玉米播种机排种监测系统的设计研究

　　引言

　　目前，我国使用的精播机一直以机械式和气力式播种机为主，这是因为在播种作业过程中是全封闭的，人为实现实时视听来解决现场出现的种箱空或排种管堵塞的情况都是很难的； 而这些问题都会导致种子的漏播，影响产量，给农业生产造成巨大损失。此外，对玉米播种量的精确计算也对后续生产及生产规模的设定起到决定性作用，因此所设计的这套排种监测系统具有很大的实际意义。

　　随着农业机械的发展及新检测技术的引入，玉米播种机已经从纯机械式的播种方式向精密播种方式转变。但是如何能准确地监测出播种机的排种量，并针对玉米播种机播种过程中导种管堵塞及种箱空种等问题进行及时的报警停机，一直以来都受到国内外研究人员的关注。根据以往的资料显示，利用光电检测方法进行排种监测的例子不胜枚举，但都在实际应用中由于灰尘堆积问题而受阻； 利用电容极板检测的方法受到很多人的推崇，但由于在极板的材料、尺寸、间距等因素选择上需要大量实验研究，且实际应用中还受机车震动的影响，故目前国内除了实验研究外，尚无实际应用的成品出现。因此，本文利用 4 对光电管，间距小于常规玉米种子的规格，并排放置，用以进行空和堵的监测报警； 而玉米播种量则采用 1 个安放在排种盘齿轮轴中心的空心转速编码器测量转速并进行空穴率试验，从而得出排种量。此试验研究及设计旨在从另一角度监测排种性能，并与常规方法进行比对，得出结论。

　　1 硬件设计

　　1. 1 总体结构及设计方案

　　由于实际播种机上布线的复杂情况，本方案采用上位机与分机之间无线通信模式，即分机来接收传感器的信号，将信号汇总再由 485 总线传到上位机，从而实现信息的处理、存储及显示报警等功能。

　　1. 1. 1 上位机设计方案上位机的作用是与各分机之间采用无线模块连接，接收各分机上传的转速编码器的脉冲个数和 4 对光电传感器的脉冲信号，并通过计算得出排种总量进行数据存储和显示。当出现空或堵的状况时，则启动报警。

　　1. 1. 2 分机设计方案各分机直接负责接收 4 对光电传感器及空心转速编码器的脉冲信号。其中，4 对光电传感器覆盖整个导种管进行空和堵的报警监测； 转速编码器则安装在排种盘链轴上测速，结合试验所得空穴率从而计算出排种量； 最后，再通过 485 总线进行无线通信上传给上位机。

　　1. 2 排种过程空和堵的报警

　　在对空和堵的声光报警的硬件设计中，分析了激光二极管、红外发光二极管和高亮度发光二极管各自的优缺点： 激光二极管最优但价格昂贵； 红外发光二极管和高亮度发光二极管两者结构原理都相似，但高亮度发光二极管的抗尘能力更强。考虑到播种机工作现场灰尘较大，故选择波长为 620 ~ 625nm 的红色高亮度发光二极管作为发光源。在接收端，考虑到较光敏电阻和光敏二极管而言，光敏三极管具有更高的灵敏度及光电流的放大作用，因此选用光敏三极管，型号为 ST -1KL3A,接收半径角为 ±5°。本文设计了一个可插入到导种管下端的一个壳体，考虑玉米导种管直径约为 30mm,所选光电管 5mm,故壳体内壁并排均匀安装 4 对光电管，如图 1 所示。这种安装方式基本覆盖了落种的整个区域： 当有种子落下时，遮挡光束，产生电脉冲，给单片机一个高电平； 而当导种管内处在种箱空或堵的状态时，在设定时间内光束始终没有被遮挡或始终被遮挡，则不会产生电脉冲，单片机保持低电平。显然，并行连接的 4 对光电传感器只有在同时接收到光束或都被遮挡时，才能说明无种子播下，种箱空或者种子通道堵塞。本文将 4 对光电传感器采用“与”电路进行整形，如图 3 所示。

