一種單粒排種器單片機(jī)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

教傳艷

(沈陽工學(xué)院 機(jī)械工程與自動化學(xué)院,遼寧 撫順 113122)

0 引言

種植是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，為了達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的機(jī)械化水平，開發(fā)適合于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的高效播種技術(shù)和播種設(shè)備是十分必要的。在這些儀器中，單臺種子儀是精密播種機(jī)的核心部件，其排種性能的好壞直接影響到播種質(zhì)量[1]。在播種過程中，氣動式單排播種機(jī)處于全封閉狀態(tài)。因田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，播種機(jī)司機(jī)不能直觀地看到種子箱、種子管內(nèi)因播種失敗而導(dǎo)致的漏種現(xiàn)象[2]。堵塞、空氣壓力偏離有效值，以及播種器的傳動故障，都會導(dǎo)致單行或多行“斷條苗”，嚴(yán)重影響單行播種質(zhì)量和作物產(chǎn)量。優(yōu)化斗鏈?zhǔn)讲シN機(jī)的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)，可有效地降低漏播率。但是當(dāng)后期出現(xiàn)后，在缺苗的位置進(jìn)行人工移栽或補(bǔ)播，不僅增加了人工成本，延誤了耕作，而且秧苗生長的差異也會影響作物的產(chǎn)量[3]。對單粒排種器單片機(jī)檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了一套性能穩(wěn)定、可靠的單排種器漏種實(shí)時檢測系統(tǒng)，對排種器漏種狀態(tài)進(jìn)行全面判斷，改進(jìn)漏種實(shí)時檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確、及時檢測，提高單排種的質(zhì)量和效率，減少人工生產(chǎn)成本，避免晚補(bǔ)種，促進(jìn)單排種智能化發(fā)展。

1 單片機(jī)檢測裝置設(shè)計(jì)

改進(jìn)漏種實(shí)時檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確、及時補(bǔ)種，提高單排種質(zhì)量和效率，減少人工生產(chǎn)成本，避免晚補(bǔ)種，促進(jìn)單排種智能化發(fā)展[4]，單片機(jī)實(shí)時檢測裝置如圖1所示。

圖1 單片機(jī)實(shí)時檢測裝置

由圖1可知，該裝置主要由感知菜籽流動次序的光纖傳感系統(tǒng)和均勻分布的磁鋼陣列霍爾傳感系統(tǒng)兩部分組成，以獲取標(biāo)準(zhǔn)的播種器脈沖序列(即播種器轉(zhuǎn)速)[5]。檢測系統(tǒng)采用天線插頭與傳感器輸出端連接，以單片機(jī)為核心控制部件，實(shí)現(xiàn)對傳感器發(fā)送的脈沖信號的采集、存儲和數(shù)據(jù)處理[6]。

為了滿足單片機(jī)對電源和傳感器信號接收的要求，采用信號調(diào)理電路進(jìn)行降壓和信號調(diào)理，功率開關(guān)可獨(dú)立控制系統(tǒng)啟動或停止工作狀態(tài)[7]。開關(guān)接通后，系統(tǒng)即接通電源進(jìn)入工作狀態(tài)；開關(guān)斷開后，系統(tǒng)即停止工作，不再通電[8]。人機(jī)界面主要由4個按鍵組成的鍵盤構(gòu)成，按四鍵分別設(shè)定參數(shù)設(shè)定、上下、數(shù)據(jù)查詢等功能，實(shí)現(xiàn)缺失系數(shù)閾值的獨(dú)立設(shè)定，通過轉(zhuǎn)動鋼圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)同步盤磁檢測。顯示器報(bào)警由1602 LCD (LCD)和 LED (LED指示燈)等組成，用于實(shí)時顯示漏電檢測結(jié)果[9]。在精密菜籽計(jì)量裝置中，檢測漏播情況，當(dāng)漏播系數(shù)大于或等于漏播系數(shù)閾值時，由單片機(jī)向 LED顯示報(bào)警。

