玉米精密播種機漏播監測器研制與試驗

摘 要： 為有效監測玉米播種質量，減少漏播、斷行的發生，設計了一套基于光電法原理的玉米漏播監測器。采用3mm 紅外發光管和硅PIN 光電二極管作為感測元件， 利用光伏效應原理設計了傳感器， 以檢測種子是否通過。以STM32F103 單片機為核心，設計了主控制器。主控制器通過中斷方式接收傳感器的信號，種子通過時即觸動內部相應定時器工作或復位，定時計數超過3 s 時產生報警信號并在屏幕上顯示。田間試驗表明，在播種機正常排種頻率范圍內，計數準確率gt;97%、漏播監測率達到95%，光照強度、機具振動對漏播監測器工作無影響。

關鍵詞：玉米；精密播種機；漏播；監測器；光電監測法

中圖分類號：S223 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）03-0085-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.03.016

0 引言

玉米是我國種植面積和產量最大的糧食作物[1]。玉米精密播種可以節省種子、保證出苗一致性、節約人工和提高產量[2]。精密播種機在進行播種作業時，因種箱排空、排種器故障等會引起漏播現象[3]。從播種到出苗一般需要3～5 d，此時再發現漏播，補種已錯過了最佳播種時間，影響正常的生長周期，進而影響總產量[4]。針對玉米精密播種過程出現的漏播或斷條現象進行實時監測，顯得十分必要。

為了播種的同時對播種質量進行監測，國內外研究人員對漏播監測技術和器件展開了深入研究，取得了諸多技術成果[5-8]。約翰迪爾公司開發的SeedStarTM2監測系統可以實時監測小麥的播種行數、行距、行漏播量和平均播種總量，并以直觀的圖表形式在屏幕上進行實時顯示[9]。丁幼春等[10-11]、徐春保等[12] 利用薄面激光?硅光電池作為發射和接收器件，基于光伏效應原理，能夠對油菜和小麥等小粒徑種子的下落過程實現精確監測。趙艷華等[13] 采用光電器件作為落種傳感器，研制出以CPLD 為控制核心的漏播檢測裝置，可以同時對8 路落種檢測，適用于直徑3 mm 以上種子的漏播檢測。孫永佳等[14] 利用紅外光電管和陣列式硅光電二極管作為種子監測電路，研制了玉米精量施肥播種機監控系統，能夠對精量播種和精量施肥進行在線監測。周利明等[15] 利用種子介電性質，研究了一種基于電容信號的玉米精量播種機性能監測方法，可以對漏播和重播進行判斷。陳建國等[16] 基于電容傳感器設計了一套高精度小麥種子粒數檢測系統，研究了小麥種子以單粒形式和多粒形式通過電容傳感器時，電容值與小麥種子數目之間的關系，實現了對播種機播種量的精準檢測。

本研究在分析現有漏播監測技術的基礎上，采用性價比和可靠性均較高的光電監測法設計種子通過傳感器，通過合理安排監測器件位置，設計了一種玉米精密播種實時監測裝置，并進行了試驗。

1 光電法種子通過傳感器

1.1 監測原理

光電法種子通過傳感器采用紅外發光二極管作為照射光源、硅PIN 光電二極管作為接收器件，在排種管的一端布置光源板，另一端布置接收板。沒有種子通過時，硅PIN 光電二極管接收到紅外光，由于光電效應原理，會產生一恒定的電壓；種子通過時，由于擋光作用，電壓會有一個下降后再恢復恒定值的過程。這一過程產生的電壓變化經過調理電路形成方波信號，用于監測是否有種子通過傳感器和對種子進行計數。光阻法種子通過傳感器監測原理如圖1 所示。

1.2 紅外發射端

發射光源采用直徑3 mm 的紅外發光二極管，光波段波長880～1 040 nm，峰值波長940 nm。當通過電流20 mA 時，波長主要集中在（940.0+22.5）nm 范圍內。光強主要分布于?17.5°～17.5°。為了減少盲區，采用5管緊密排列的方式，并且在發光前面放置一菲涅爾透鏡，紅外光經過菲涅爾透鏡后形成均勻的平行光束。為了使每只管的發光強度一致，采用串聯電路（D1～5表示5 個紅外發光二極管串聯），設計成恒流驅動方式，使每個發光管均恒定流過20 mA 的電流，光波長穩定在940 nm 左右。發射電路如圖2 所示。

1.3 紅外接收端

紅外接收端采用直徑3 mm 的硅PIN 光電二極管，在光電二極管的基礎上增加了一個本征層，擴大了耗盡區，因此提高了響應的光譜范圍。選用的硅PIN 光電二極管，紅外光敏感波長840～1 100 nm，敏感峰值波長940 nm，敏感峰值與發射光源的峰值波長相同，敏感波段完全覆蓋發射光源的波長范圍，并且波長在可見光之外，不受可見光的干擾。

為了減少盲區，接收瑞也采用5 管緊密排列的方式，與發射管相對應。5 個硅PIN 光電二極管并聯連接，經過跨阻放大器電路將電流信號變換為電壓信號，再通過一級反相施密特整形電路，形成波形整齊的方波信號，驅動輸出三極管。沒有種子通過時，跨阻放大器電路輸出維持恒定的電壓，施密特電路輸出低電平，輸出晶體管飽和導通，集射間電壓0；有種子通過時，接收管受到的光照先減少再增加，跨阻放大器電路輸出電壓先下降再上升，施密特電路輸出由低電平變為高電平再變為低電平，輸出晶體管由飽和導通變為截止再飽和導通，集射間電壓由低電平變為高電平再變為低電平。跨阻放大器電路輸出的電壓計算公式為VOUT=RfId[17]。接收板電路如圖3 示。

