理作業。但是該裝置采用簡易電控系統和手動操作作業方式，存在操作工序多、勞動強度大、作業效率低等問題，亟需提高作業自動化程度。

近年來，嵌入式系統[20-22]、光電傳感[23-27]等現代信息技術在農業裝備領域得到廣泛應用[28-31]。針對批次式種子清選機工作特性與自動化控制要求，本文基于ARM（Advanced RISC Machine）嵌入式系統研發了自動控制系統，具有物料狀態信息精準獲取、工作參數動態調整、篩面高效清理和作業過程穩定控制等功能，并進行樣機試驗，以實現清選機作業過程自動化。

1 系統結構與工作原理

1.1 批次式種子清選機結構

清選機結構如圖1所示，由機架、供料系統、風選系統、篩分裝置、驅動裝置及控制系統等組成。

供料系統、篩分裝置、驅動裝置安裝在機架上，供料系統采用直線電磁振動給料器供料；驅動裝置采用變頻電機驅動偏心軸連桿裝置提供動力；篩分裝置采用開放式框架結構和雙層組合篩片，在驅動裝置帶動下近似往復直線運動完成篩選作業；風選系統由清選風道和旋風分離器組成，清選風道安裝在供料系統與篩分裝置之間，旋風分離器安裝在可移動支架上。控制系統包括STM32主控制系統、終端顯示模塊、給料余量監測模塊、篩面傾角調節模塊、篩面變頻振動模塊、激振清篩控制模塊、適配電源模塊等功能模塊，完成清選機工作參數監測與作業過程控制。

1.2 工作原理

批次式種子清選機主要通過風選、篩選完成試驗小區種子的基本清選除雜和尺寸分級，其清選作業過程主要包括參數設置、供料篩分、振動清機、工況復位4個步驟。參數設置：在終端顯示模塊中選擇種子類型，確認篩片規格尺寸，設定適用給料速度、振動頻率、篩面傾角、風選風速等工作參數，啟動自動運行程序。供料篩分：人工放入料斗的一個批次種子（1個試驗小區種子）通過供料系統直線電磁振動給料器向清選風道均勻供料，物料在清選風道中完成風選除雜后進入篩分裝置，篩分裝置根據外形尺寸將物料篩分為大雜、合格種子、小雜3級，并由各層出口流入收集器中。振動清機：篩分后期適度增加篩面振動頻率并適時啟動激振清篩電機，通過提高篩面拋擲強度和額外增加高頻激振力，提高篩面清理效率和清篩效果；及時檢查篩面，防止篩孔卡種和種子殘留。工況復位：每批次種子清選作業完成后，將相關工作參數恢復至初始設定值，準備進行后續作業。批次式種子清選機作業過程相較于通用型風篩清選機作業的特殊性在于采用物料狀態監測和各變頻振動清機等技術措施，確保篩面無種子殘留，防止批次間種子混雜。

1.3 控制方案

控制系統結構如圖2所示。控制系統以STM32（型號為F407ZGT6）微控制器為處理核心，完成傳感信號的及時處理及作業過程控制；終端顯示模塊采用DGUS串口屏（型號為DMT80600T104），在DGUS ToolV5.04環境下開發軟件實現人機交互界面與微處理器數據雙向、高效傳輸；給料余量監測模塊采用的1號對射型光電傳感器獲得料斗物料料位信息，根據控制策略動態調整料速度；篩面變頻振動模塊采用2號、3號兩組對射光電傳感器獲得下層篩片前端和末端物料狀態信息，根據控制策略調整篩面驅動電機轉速，從而實現振動頻率動態調整；激振清篩控制模塊，基于2號、3號傳感器返回信號，采用間斷觸發方式啟動驅動清篩振動電機（型號為PUTA30）產生間歇高頻激振力輔助完成篩面清理作業。篩面傾角調節模塊采動態傾角傳感器（型號為BW-VG227）獲取篩面傾角實時數據，驅動步進電機（型號為57HS22）帶動傾角調節裝置實現篩面傾角精準調控；適配電源模塊分別提供AC220 V、DC24 V、DC12 V、DC5 V電源。采用角度傳感器傾角信息反饋和輔助位移限位開關實現篩分裝置安全限位和系統復位。

表1 清選機工作狀態與控制策略

2 控制系統硬件設計

2.1 總體設計

以STM32F407ZGT6微控制器為處理核心，以迪文DGUS串口屏為顯示終端，采用TTL串口通訊/RS485通訊，通過采集光電傳感器通斷信號、傾角傳感器角度信息并執行系統控制策略，完成電磁振動給料器、篩面驅動電機、清篩振動電機、傾角調節電機、風選風機等部件的運動控制，實現振動給料、物料篩分、變頻振動清機、高頻振動清篩、篩面傾角調整功能。控制系統硬件組成如圖3所示。