2 單片機(jī)檢測硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單片機(jī)檢測硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)檢測硬件結(jié)構(gòu)

由圖2可知，每套種子計(jì)量裝置都配有缺失的種子檢測和自動再播系統(tǒng)，即補(bǔ)充箱是裝在種子后、旁邊的種子，裝在種子后、裝在充氣口的種子，以及裝在充氣口右邊的電磁鐵，紅外線發(fā)射管、紅外線接收管和霍爾傳感器分別安裝在灌裝口下面，每一個種子采樣裝置上都有一根小型磁鋼[10]。在運(yùn)行過程中，由于機(jī)器振動較大，系統(tǒng)各模塊間采用插頭連接，并由牽引車上12 V車載直流電源供電。

2.1 單片機(jī)

缺種檢測與自動補(bǔ)種系統(tǒng)主要由電源模塊，檢測模塊、人機(jī)界面、MCU、補(bǔ)種模塊、LCD顯示模塊和聲光報(bào)警模塊組成[11]。檢測模塊由霍爾傳感器和光電傳感器組成；插秧模塊由插秧盒、固態(tài)繼電器和電磁鐵組成[12]；人機(jī)接口由自動復(fù)位按鈕和自動打擊測試按鈕組成。圖3顯示了單片機(jī)的連接結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3 單片機(jī)連接結(jié)構(gòu)原理圖

由圖3可知，串口總線適用于：設(shè)備之間的通信距離不超過15 m，最大傳輸速率20 kbps。采用-5～15 V表示邏輯1；+5～15 V表示邏輯0。采集裝置由上而下移動到種子保護(hù)槽，在霍爾傳感器到達(dá)安裝位置后，霍爾傳感器會感應(yīng)到小磁鋼的磁場，把采集設(shè)備的信息傳給單片機(jī)[13]。單片計(jì)算機(jī)向光電傳感器發(fā)送工作指令后處理信息，紅外發(fā)射管發(fā)射光[14]。若種子勺上沒有單個顆粒，紅外接收器就會收到光，與單片機(jī)連接的檢測電路及相關(guān)端口也會發(fā)生電平變化，單片機(jī)按程序?qū)⒐ぷ髦噶畎l(fā)送給補(bǔ)料執(zhí)行系統(tǒng)，再充料執(zhí)行系統(tǒng)通過發(fā)出顆粒補(bǔ)充脈沖，在其繼電器端收到一定的電流通過固態(tài)繼電器和電磁線圈[15]。利用電磁推力，攻絲桿將種子從播種口擊入苗種保護(hù)槽，在彈簧復(fù)位力的作用下，攻絲桿返回原位，完成動作。反之，再注冊執(zhí)行系統(tǒng)無效。與此同時，單片機(jī)根據(jù)泄漏檢測信號計(jì)算種子的總數(shù)和泄漏的數(shù)量，并將結(jié)果傳送到液晶顯示模塊。

2.2 傳感器

利用深圳霍爾微電子有限公司生產(chǎn)的3144 E開關(guān)霍爾傳感器對油菜種子儀進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，反相擊穿電壓24伏特，低電平電流50毫安。工作穩(wěn)定可靠?；魻杺鞲衅髂K包括兩個部分：霍爾傳感器元件和信號調(diào)理電路。

單排播種機(jī)播種軸同軸安裝有同軸盤，同軸盤上均布有與播種盤孔數(shù)相同磁鋼陣列。在單排裝置轉(zhuǎn)動時，同步盤上磁鋼周期性地遠(yuǎn)離霍爾傳感器[16]。隨著磁鋼向霍爾傳感器靠近，其輸出信號也從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑辉谶h(yuǎn)離霍爾傳感器的情況下，霍爾傳感器的輸出信號由高到低依次是：電平信號產(chǎn)生下降邊緣；通過將連接(關(guān)閉)信號轉(zhuǎn)換成上升(下降)信號，霍爾傳感器將其送到單片機(jī)系統(tǒng)中，得到與同步磁盤上均勻分布的磁鋼陣列相匹配的標(biāo)準(zhǔn)播種脈沖，從而獲得播種盤速度信息。