　　之所以采用“与”操作，是考虑到当种粒下落经过此处时，一定会遮盖住这 4 对光电传感器的任意一对，产生脉冲信号。因此，4 对传感器的信号端选择了“与”操作来实现对空或堵的报警。
　　
　　1. 3 排种量检测

　　在转速传感器的选择上，考虑了很多种编码器和霍尔速度传感器。霍尔传感器在安装上很麻烦，需要固定在齿轮轴的侧面，且震动影响很大，故选择编码器。就播种机工作的实际工况，最常用的玻璃码盘就不适合，很容易震碎，因此选用了金属码盘。最初选用的金属编码器是需要轴与弹性联轴器相连的，伸出很长且不能震动太大。因此，为了让编码器和轴同步运转，且易于安装，本文最终选择了 PKT100 型空心转速编码器。这款用于排种量检测的型号为 PKT100 的空心转速编码器分辨率为 360P/R.将编码器安装在排种盘中心的链轴中心轴上，与中心轴同步运转，继而测量出排种盘的转速，由排种盘转过的角度计算出总的排种量。

　　当然，在此过程中还要考虑空穴率的问题。为此，将空穴率的试验研究在一套气吸式玉米排种高速摄像的试验台中来完成。试验台装有排种试验软件，在启动试验台后，排种盘旋转，转速编码器同轴转动，在 8 位数码管上显示检测的排种量。每组试验结束后，人工查出传送带上粘着的种子粒数，反复几组试验后，统计出排种过程的空穴率。

　　试验所用玉米选用的品种是四单 19,种粒直径7mm.利用单片机开发板作为试验基板，将编码器脉冲信号输出端（ 白色线） 连接在单片机的定时/计数器T1 口，其余两条红色线、黑色线分别接于 + 5V 电源及地线。P0 口以动态显示方式在连接 8 个 7 段数码管上进行显示。经过空穴率试验研究表明，空穴率约为2. 6% < 3% .

　　1. 4 声光报警电路设计

　　当排种过程中出现空或堵的情况时，播种机需要及时停机处理发生的状况，否则会造成大面积的漏播。由于现场环境噪声很大，为了让驾驶员能够及时发现问题，设计了声光报警电路，如图 4 所示。

　　2 软件设计

　　整个软件功能包括初始化模块、定时/计数器的数据统计模块、空或堵情况调用及声光报警模块和显示模块几部分。此外，还应包括各分机与上位机之间的无线通信协议等内容。这里，只给出系统的主程序框图，如图 5 所示。

　　在排种量的计算上，利用编码器旋转时的脉冲数除以 360 再乘上排种盘上吸满种粒的个数，最后考虑空穴率，即可得到最终的排种量结果以进行显示。
　　
　　3 试验结果及分析

　　试验选用了黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的播种机排种试验台进行，将排种盘更换成玉米排种盘，作业速度选定 8 ~ 10km/h,玉米粒品种依然选用四单 19 进行试验； 将报警监测器安装在排种盘侧面，空心编码器固定在排种盘中心链轴上。

　　1） 空或堵的报警试验： 为了模拟现场灰尘很大的实际工况，在光电传感器上涂抹 2mm 左右厚的湿土，然后启动排种盘工作； 在经过 10 组测试试验后，在种箱排空和模拟的堵塞状态下，报警器均能正常报警。

　　2） 排种量检测试验： 启动排种盘工作，进行 3 组试验，经过人工统计传送带上种子排种量情况，与数码管显示的数量进行比对，得出结论。试验结果如表1 所示。【1】
　　
　　可见，对于排种量和空堵的报警监测能够满足要求，精度较高。

　　4 结论

　　利用光电传感器和转速编码器，开发了一套具有检测排种量及排种过程空堵情况的报警系统，结构简单，易于安装。试验研究表明： 在模拟实际工况时，系统对导种管空或堵的情况能够做到 100% 报警，对排种量的检测精度平均值达到 98. 37% ,完全满足实际需要。

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