種子清選機自動控制系統(tǒng)的研究

劉玉紅

(雙遼市柳條鄉(xiāng)綜合服務中心，吉林 雙遼 136400)

0 引言

農作物種子清選是實現(xiàn)作物的高產穩(wěn)產及農作物新品種培育與推廣的重要基礎條件[1]。種子清選主要是指對收獲后的種子進行分類、清選與分級，將破碎、受損和不成熟的種子及雜草、泥沙等進行分離，為作物生長提供良好的基礎條件，實現(xiàn)作物增產[2]。

隨著現(xiàn)代化種業(yè)的發(fā)展，對農作物新品種選育的規(guī)模越來越大，在田間試驗前需要對種子進行分級與清選，目前主要依靠種子清選機進行簡易清選，存在勞動強度大、工作效率低等問題，通用種子清選設備存在種子易殘留和種子清選耗時過長等問題。近年來，隨著農業(yè)機械自動化和智能化發(fā)展，提升農業(yè)機械自動化水平對于實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義[3]。

1 控制系統(tǒng)設計

種子清選機自動控制系統(tǒng)方案如圖1所示。本研究選取STM32控制器為數(shù)據控制核心，完成多項傳感器數(shù)據處理與作業(yè)過程自動控制，人機交互界面選取DMT80600T104實現(xiàn)人機交互操作與界面展示，方便工作人員進行參數(shù)設定，并實時監(jiān)測種子清選機工作狀況，控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖1 種子清選機控制系統(tǒng)結構示意圖

圖2 種子清選機自動控制流程圖

在種子清選機自動控制系統(tǒng)中采用3對光電傳感器(GF-NA22)進行工作參數(shù)信息監(jiān)測，主要包括物料料位信息(S1)、篩片前端物料信息(S2)、篩片末端物料信息(S3)，其中，Si=0表示無物料，Si=1表示有物料，i=1,2,3分別表示料斗料位、篩片前端和末端種子清選信息。控制策略如表1所示。

表1 種子清選機自動控制系統(tǒng)控制策略

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 STM32控制系統(tǒng)

選取STM32-F407ZGT6處理器為控制中心，實現(xiàn)對光電傳感器信號、傾角傳感器及種子清選機各個組成部分工作信息的采集與決策。STM32-F407ZGT6是一款微控制器單元，基于高性能ARM Cortex?-M432位RISC內核，工作頻率高達168 MHz。Cortex-M4內核具有浮點單元(FPU)單精度，支持所有ARM單精度數(shù)據處理指令和數(shù)據類型，實現(xiàn)了全套DSP指令和增強應用程序安全性的內存保護單元(MPU)。所有器件均提供3個12位ADC、2個DAC、1個低功耗RTC、12個通用16位定時器，包括2個用于電機控制的PWM定時器、2個通用32位定時器，主要規(guī)格參數(shù)如表2所示。

表2 STM32-F407ZGT6處理器技術參數(shù)與規(guī)格

2.2 人機交互模塊

人機交互模塊采用迪文DGUS串口屏進行系統(tǒng)開發(fā)，主要包括登錄頁面、菜單界面、參數(shù)設施和提示信息等功能。種子清選機各個裝置的主要參數(shù)調節(jié)范圍如表3所示。

表3 不同裝置參數(shù)調節(jié)范圍

2.3 給料速度控制方法

種子清選機給料速度通過數(shù)字變壓器(SDVC31-M)進行電壓調控，電壓與給料速度對應關系滿足以下二次多項式擬合方程

y=2 820.1x2-12 111x+14 358

(1)

式中y—給料速度，g·s-1；

x—PF7端口電壓，V。

2.4 振動頻率控制方法

種子清選機振動頻率主要通過改變篩面驅動電機轉速進行調節(jié)。MOS(MOSFET)管輸出電壓由式(2)確定

(2)

式中U1—MOS管輸出電壓，V；

UM—MOS管供電電壓值，24 V；

UM1—MOS管輸入電壓最大值，5 V。

篩面驅動電機轉速最高可以達500 r·min-1，此時最大振動頻率為8.3 Hz，此時篩面振動頻率fs由式(3)進行計算

(3)

2.5 篩面傾角控制方法

篩面傾角采用BWD-VG227傾角傳感器進行調節(jié)，控制中心基于RS485通訊方式進行傾角傳感器信號的讀取，與提前設定的傾角參數(shù)進行對比分析，達到傾角后電機停止工作。

3 控制系統(tǒng)的試驗與分析

以玉米種子為試驗材料開展種子清選機給料速度、篩面傾角和振動頻率的控制與試驗分析。

3.1 給料速度

給料速度依次選取45 g·s-1，50 g·s-1，55 g·s-1，60 g·s-1共4個水平開展試驗，每組試驗重復3次取平均值并按式(4)計算變異系數(shù)。試驗結果如表4所示。結果表明，不同給料速度下最大誤差范圍為1.2～2.1 g·s-1，最大變異系數(shù)為2.2%～3.2%，均滿足種子清選要求。

表4 給料速度控制試驗結果

(4)

式中CV—變異系數(shù)，%；

S—標準差；

x—各試驗結果值；

N—重復試驗次數(shù)。

3.2 篩面傾角

傾角調節(jié)范圍為4°～7°，步長為0.5°，每組試驗重復3次取平均值并計算變異系數(shù)。試驗結果如表5所示。不同傾角調節(jié)角度下最大誤差和變異系數(shù)滿足實際生產要求。

表5 傾角控制試驗結果

3.3 振動頻率

根據不同種子篩分所需的振動頻率設定5 Hz，6 Hz，7 Hz，8 Hz為實驗條件，每組試驗重復3次取平均值并計算變異系數(shù)。試驗結果如表6所示。不同振動頻率下最大誤差范圍為0.10～0.23 Hz，最大變異系數(shù)為1.4%～2.6%，均滿足種子清選要求。

表6 振動頻率控制試驗結果

4 結論

針對目前種子清選效率低、勞動強度大等問題，基于ARM嵌入式技術設計一種種子清選機自動控制系統(tǒng)，并對核心部件與進行系統(tǒng)論述與選型，基于給料速度、篩面傾角和振動頻率進行系統(tǒng)驗證與分析，試驗結果表明，各項參數(shù)可以滿足種子清選機的工作需求。