2.2 STM32主控制系統

STM32F407ZGT6微控制器具有12個16位定時器、2個32位定時器、2個DMA 控制器、3個IIC、6個串口、2個USB、2個CAN、3個12位ADC、2個12位DAC以及112個通用IO口等，能夠滿足系統搭建需求。

自動控制系統主體電路如圖4所示，PF9為控制篩面振動頻率的PWM1脈沖輸出端口，通過MOS管放大作用控制交流電機轉速；PF6為控制篩面傾角的PWM2脈沖輸出端口，改變定時器使能與非使能模式控制傾角調節電機啟停，PF2端口置1時正轉、置0時反轉；PF7為控制電磁振動給料器的PWM3脈沖輸出端口，通過MOS管連接到數字變壓調速器上，通過改變給料器輸入電壓實時調節給料速度。

2.3 終端顯示模塊

終端顯示模塊選用迪文DGUS串口電阻觸摸屏，能夠搭建豐富的GUI解決方案，滿足控制系統人機交互設計需求。串口屏10.4寸面板，485通訊數據傳輸，工作電壓5～15 V，工作溫度-20～70 ℃。

2.4 給料余量監測模塊

光電傳感器工作電壓DC12～24 V，響應時間25s～2 ms、最大環境亮度30 000 lux、耐受振頻10～55 Hz。SDVC31-M型調速器，最大輸出功率660 W，許用電壓范圍AC85～260 V；SKD140型電磁振動給料器振幅0.5～1 mm、功率25 W、適用電壓范圍170～195 V。

2.5 篩面變頻振動模塊

采用SCA-3C交流電機調速器調控篩面驅動電機轉速實現振動頻率調整。篩面驅動電機工作電壓220 V，最大轉速500 r/min。

2.6 激振清篩控制模塊

2.7 篩面傾角調節模塊

篩面傾角是影響物料篩分質量和效率的重要因素。本文采用動態傾角傳感器實時獲取篩面傾角數值，采用DM542驅動器根據控制要求驅動傾角調節電機正反轉，帶動X型支架升起或降落，進而實現傾角精準調控（4°～7°）。

傾角調節電機扭矩2.3 N·m，許用電流1～4.2 A，驅動器支持3.3、5和24 V脈沖信號。動態傾角傳感器工作電壓DC12 V，動態測量精度1°，系統啟動時間<50 ms，俯仰角讀取范圍為±90°，抗沖擊性能優良。

3 控制系統軟件設計

3.1 控制流程

為解決順序作業流程中3組光電傳感器信號的時序沖突、意外信號干擾等問題，調用外部中斷資源，根據控制需要設置4個不同優先級的標志位，1級為最高優先等級，當多個標志位同時啟用時執行高優先級。通過設定許用和禁用功能進一步提高控制系統穩定性。標志位優先級及功能設置如表2所示。

表2 標志位優先級及功能設置

控制系統以Keil uVision5軟件為開發環境，根據控制要求，控制器接收串口顯示屏交互數據，解析傳感器信息，判定清選機工作狀態，然后依據制定的控制策略執行相應的控制動作。控制系統工作流程如圖5所示。

3.2 人機交互界面

控制系統基于迪文DGUS串口屏開發人機交互界面。人機交互界面包括入口頁面、菜單頁面、參數設置界面（匹配玉米、水稻、小麥等不同作物種子），具備系統操作信息、工作參數設置、篩片規格提示信息等功能。

控制器采用TTL串口通信與人機交互界面進行雙向、高效數據傳輸。參數設置模塊支持工作參數實時輸入，各主要參數調節范圍及步長分別設置為：風速3.5～8.5 m/s，步長0.1 m/s；給料速度34～68 g/s，步長1 g/s；振動頻率5.5～8.3 Hz，步長0.1 Hz；篩面傾角4°～7°，步長0.1°，修改后的參數自動存儲并置為系統初始值。

3.3 給料速度控制方法

清選機采用SKD140型直線電磁振動給料器進行批次供料，給料速度通過調整配套SDVC31-M型數字變壓調速器輸出電壓調控。

控制器調用TIM11通道1的PWM（Pulse-Width Modulation）波，通過調整比較捕獲寄存器賦值改變PWM波占空比，在PF7端口輸出可調節電壓值。PF7端口輸出電壓值與比較捕獲寄存器賦值之間關系如式1所示。

PF7端口電壓值經過MOS管（MOSFET）電壓放大后輸入SDVC31-M調速器驅動電磁振動給料器給料。受機械結構、工作負載等影響，PF7端口輸出電壓與給料器給料速度呈現非線性關系。PF7端口電壓與給料速度對應關系如表3所示。