2 整體設計方案

漏播監測器整體設計方案如圖4 所示，包括以STM32 為核心板的主控制器、觸摸屏交互模塊、4G 無線收發模塊、聲光報警器驅動電路和4 路種子通過傳感器。主控制器作為控制單元，接收種子傳感器的輸出信號，對通過傳感器的種子進行計數和計時，決定其他模塊的工作狀態。觸摸屏交互模塊用于顯示主控制器和種子通過傳感器工作狀態，并對主控制器的工作方式進行設置。4G 無線收發模塊用于將主控制器的工作狀態傳送至遠端服務器，實現工作狀態的在線顯示。聲光報警器驅動電路在播種故障時提醒拖拉機操作人員停止播種、檢查播種機的情況。

3 硬件設計

3.1 主控制器電路

主控制器以STM32F103 系列微處理器為核心，設計了電源、時鐘、調試接口和種子通過傳感器隔離輸入接口電路，電路如圖5 所示。種子通過傳感器輸入信號驅動STM32F103 內部定時器，每一粒種子通過時，計數器加一并開始計時，在下一粒種子通過時，重新開始計時。出現漏播時， 定時器發出超時信號，STM32F103 給出報警指令，報警器電路工作發出聲光報警信號。

3.2 聲光報警器驅動電路

播種作業時，由于拖拉機振動噪聲較大，采用高分貝的聲光報警器作為漏播時的提示信號。聲光報警器開啟時輸出功率較大，電流可以達到300 mA，以繼電器輸出控制聲光報警器的開啟和關斷，設計了晶體管驅動電路，如圖6 所示。

3.3 4G 無線收發模塊

為了將漏播監測器的工作狀態上傳到遠端服務器，選用4G 無線收發模塊將數據進行上傳， 模塊采用FS724，與STM32F103 的通用串口進行連接。使用中對FS724 進行簡單的配置，設置好數據收發格式，在阿里云平臺能將漏播監測器的工作狀態進行展示。

3.4 觸摸屏交互模塊

為了方便拖拉機操作人員掌握播種狀態，選用觸摸屏對播種機工作狀態進行顯示，顯示屏主界面有4個按鈕，如圖7 所示，觸摸其中的一個按鈕可以進入相應的顯示界面。排種狀態監測界面如圖8 所示，拖拉機操作人員可以查看每一路種子通過傳感器的工作情況。通過切換按鈕，拖拉機操作人員可以查看播種計數、排種器是否堵塞、播種面積和漏播監測器的網絡通信情況。

4 軟件設計

漏播監測器軟件工作流程如圖9 和圖10 所示，主程序以循環查詢工作，種子通過計數和漏播報警以中斷服務程序進行工作。系統上電后，主程序啟動，先進行初始化工作，接著根據本次播種需要設定漏播報警間隔，然后等待播種開始，播種開始后開啟定時，查詢各模塊的工作狀態并顯示。有種子通過傳感器時，系統進入中斷服務程序，計數值自動增加并檢查定時是否超時，超時則開啟聲光報警，沒有超時則重新開始定時。

5 田間試驗

為了對播種量和漏播量指標及系統穩定性進行檢測，2022 年7 月在山西河東雄風農機有限公司的試驗田內進行了播種作業試驗，將漏播監測器裝配于河東雄風2BFM-4 型玉米免耕施肥播種機上，種子通過傳感器安裝于排種器的下方，不影響種子下落，也不影響排種器播種性能。河東雄風2BFM-4 型玉米免耕施肥播種機主要用于玉米、豆類等大粒種子穴播，適宜于留茬未耕地播種，一次可完成破茬、開溝、施肥、播種和覆蓋等多道工序。試驗種子為山西省大豐種業有限公司生產的大豐30，籽粒黃色、馬齒型、千粒質量405 g 及籽粒直徑3～8 mm。試驗時播種機行進速度5 km/h。

5.1 播種量計數試驗

為獲得準確的播種數量，在傳感器下方安裝接種袋，保證下落的種子全部掉入接種袋。系統上電后，播種計數自動清零。開始播種后，系統自動記錄播種量，待播種機行至地頭時停止播種，記錄系統播種數量，取下接種袋進行人工點數，以人工計數為標準值，試驗結果如表1 所示。試驗結果表明，播種量計數準確率gt;97%。

5.2 漏播監測試驗

漏播監測試驗采用固定制造漏播行為的方式進行，每個排種器的種盤有種夾12 個，在第1、2、3 和4 個排種器上人為堵住1、2、3 和4 個種夾，則第1、2、3 和4 個傳感器的理論漏播計數平均為計數值/12、計數值/6、計數值/4 和計數值/3。在傳感器下方安裝接種袋，保證下落的種子全部掉入接種袋。以人工計數為基準，試驗結果如表2 所示。試驗結果表明，漏播監測準確率gt;95%。

6 結束語

利用紅外光電技術設計了種子通過傳感器，以STM32F 系列微控制器為控制核心開發了播種質量漏播監控器。田間試驗表明，計數準確率gt;97%、漏播監測率gt;95%，實現了對玉米單粒精密播種機播種量和漏播率的有效監控。

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