小型自動點式播種機及其控制系統(tǒng)的設計*

胡雪花

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學智能智造系，河北 石家莊 050091）

播種質(zhì)量的好壞直接影響農(nóng)作物的后期生長與最終產(chǎn)量，高質(zhì)量的播種機械是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然選擇[1-5]。點式播種法常用于鋪設好地膜后再打孔種植，地膜可以為種子保溫保濕，幼苗長出后又可以直接露出地膜，防止幼苗在地膜下曬枯，且種植時秧苗距離可控，避免秧苗過于稠密不利于生長[6-10]。此外，點式播種法配合澆水工序既可以保證種子發(fā)芽所需要的水分，又不用漫灌式澆灌，能極大地節(jié)約水資源。然而，目前點式播種法卻沒有非常合適的自動播種設備，大型的點式播種機價格昂貴且沒有澆水工序。部分可以完整實施打坑、澆水、播種、填土4個工序的點式播種機械仍需要人工完成，種植速率低，費時又費力，無法充分發(fā)揮點式播種方式的優(yōu)勢。針對目前點式播種機存在的技術(shù)問題，筆者設計了一種小型自動打穴點播機，設計了各部分的機械結(jié)構(gòu)和電氣控制，并通過仿真驗證了電氣控制的可行性。仿真結(jié)果表明，設計的點式播種機能夠一鍵式完成點式播種的打坑、澆水、播種和填土4個工序，不僅提高了點式播種的效率，而且極大地節(jié)省了人力，對新型點式播種機的研發(fā)也具有重要的指導意義和參考價值。

1 點式播種機結(jié)構(gòu)設計

筆者設計的點式播種機將打坑、澆水、播種和填土等功能安裝于一輛能夠自動行駛的小車上，通過控制器協(xié)調(diào)小車啟停、打坑、澆水、播種和填土工序的執(zhí)行順序?qū)崿F(xiàn)自動點式播種，整體設計如圖1所示。自動點式播種機整體上是四輪小車，小車上設置扶手支架，用于人工把控小車的行進方向；在扶手上設置系統(tǒng)電源開關(guān)，用于控制點式播種機的啟動和停止；小車后兩輪為萬向輪，前兩輪為定向輪，且前車輪裝有電機；小車上設置了一個車載平臺，用于固定和安裝各個功能部分。點式播種機播種主體部分的切面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 整體設計圖

圖2 播種機播種主體部分切面結(jié)構(gòu)圖

1）打坑功能部分由打坑裝置、打坑裝置驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)圓盤和連桿組成。打坑裝置用一個下端堅韌、邊緣鋒利、形狀上寬下窄的金屬圓筒來實現(xiàn)，當打坑裝置陷入地面時，泥土卡入打坑裝置，待抬出地面后，帶出卡入其內(nèi)的泥土，從而打出種植農(nóng)作物的種坑。為了實現(xiàn)打坑裝置的自動電氣控制，將打坑裝置通過兩根連桿固定于旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣位置，而旋轉(zhuǎn)圓盤固定在步進電機的旋轉(zhuǎn)軸上，因此驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一周即可帶動打坑裝置上下移動一輪，完成一次打坑操作。

2）澆水功能部分包括儲水箱、澆水管道和控制澆水的電磁閥，澆水管道出口連接支撐架上的專設孔，需要澆水時，控制器控制電磁閥打開進行澆水，通過控制電磁閥打開的時間長短來控制澆水量，儲水箱端還設置有進水孔和溢水孔。

3）播種功能部分包括儲種箱和旋轉(zhuǎn)擋板，儲種箱設置為底部稍尖的結(jié)構(gòu)，使種子始終填滿在播種孔的位置；旋轉(zhuǎn)擋板設計為十字交叉的扇葉結(jié)構(gòu)，通過控制旋轉(zhuǎn)擋板的轉(zhuǎn)數(shù)控制播種量，其安裝在儲種箱內(nèi)播種口的位置。將旋轉(zhuǎn)擋板安裝在步進電機旋轉(zhuǎn)軸上，通過控制步進電機旋轉(zhuǎn)的角度和轉(zhuǎn)數(shù)控制播種量。

4）填土功能部分是一個兩段的連桿，安裝在打坑功能部分的旋轉(zhuǎn)圓盤上，填土連桿與打坑連桿在旋轉(zhuǎn)圓盤上的安裝位置可間隔180°，完成打坑和填土操作過程時，兩個連桿相對結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。圖3（a）為初始狀態(tài)，此時填土連桿的末端在打坑圓筒的上端；當圓盤向右旋轉(zhuǎn)90°至圖3（b）所示位置時，打坑連桿處于最底端，此時打坑圓筒深入泥土；當圓盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°到圖3（c）所示位置時，打坑圓筒抬起，將泥土卡入筒中，完成在地面打坑的操作；當圓盤旋轉(zhuǎn)至圖3（d）所示位置時，填土連桿向下運動，打坑連桿向上運動，填土連桿將打坑圓筒中的泥土推出，使泥土墜入種坑，從而完成填土操作。