2.3 紅外光電傳感器電路

紅外光電傳感器檢測播管信號，如圖4所示。

圖4 紅外光電傳感器電路

由圖4可知，排種器由種管組成，信號主要是由安裝在每條管子底部的紅外光電傳感器采集的。該紅外光電傳感器包括發(fā)光裝置和收光裝置[17]。其發(fā)光器件(通常是紅外線或可見光發(fā)光二極管)使其發(fā)光，接收到的光設(shè)備(光敏電阻、光電感應(yīng)器、二極管、光電晶體管、硅光電池等)，當(dāng)種子下降時，由于種子的陰影，當(dāng)前產(chǎn)生的光接收設(shè)備很小，因此由200 k電阻產(chǎn)生的電壓降也相對較小，此時的潛伏點(diǎn)較高，經(jīng)過兩次無門轉(zhuǎn)換后，到達(dá)晶體管Q2底部，晶體管就會打開，這就是晶體管。

除發(fā)射器上的大電阻外，輸出也非常高。若不是種子落地，情況正好相反。監(jiān)控整個播種過程是否順利，檢測播管是否堵塞或漏出。當(dāng)排種管被堵塞時，種子將堆積起來覆蓋傳感器。在此期間，傳感器還會將高電平信號發(fā)送給單片機(jī)，并且信號總是高電平[18]。通過這種方式，單片機(jī)可以根據(jù)預(yù)設(shè)設(shè)置進(jìn)行聲光報(bào)警，并顯示出故障管子的具體位置。

2.4 聲光報(bào)警裝置

聲光報(bào)警裝置在種植過程中，無論發(fā)生何種漏播情況，即一旦發(fā)生漏播，系統(tǒng)都會發(fā)出聲光雙重報(bào)警，提醒操作人員注意漏播，防止大面積斷條[19]。盡管報(bào)警器電路簡單，但它在整個漏報(bào)檢測系統(tǒng)與驅(qū)動器之間起著橋梁作用，不能直接判斷系統(tǒng)內(nèi)部是否工作正常。只需一個正?？煽康穆暪鈭?bào)警器電路，就可以保證駕駛員及時了解播種情況，防止失播造成的巨大損失。為節(jié)省成本，系統(tǒng)采用連續(xù)蜂鳴器作為報(bào)警器，所用電器較少，電路簡單。

為避免駕駛員在嘈雜環(huán)境下聽不到聲響報(bào)警，必須設(shè)置燈光報(bào)警。聲光報(bào)警裝置采用結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的 LED作為指示燈。播種機(jī)正常工作時，二極管不亮；一旦發(fā)現(xiàn)漏電報(bào)警，二極管在發(fā)出聲音警報(bào)的同時閃爍提醒駕駛員。LED不僅體積小、壽命長，而且可靠性高、抗震性能好、工作電壓低、電流小、耗電少。其優(yōu)點(diǎn)足以滿足系統(tǒng)要求，也適用于現(xiàn)場作業(yè)。

3 單片機(jī)檢測軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單粒排種器粒子播種質(zhì)量檢測