PF7端口電壓與給料速度二次多項式擬合方程如式（2）所示。

表3 PF7端口電壓與給料速度對應關系

3.4 振動頻率控制方法

篩分裝置在篩面驅動電機、偏心軸連桿裝置帶動下近似往復直線運動，振動頻率通過改變篩面驅動電機轉速進行調節。

STM32調用定時器TIM10通道1產生的PWM波，通過調整比較捕獲寄存器賦值改變PWM波占空比，在PF9端口輸出可調節電壓值。PF9端口電壓經MOS管放大后形成控制電壓，接入SCA-3C交流電機調速器電壓輸入端口后調控6GU3K-C15交流電機轉速。MOS管輸出電壓由式（3）計算。

由于電路存在電壓損失，對振動頻率與比較捕獲寄存器賦值進行標定。根據前期研究結果[19]，選擇振動篩分適用頻率為6.12～7.4 Hz，最高振動頻率8.3 Hz，TIM10比較捕獲寄存器賦值分別為105～150，92。標定數據詳見表4。

3.5 激振頻率控制方法

清篩振動電機高頻間歇振動（時長約3 s、間隔1 s）3～5次能夠有效清除篩孔卡種和篩面殘留種子。

清篩振動電機PUTA30輸入電壓為0～24 V，可以通過繼電器通斷直接控制電機啟停，根據前期試驗選擇適用電壓值為20 V。控制器設置PF0推挽輸出模式，由PF0端口輸出電平控制繼電器常開開關的開閉；通過設置高低電平輸出時序能夠控制清篩振動電機間歇啟停。

表4 振動頻率-TIM10賦值標定數據

注：1~8為標定點。

Note: 1-8 calibration points.

3.6 篩面傾角控制方法

傾角調節裝置以BWD-VG227動態傾角傳感器角度返回值為控制信號通過DM542驅動器驅動傾角調節電機，進而帶動X型支架升起或降落實現篩面傾角調節。

控制器采用RS485通訊方式實時讀取傾角傳感器返回值并與設置的角度閾值進行比較，達到設置值后關閉定時器，傾角調節電機停止工作。控制器調用TIM14通道1的PWM波，驅動器驅動步進電機轉動；PF2端口與驅動器DIR+輸入口相連，通過高低電平控制傾角調節電機正反轉。

4 控制系統準確性試驗

4.1 篩面傾角控制準確性試驗

采用BB-180A型角度傳感器測量篩面傾角實際角度值并與系統設定值相較計算其變異系數，傾角調節范圍4°～7°，調節步長0.5°，每組試驗重復5次。試驗指標變異系數CV由式（5）計算。

試驗結果如表5所示，各角度實測值與設定值的最大誤差為0.11°～0.18°，變異系數為1.58%～2.74%。

表5 傾角控制準確性試驗結果

4.2 給料速度控制準確性試驗

以3 kg玉米種子為對象測定給料速度準確性，根據振動給料器輸送能力選取40、45、50、55、60、65 g/s共6個水平，使用ULTRAK-DT459計時器記錄批次給料時長，每組試驗重復5次，計算給料速度變異系數。

試驗結果如表6所示，各工況給料速度最大誤差為1.2～2.2 g/s，變異系數為1.61%～3.19%，均滿足使用要求。

表6 給料速度控制準確性試驗結果

4.3 振動頻率控制準確性試驗

使用UT372非接觸電機轉速測速儀采集篩面驅動電機轉速并轉換為振動頻率。根據種子篩分所需振動頻率選取5.5、6、6.5、7、7.5、8 Hz共6個水平，每組試驗重復5次，由式（5）計算變異系數。

試驗結果如表7所示，各工況振動頻率最大誤差為0.14～0.23 Hz，變異系數為1.38%～2.55%，均滿足使用要求。

表7 振動頻率控制準確性試驗結果

5 樣機性能試驗

為了驗證自動控制系統穩定性和可靠性，評估控制系統的作業效果，在批次式種子清選機試驗樣機上加裝研制的自動控制系統，開展樣機性能試驗。

5.1 試驗方案

5.1.1 試驗條件

根據前期試驗結果[19]，確定清選機控制系統存儲優選工作參數為風選風速4.2 m/s、篩面傾角5.6°、給料速度52 g/s、振動頻率6.4 Hz、振幅5 mm；在該參數條件下進行10次重復試驗。試驗裝置如圖6所示。

5.1.2 試驗方法

將3 kg玉米種子倒入供料系統后，啟動自動控制程序開始清選作業。采用秒表統計作業時間，包括供料篩分時長、振動清機時長、工況復位時長；采用電子秤分別稱量合格種子質量、合格種子中雜質質量，進行10次重復。

