玉米播種機(jī)全自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化分析

劉 凱

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

播種是玉米種植的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)后期產(chǎn)量和種植質(zhì)量具有直接性影響。利用單片機(jī)、傳感器等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)株距控制等方面的優(yōu)化，為玉米產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)水平提升起到積極的促進(jìn)作用。

1 全自動(dòng)控制系統(tǒng)的概念和基本組成

在當(dāng)前工農(nóng)業(yè)及制造業(yè)生產(chǎn)流程中，基于機(jī)電技術(shù)、PLC程序、伺服控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)的綜合作用，實(shí)現(xiàn)被控制對(duì)象的自動(dòng)化運(yùn)行，并且某一環(huán)節(jié)工藝條件變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，將運(yùn)行工藝數(shù)據(jù)調(diào)整至要求范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。根據(jù)控制原理的不同，可以將全自動(dòng)控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。在當(dāng)前設(shè)計(jì)體系中，全自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由控制器、被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器四個(gè)基本部分組成。

2 播種機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

根據(jù)設(shè)計(jì)原理的不同，玉米播種機(jī)的具體結(jié)構(gòu)也有所偏差，但是其主體結(jié)構(gòu)通常都是由播種箱、步進(jìn)電機(jī)、平衡輪、排種結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及相應(yīng)的輔助裝置組成。在作業(yè)人員設(shè)定操作參數(shù)后，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始驅(qū)動(dòng)播種機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)排種裝置開始工作。為確保播種質(zhì)量滿足玉米種植和生長(zhǎng)的基本要求，排種檢測(cè)裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)排種情況，確保種子下落數(shù)量和頻率能夠保持穩(wěn)定。開溝器和排種器則是完成翻土和埋種作業(yè)的主要設(shè)備，能夠?qū)⒎N子播種在合適的位置。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)模塊

目前市面上單片機(jī)種類較為復(fù)雜，為更好的確保控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)播種機(jī)運(yùn)行需要，綜合考慮性能、功耗及運(yùn)行環(huán)境等因素影響，本設(shè)計(jì)方案中，選擇Texas instruments公司MSP430F5438型號(hào)單片機(jī)。該型號(hào)單片機(jī)具有 256KB 閃存、16KB SRAM、12 位 ADC、DMA、UART/SPI/I2C、計(jì)時(shí)器和硬件乘法器的 25MHz MCU，能夠較好的滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 測(cè)速傳感器模塊

測(cè)速傳感器主要是為控制系統(tǒng)指令優(yōu)化提供基本依據(jù)，為確保系統(tǒng)控制精度達(dá)到設(shè)備運(yùn)行基本要求，必須確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。當(dāng)前單片機(jī)主要是接收數(shù)字信號(hào)或高低電平信號(hào)，以此測(cè)速傳感器也應(yīng)當(dāng)選取具有此功能的設(shè)備。其元件結(jié)構(gòu)主要包括霍爾半導(dǎo)體元件、永久磁鐵、擋隔磁力線的葉片等部分。

將單片機(jī)P1.1端口與傳感器輸入端口D0連接在一起，就可以利用磁極的位置轉(zhuǎn)變，輸出不同的高低電平信號(hào)，通過脈沖個(gè)數(shù)和定時(shí)時(shí)間參數(shù)的設(shè)定，計(jì)算出播種機(jī)前輪轉(zhuǎn)速并將其轉(zhuǎn)換為播種機(jī)前進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)播種流程的控制。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呤蔷€位移，并具有無累積誤差的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)設(shè)備生產(chǎn)和改造方面。由于玉米播種機(jī)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境影響，在選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，需要確保其輸出轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)性能滿足實(shí)際運(yùn)行要求。步進(jìn)電機(jī)無法直接利用直流或交流電源進(jìn)行控制，需要配備專門的驅(qū)動(dòng)器，能夠較好的避免設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)過載情況。

3.4 聲光報(bào)警模塊

在播種機(jī)運(yùn)行過程中，由于設(shè)計(jì)、操作及環(huán)境因素影響，常會(huì)出現(xiàn)不同類型故障，因此需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的聲光報(bào)警模塊。報(bào)警形式分為蜂鳴器聲音報(bào)警和發(fā)光二極管報(bào)警兩種方式，在傳感器接收到故障信息后，將信號(hào)傳輸至軟件程序中，程序根據(jù)預(yù)先設(shè)定的信號(hào)處理要求，對(duì)故障類型進(jìn)行判斷，并發(fā)出聲音和燈光閃爍報(bào)警。

4 驗(yàn)證與分析

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)播種株距測(cè)試與優(yōu)化后的播種株距測(cè)試結(jié)果相對(duì)比，具體方案如下。

試驗(yàn)方法：在同一粒距長(zhǎng)度和播種株距設(shè)定條件下，以傳統(tǒng)播種機(jī)和優(yōu)化后的播種機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，分別測(cè)量前進(jìn)速度1、2、3米/秒時(shí)兩種播種機(jī)的株距合格指數(shù)和漏播指數(shù)。為確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，采用3次重復(fù)試驗(yàn)并取平均值的方式為最終結(jié)果。將兩種播種機(jī)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)：播種長(zhǎng)度為400粒距長(zhǎng)度，播種株距設(shè)定為20厘米。

試驗(yàn)結(jié)果：根據(jù)3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，傳統(tǒng)播種機(jī)和優(yōu)化后播種機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)播種機(jī)與優(yōu)化后播種機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過優(yōu)化后的播種機(jī)，在株距合格指數(shù)和漏播指數(shù)方面，相對(duì)于傳統(tǒng)播種機(jī)都有明顯提升。

4.2 優(yōu)化要點(diǎn)分析

通過對(duì)傳統(tǒng)播種機(jī)進(jìn)行硬件和軟件程序方面優(yōu)化，設(shè)計(jì)出具有良好運(yùn)作水平的設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米播種機(jī)的全自動(dòng)控制，有效提升播種精度，減少播種株距不均勻及漏播現(xiàn)象對(duì)玉米種植產(chǎn)量影響，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的人力資源投入，有效提升玉米產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效益。