單片機(jī)檢測軟件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)ADC控制器等設(shè)備芯片的操控程序，對單粒排種器粒子播種質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效控制與分析，在繼電保護(hù)裝置識別過程中能夠精準(zhǔn)完成粒子播種質(zhì)量檢測。種植過程中，由于地輪的不斷轉(zhuǎn)動，種箱內(nèi)種子表面高度不斷變化。激光測距傳感器安裝在種子箱頂部，能及時、準(zhǔn)確地檢測種子表面高度的變化。該傳感器利用激光探測原理，將傳感測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可輸出的信號[20-21]。在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先將激光發(fā)射二極管對著目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，目標(biāo)反射的激光向各個方向散射。光學(xué)系統(tǒng)接收到雪崩光電二極管后，將部分散射光返回傳感器，成像在雪崩光電二極管上。二極管是一種具有內(nèi)部放大功能的光學(xué)傳感器，它能夠檢測非常微弱的光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。通過記錄和處理從發(fā)射到接收光脈沖所經(jīng)過的時間，可確定目標(biāo)距離。為防止單粒排種器線路上的干擾數(shù)據(jù)向繼電保護(hù)裝置發(fā)送誤動信號，因此可以在數(shù)據(jù)處理芯片中設(shè)計(jì)反應(yīng)程序，及時控制保護(hù)裝置啟動元件，檢測出繼電保護(hù)裝置故障電流，同時打開繼電保護(hù)裝置電源。在處理輸電線路高頻信號時，存在著信號極值分類問題，當(dāng)信號頻率達(dá)到最大值時，需要保證繼電保護(hù)裝置內(nèi)的波形故障檢測能將信號逐個分解，當(dāng)信號頻率達(dá)到最小值時，需要設(shè)置故障檢測閾值以完成對干擾信號的識別，并在單片機(jī)檢測軟件繼電保護(hù)裝置內(nèi)完成信號質(zhì)量的自檢，自檢合格后，啟動保護(hù)動作程序，如果自檢信號質(zhì)量不合格，則斷開外部的信號輸出，在單片機(jī)檢測軟件繼電保護(hù)裝置內(nèi)巡檢，自檢合格后再啟動保護(hù)動作程序。

通過連續(xù)檢測能夠得到檢測前種子高度h1和檢測后種子高度h2，兩者之間差即為種子高度變化量：

Δh=h1-h2

(1)

設(shè)播種機(jī)行駛距離為x，播種機(jī)已知的播幅x1，播種機(jī)實(shí)際播種面積計(jì)算公式為：

S=xx1

(2)

通過上述公式可得到體積變化量：

ΔV=Δh×S

(3)

設(shè)種子播種密度為ρ，將該信息輸入單片機(jī)中，可得到單粒種子播種質(zhì)量：

Δm=ρ×ΔV

(4)

通過上述公式，可檢測出單粒排種器粒子播種質(zhì)量，結(jié)合該質(zhì)量，設(shè)計(jì)漏播實(shí)時檢測流程。

3.2 漏播實(shí)時檢測流程

該系統(tǒng)的檢測軟件主要針對精密計(jì)量裝置的漏電檢測實(shí)時算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用 C語言編寫 MCU程序，實(shí)時漏電檢測過程如圖5所示。

圖5 漏播實(shí)時檢測流程

由圖5可知，首先把精密計(jì)量裝置主零線拆開，斷開所有分開關(guān)，逐一查每路線路零線對地絕緣，找出問題線路后，再查看該專線有哪些電器是直接接線的，分別排查。精密計(jì)量裝置漏電會產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁感線，可以用一個有磁性的針放測試部位，若針方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明漏電。

當(dāng)實(shí)時漏電檢測裝置啟動后，單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢測系統(tǒng)進(jìn)入“參數(shù)設(shè)定”模式。依據(jù)播盤的孔型和農(nóng)藝生產(chǎn)的需要，人工設(shè)定漏播系數(shù)閾值和同步播盤磁鐵的數(shù)量。當(dāng)按壓“啟動檢測”時，單片機(jī)通過外部中斷采集種子流的序列信號和時間中斷采集標(biāo)準(zhǔn)播種器脈沖信號，存儲播種器頻率和播期序列，由此完成單片機(jī)檢測軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證單粒排種器單片機(jī)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

