一種電動玉米精量播種機施肥監測裝置設計*

楊 柳 ， 楊 莎 ， 楊瓔珞

（黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163000）

隨著玉米、大豆等糧食作物種植面積的增加，農業生產者普遍借助化肥實現糧食增產。黑龍江省是我國玉米和大豆的主要產區之一，在我國玉米和大豆產業中占重要地位[1-3]。農業生產施肥與糧食產量有著緊密的聯系，科學有效施肥可達到增產的效果，但部分農業生產者缺少科學施肥的意識[4]，為了增加產量，大量施用化肥[5]。過量的化肥不僅不能被農作物吸收，而且會殘留在土壤里并隨雨水流入河流，對土壤以及生態環境的破壞不容小覷。所以，開發和研制符合農藝要求的玉米等中耕作物精密播種施肥機械，加強在玉米精量播種機肥料施播狀態監測以及故障報警信息監測等控制系統方面的研究，對推動精密播種施肥機械化技術的發展及指導實際生產具有重要的現實意義[6]?；诖?，課題小組在現有研究基礎上，根據黑龍江省玉米種植特點以及土地地塊信息，利用GPS、人機交互、無線通信、智能控制等技術，設計玉米精量播種機的施肥裝置以及監測系統，可實現肥量監測、肥管空堵報警以及數據儲存與顯示。

1 關鍵部件機械結構

電動玉米精量播種機施肥裝置機械結構由電動外槽輪排肥器、排肥管、機架、肥箱等組成。排肥器用于播種機和中耕機上施固體化肥、菌肥等。要求播量均勻穩定，排肥量調節范圍大，通用性好，零件耐腐蝕，檢查方便[7-8]。

施肥控制以及監測系統主要對排肥電機進行控制，其中電動外槽輪排肥器的電機結構如圖1所示，其結構參數為功率50 W，扭矩10 N·m。外槽輪排肥器在傳統外槽輪排肥器的基礎上進行改進設計，將阻塞輪改為與槽輪相配合的擋圈形式，同時配擰手進行調節，在槽輪一端增加電機直接控制排肥器轉速，大大提升了自動控制與監測的工作性能與方便程度[9]。主要通過控制排肥器的排肥槽輪工作長度以及排肥軸的轉速來調節肥量大小，實現無級調節。

圖1 電動外槽輪排肥器

排肥裝置所配肥箱按播種機作業12行考慮[10]，該機設置兩個肥箱，按最大施肥量、整幅作業，播種機每作業1 000 m加一次肥為基準設計肥箱容積如下：

式中，V為肥箱容積，L；L為作業幅寬，L=6.2 m；F為施肥距離，F=1 000 m；Q為最大施肥量，Q=500 kg；q為容重，q=0.7 t。

由公式得：

整機施化肥作業1 000 m肥箱最小容積為442.9 L，結合整機結構設計肥箱為540 L，基本滿足整機作業性能要求。

2 監測系統

施肥監測系統總體設計框圖如圖2所示，該系統主要由上位機（信息上傳存儲）和下位機（GPS、編碼測速器、光電編碼器等）組成[11-14]。上位機提供系統用戶界面，發送和接收各種信號指令，可通過上位機設置所需施肥量進行排肥軸施肥量的計算、肥量的調控等；下位機主要以單片機為核心，負責完成數字信號采集處理，監測肥量信息、肥管空堵等情況，通過無線通信模塊將監測處理結果發送到無線控制終端，實現報警與信息存儲。

圖2 施肥監測系統

1）GPS模塊。如圖3所示，選用GPS外置接收器，負責獲取播種機所在的經度、緯度、機車行進方向和速度等信息，通過無線通信模塊將信息傳遞給下位機。

圖3 GPS外置接收器

2）數據采集模塊。如圖4所示，一端為脈沖發射器，另一端為信號接收器，當有化肥落下時，發射管發射的紅外光被肥料遮斷，接收側無信號輸出，產生持續高電平脈沖信號；而當肥管內處于空或堵的狀態時，紅外光由于始終沒有被遮擋或始終被遮擋，信號接收器的接收側始終接收到發射管發出的紅外光或始終接收不到紅外光，則不會產生脈沖信號。系統通過對脈沖信號的檢測，將脈沖信號信息傳遞給上位機，進行信息存儲、計數和顯示，實現肥管的空堵報警監測[15-16]。

圖4 紅外光電對管

3）光電編碼器。如圖5所示，排肥軸轉速調節選用光電編碼器，當機器作業時，光電編碼器隨排肥軸一起旋轉，編碼器產生脈沖信號，通過無線通信模塊傳遞給上位機，經預設程序計算排肥量，并將其顯示和存儲在上位機中。

圖5 光電編碼器

3 試驗

1）排肥量試驗：在試驗播種機的排肥軸上安裝光電編碼器，用3個塑料袋分別封住3根肥管出口。選取槽輪工作長度為30 mm，在該刻度值下玉米播種機以拖拉機二擋速度盡量穩速行進100 m、200 m、300 m、400 m、500 m和600 m的距離，用電子秤稱量獲取的實際施肥量。將其與系統測量值進行對比，獲得相對系統誤差值。排肥量誤差試驗結果如表1所示。

表1 排肥量誤差試驗

2）肥管空堵試驗：玉米播種機田間作業時，人為設置3根肥管進行空和堵試驗，共進行6組，驗證其報警顯示是否正確。肥管空堵誤差試驗結果如表2所示。

表2 肥管空堵誤差試驗

由上述試驗結果可知，系統測得肥量與實際施肥的誤差在2%以內，系統肥量監測準確率達98%以上，誤差出現的主要原因為機車啟動與結束時的不穩定。系統監測次數與實際人為干預次數的誤差在2%以內，系統肥量監測準確率達98%以上，滿足精度要求。

4 結語

課題小組利用無線通信、傳感器、人機交互和智能控制等技術，設計了電動玉米精量播種機施肥監測裝置，該裝置主要由電動排肥機構、肥管空堵報警裝置、肥量監測裝置等組成；將紅外光電對管安裝在排肥口下方，利用紅外光反射產生的脈沖信號實現肥管空堵報警；利用光電編碼器以及無線通信系統等，將所提供的數字信號轉換成肥量信息，實現肥量實時監測，同時對肥管空堵等情況進行及時報警。試驗表明：該施肥監測裝置總體精度可達到97%以上，其中施肥量的準確率在98%以上，肥管空堵報警的準確率在98%以上，該系統能夠對玉米播種機施肥過程進行有效的監測，同時整體監測系統也可以應用到其他施肥機械上，通用性好。