5.1.3 試驗指標

5.2 結果與分析

試驗過程中自動控制系統運行正常，每批次的清選作業過程順暢、無故障或意外停機。

表8 性能試驗結果表

采用上述玉米種子試驗方法和試驗指標開展水稻、小麥、白菜種子清選加工適應性試驗。試驗場景如圖7所示，清選作業后水稻種子凈度99.3%，種子獲選率98.8%，作業效率41.7 g/s；小麥種子凈度99.5%，種子獲選率99.3%，作業效率52.5 g/s；白菜種子凈度98.5%，種子獲選率98.6%，作業效率33.4 g/s。試驗結果表明，批次式清選機對水稻、小麥、白菜種子具有較好的適應性，清選質量合格。

6 結 論

1）設計了批次式種子清選機自動控制系統，包括STM32主控制系統、終端顯示、給料余量監測、篩面變頻振動、激振清篩控制、篩面傾角調節等功能模塊，具備參數設置、振動給料、物料篩分、變頻振動清機、高頻振動清篩、篩面傾角調整等功能，實現了作業過程自動控制。

2）自動控制系統以STM32單片機為控制核心，以物料位置和狀態信息為主要控制條件，通過引入優先標志位優化清選機順序作業控制流程；提出了篩面傾角、給料速度、振動頻率等關鍵參數的控制方法，制定了作業過程優化控制策略，實現了種子清選機準確控制。

3）清選機試驗樣機性能試驗結果表明：玉米種子清選作業過程流暢、自動控制系統運行正常；在設定工況下凈度、種子獲選率、批次作業時長、作業效率的變異系數分別為0.15%、0.26%、2.2%和2.19%，清選機作業質量滿足使用要求。

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Design of automatic control system for plot batch seed cleaning machine

Li Yonglei1, Wan Lipengcheng1, Xu Zexin1, Yuan Hao1, Chen Haijun2,3※, Song Jiannong1

(1.,,100083,; 2.,,100125,; 3.,,100125,)

Plot breeding is a very important link of seed breeding, providing for the field experimental data and breeder seed or original seed. Seed harvested from the plot is commonly processed with manual tools or cleaned by simple machines. A batch seed cleaner is a piece of special equipment to meet the specific processing of germplasm materials in the experimental area. However, there are multiple operation procedures, high labor intensity, and low efficiency in seed batch processing. Manual operation with independent electric control systems has also caused uncontrollable clean-up quality, inefficient and time consuming. This study aims to develop a novel batch seed cleaner for the specific requirements of high efficiency, no residue and easy cleaning. An automatic control system was introduced to implement automatic operation using STM32 embed programming. A variety of functional modules were included, such as feeding margin detection, variable frequency vibration, high-frequency vibration cleaning, screen tilting adjustment, and terminal display with interactive interface and STM32 main control system. Hardware and software of the control system were designed for a sequence working flow, including the feeding, winnowing, and sieving. Three groups of photoelectric sensors were installed to monitor the location and status of the seed. Specifically, the No.1 photoelectric sensor was installed in the lower part of the hopper to monitor and control the feeding and air separation system. The No.2 and the No.3 photoelectric sensors were mounted on the two ends of the lower screen to control the screening device and vibration motor. An angle sensor was used to detect the angle of the screen. The key working parameters and functions were optimized, including the feeding speed, sieving vibration frequency, clean-up vibration, and tilt angle adjustment. The priority flag bit was used to optimize the sequential operation. An optimal control strategy was achieved for a stable and reliable system. A prototype performance test was carried out for high robustness of the automatic control system, thereby systematically investigating the influence on the quality and efficiency of seed batch cleaner. The cleaning test for corn seed showed that the coefficient of variation for the seed purity, the percentage of chosen seed, batch working time and working efficiency were 0.15%, 0.26%, 2.2% and 2.19% respectively, under the set working conditions. An optimal combination was gained for the quality requirements of plot seeding, where the cleaning process was smooth, while the automatic control system operated normally, and the batch seed cleaner worked reliably. This finding can provide a sound reference for the automatic control system in the intelligent batch cleaner for seed or granular materials.

experiments; design; plots; seed cleaning; automatic control; variable-frequency vibration

李永磊，萬里鵬程，徐澤昕，等. 批次式種子清選機自動控制系統設計[J]. 農業工程學報，2021，37(6)：9-17.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.002 http://www.tcsae.org

Li Yonglei, Wan Lipengcheng, Xu Zexin, et al. Design of automatic control system for plot batch seed cleaning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 9-17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.002 http://www.tcsae.org

2021-02-19

2021-03-12

國家重點研發計劃項目（2017YFD070120503）；國家重點研發計劃項目（2016YFD070030202）

李永磊，副教授，博士，主要研究方向為現代農機裝備設計及振動利用技術。Email：liyl0393@cau.edu.cn

陳海軍，研究員，主要研究方向為種業裝備及工程技術。Email：chenhj118@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.002

S226.5

A

1002-6819(2021)-06-0009-9