以陜西關(guān)中地區(qū)廣泛種植的玉米品種吉育19為試驗(yàn)對象，進(jìn)行了研究。株型緊湊，主穗和分枝呈小夾角，側(cè)枝姿態(tài)略向下彎曲。株高260 cm，穗位110 cm，穗長18.0 cm，穗行數(shù)14～16行，籽粒黃色，百粒重36.1克，出籽率87.9%。

因?yàn)橛衩撞シN機(jī)是在田間作業(yè)的，所以排種裝置與地輪之間是由地輪摩擦驅(qū)動排種裝置軸旋轉(zhuǎn)播種的。實(shí)驗(yàn)過程中，盡可能模擬播種機(jī)的工作狀態(tài)，以小型步進(jìn)電機(jī)為播種機(jī)的動力，模擬播種機(jī)帶動拖拉機(jī)正常播種。一般牽引車的排種速度是8-12公里/小時。實(shí)驗(yàn)中，該拖拉機(jī)的車速為9 km/h，株距為0.4 m。

4.2 實(shí)驗(yàn)臺

實(shí)驗(yàn)臺主要由排砂部、播種部、輸送部、控制部及機(jī)架組成，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)臺

輸送帶寬度0.5米，膠帶寬度5米，輸送有效距離。采用電鼓驅(qū)動，使其以一定的速度均勻運(yùn)動。出砂電機(jī)帶動砂輪均勻地排砂，形成一定寬度和厚度的輸送帶。排種器由播種器驅(qū)動，排種器通過排種管落在砂帶上。用過的砂籽混合物流入集砂罐，然后通過振動篩分離，將砂籽放入集砂杯內(nèi)再使用。刮砂器是用來清除粘在輸送帶上的砂粒的，排砂擋板的作用是防止實(shí)驗(yàn)臺不用時的排砂漏水，使用時打開排砂擋板。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用氣力式油菜單粒排種器、勺鏈?zhǔn)脚欧N器和單粒排種器對玉米籽粒排種效果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法排種效果對比分析

由圖7可知，使用單粒排種器與預(yù)期排種效果一致，而使用氣力式油菜單粒排種器沒有遵循一行1:2:3:2:1的排列方式，而是采用2:2:2:2:2的排列方式，一旦排種器傳動故障，就會出現(xiàn)斷條缺苗漏播情況；使用勺鏈?zhǔn)脚欧N器采用3:3:3的排列方式，在后期農(nóng)作物出苗后，受到漏播影響程度較大，導(dǎo)致玉米成長參差不齊。

為進(jìn)一步驗(yàn)證3種排種器的性能，還需要對3種排種器的漏種率進(jìn)行再次對比分析。表1中列出了結(jié)果。

表1 3種排種器漏播率對比分析

由表1可知，使用所設(shè)計(jì)單粒排種器漏播率低，而使用其余兩種排種器漏播率高，由此可知，使用所設(shè)計(jì)單粒排種器檢測效果較好。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種單粒排種器單片機(jī)檢測系統(tǒng)，用于準(zhǔn)確判斷不同漏報(bào)狀態(tài)。通過對漏苗實(shí)時檢測方法的研究，主要得出：在確定“稀苗”兩種不同的漏苗狀態(tài)下，分別確定稀苗系數(shù)和判斷漏苗的規(guī)則，該模型全面覆蓋了應(yīng)用中任意兩個系數(shù)組合所反映的單種排種器泄漏狀態(tài)類型。

單籽油菜精密計(jì)量裝置的漏檢與補(bǔ)播后續(xù)工作可進(jìn)一步從以下方面開展：對漏報(bào)的實(shí)時檢測算法優(yōu)化，縮短延遲距離。提出的漏電實(shí)時檢測方法，通過調(diào)整檢測時間窗口，可以在一定程度上縮短滯后距離，但最小滯后距離僅為0.5米。為縮短檢測滯后距離，提高檢測的實(shí)時性，并改善不同運(yùn)行環(huán)境的性能。