圖3 填土連桿和打坑連桿安裝及結(jié)構(gòu)圖

2 點式播種機控制電路設計

筆者設計的點式播種機控制系統(tǒng)包括單片機、小車行進步進電機、打坑和填土控制步進電機、撒種控制步進電機、澆水控制電磁閥等部分。控制核心采用STC15W4K32S4單片機，3個步進電機分別采用一個高耐壓、大電流復合晶體管陣列ULN2003芯片和單片機的一組I/O口的低四位引腳進行驅(qū)動。其中，小車行進步進電機連接在P7口，打坑和填土控制步進電機連接在P6口，撒種控制步進電機連接在P5口。模擬澆水的電磁閥采用一個NPN型放大電路進行驅(qū)動，電磁閥輸入端用P4.0引腳進行控制，輸出端連接一個發(fā)光二極管，當發(fā)光二極管點亮時，代表澆水操作，反之表示停止?jié)菜疇顟B(tài)。同時，采用LCD1602液晶顯示屏顯示播種機的工作狀態(tài)，具體播種機控制電路設計如圖4所示。

圖4 播種機控制電路設計圖

3 系統(tǒng)軟件設計

筆者設計的點式播種機采用單片機作為系統(tǒng)控制核心，控制小車依序執(zhí)行打坑、澆水、播種、填土4個動作，完成高質(zhì)量的點式播種任務。

第一步：采用步進電機1模擬小車行進，通過控制步進電機的轉(zhuǎn)數(shù)設定小車行進距離；當小車行駛到指定位置后，停止行駛。

第二步：采用步進電機2模擬旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)動，當小車停止后，控制步進電機2向右旋轉(zhuǎn)90°，使打坑連桿上連接的打坑圓筒伸入泥土，再次使步進電機2向右旋轉(zhuǎn)90°，使打坑連桿抬起，打坑圓筒中的泥土被帶出，停止轉(zhuǎn)動步進電機2。

第三步：P4.0引腳輸出高電平，使得繼電器吸合，發(fā)光二極管點亮，此時相當于執(zhí)行澆水操作；啟動定時器設定特定的時間，時間到了以后，將P4.0引腳置于低電平，停止?jié)菜?/p>

第四步：轉(zhuǎn)動播種控制步進電機3，使得播種箱內(nèi)的旋轉(zhuǎn)擋板旋轉(zhuǎn)，通過控制步進電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，設定播種量，然后停止轉(zhuǎn)動步進電機3。

第五步：控制步進電機2繼續(xù)向右轉(zhuǎn)動180°，完成填土操作并使打坑連桿復位。

具體來說，在控制步進電機轉(zhuǎn)動的程序中，通過定時器控制步進電機的節(jié)拍，一方面可以更加準確地控制步進電機的轉(zhuǎn)速；另一方面可以通過啟停定時器控制步進電機的啟動和停轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

農(nóng)業(yè)機械化是“三農(nóng)”改革的重要內(nèi)容，在農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展條件越來越好和較為普及的散耕農(nóng)業(yè)模式下，小型農(nóng)用機械成本低、自動化水平高、使用便利，在農(nóng)業(yè)市場前景廣闊，發(fā)展空間大。基于此，筆者設計了一種小型自動點式播種機，將打坑、澆水、播種和填土等功能集成于一個電驅(qū)行駛的小車上。將各功能部分與小車通過一個控制器進行控制，通過控制小車的啟停控制秧苗間距，當小車停止前進時，依次執(zhí)行打坑、澆水、播種和填土功能，通過控制器協(xié)調(diào)控制該設備自動完成點式播種的4個工序，能夠極大地提高點式播種的效率。為了驗證點式播種機自動控制的可行性，筆者以STC15W4K32S4單片機作為控制系統(tǒng)的核心，通過步進電機模擬小車的運動和停止，利用步進電機模擬打坑、播種和填土操作，通過繼電器控制點亮LED燈，模擬控制電磁閥執(zhí)行澆水操作，再利用Proteus和Keil軟件對控制系統(tǒng)進行設計與功能仿真。仿真結(jié)果表明，筆者設計的自動點式播種機結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，有利于產(chǎn)品市場化、普及化，對促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。