玉米播种机械的播深检测传感器设计与试验

　　引言

　　玉米是重要的工业和农业生产原料。国家统计局公布的数据表明，2014 年我国玉米种植面积为37 076. 1khm2,总产量达到 21 567. 3 万 t,其种植面积和产量均居国内农作物之首。随着现代科技的发展，玉米种植过程中的种子处理、播种、田间管理及收获等已经大部分实现了机械化和自动化。随着农业科技的不断发展，在提高科技含量、改善生态环境的方针指引下，保护性耕作技术正在不断地推广。实践表明，保护性耕作在蓄水保墒、培肥地力、控制沙尘暴等方面成效显着[1].保护性耕作中的一个重要环节是在实现尽可能小地对地表破坏的基础上实现播种，要求播种机要具有良好的刚度、强度和结构； 同时，要充分利用电子技术对以往的机械式播种机进行升级改造，实现播种机工作状态数据的实时传输、显示和记录[2].为此，进行了以平行四杆仿形机构为主体构架的玉米播种机械的播深检测传感器设计与试验。该装置采用了编码传感器作为核心元件，不同于以往的电位器式[3]、角度式[4]、电感式[5]等传感器，具有易于安装、调试、更换等特点，在实际应用中取得了较好的效果。

　　1 整体原理

　　本设计基于黑龙江八一农垦大学工程学院自主研发的播种单体平行四杆仿形机构（ 如图 1 所示） ,其具体工作原理见参考文献[2].图 1 所示中，仿形拖板与播种器单体之间采用轴连接方式，横轴处带有复位弹簧，传感器与连接横轴同心，复位弹簧分为正、反两个方向，保证仿形拖板在正向和反向都有力矩促使其复位。播种机工作时，应首先保证仿形拖板下沿与开沟器底部在同一水平面上，当仿形拖板在工作一段时间后发生形变，应予以更换。仿形拖板上端横轴上纵向安装编码传感器，结构如图 2 所示。图2中，仿形拖板横轴从编码传感器中孔穿过并固定，正面 4 个定位螺栓与机架刚性连接。编码传感器采用 360 等分的形式，相当于中轴转动 1 周产生360 个 TTL 脉冲信号，并且自带数字滤波电路，信号具有较强的抗干扰性。图 2 所示的传感器共有 5 条输出信号线，分别是 1（ +5V 电源） 、2（ 正转信号） 、3（ 脉冲信号） 、4（ 反转信号） 、5（ GND） .当播种机单体在工作时，仿形拖板随地形运动，正、反向都输出相应数量的脉冲信号。其中，2、4 引脚输出信号反映了当前播种机开沟器工作效果过深或过浅，开沟过深 2 号引脚输出高电平，开沟过浅 4 号引脚输出高电平。
　　
　　2 硬件设计原理

　　图 3 所示为播深检测电路的原理。其中，主控芯片采集到编码传感器送出的信号，判断当前是正传或反转，同时接受编码信号。编码盘采用每周 360 个脉冲的形式，当检测到一个信号代表仿形拖板与地面之间呈 1°夹角的位置关系。所以，在硬件设计上只需检测编码信号发生变化的次数，即可得到仿形拖板与地面之间的夹角。2、4 引脚输出当前编码传感器正、反转信号，设计时考虑到在上、下限临界点会出现震荡的情况，故在输出信号上加入硬件滤波电路； 当正、反转信号持续输出 0. 01s 以上的时间后，系统认为该信号有效，进而执行相应的服务程序。报警单元采用声光报警器，当播种深度不符合要求时，系统发出警报声和报警灯光； 同时，将信号传送至上位机，为操作者提供参考信息。显示模块在调试系统时使用，由于控制电路部分在使用时一般进行封闭处理，所以在系统上只保留相关的指示灯进行状态显示。无线通信模块具有连接上位机和控制器的功能，上位机给定的耕深处理结果和下位机检测到的实际耕深都将通过此模块进行传送。由图 1 可知，仿形拖板在工作时随地面起伏而与垂直方向呈一定的夹角，其工作原理如图 4 所示。设图 4 中实线部分是仿形拖板的初始位置，拖板长度为 L,与垂直面呈 α 角度，可以计算出原始地面高度为L0= L·cosα （ 1）由此推断出： 播深最浅位置 - A 和播深最深位置+ A 分别为+ A = L - L·cosα （ 2）- A = L·cosαmax- Lcos（ αmax+ β） （ 3）其中，L 为仿形拖板长度； α、β 为编码传感器输出的脉冲信号个数，同时是最浅播深角和最深播深角。

　　在实际应用中，由于玉米播深与当地土壤墒情、积温、播种时间、土壤温度及地表等诸多条件相关，根据黑龙江省农作物种植规范，玉米播深一般在 6cm 左右为宜。当土壤含水率较低时，可适当深播； 反之，适当浅播，其播种范围大致在 4 ~8cm 之间。本设计中，仿形拖板长度 L 取 25cm,可推算出 α、β 角度取 23. 07°和 18. 98°，分别取整数 α = 24°，β = 19°，代表正向最大脉冲为 24 个，反向最大脉冲为 19 个； 当系统检测数值超过上述数值时，将进行报警处理。由图 4 可知： 播深检测角度在 + α ~ - β 变化过程中，+ A ~ - A的变化过程存在一定的非线性，采用相应的余弦函数即可得到相应的线性关系。本设计中，选择仿形拖板的长度为 25cm,通过公式（ 2） 和公式（ 3） 可得到表 1,即 + α ~ - β 的变化过程中相应检测深度的变化范围。由表 1 可知： 系统检测的最大步长为 0. 17cm,最小步长为 0. 01cm,满足设计要求。

　　3 软件流程

　　根据设计原理，制定如图 5 所示的软件流程图。

　　在接受传感器信号过程中，采用硬件滤波和软件滤波相结合的方式，能有效减少外部干扰的影响。在开始部分包括初始化程序，重点是检测编码盘初始状态是否在原始位置上。初始位置的状态信息是正传、反转信号都为低电平，使用过程中如发现初始状态存在正、反信号存在，应调整传感器灵敏度，保证系统能够正常运行。
　　
　　4 对比分析

　　目前，国内外对耕深检测方面已经做了很多的研究，主要有机械方式和电子方式： 机械方式由于调整速度慢、误差较大等因素的影响，目前只在一些低成本、精度要求不高的场合进行应用； 电子方式包括电感式、电容式、电位器式及角度测量仪等方案，部分实现了检测装置与控制装置相结合，取得了一定的生产实际效果。电子方式采用的传感器多为数字式或模拟式，信号在进行发送前需进行预处理，一般存在检测速度慢的缺点。本设计有效地减小了系统检测信号的延时，可实现实时测量播深。

　　有效检测种子播深，能较好地控制种子发芽率、出苗率，保证播种深度的一致性，进而提高农产品的产量。设计中采用的编码传感器结构简单、可靠性高，能有效检测播种机的播深。其最大检测精度为0. 03cm,通过调整正、反向标志之间的距离，能够有效地避免系统在临界点的稳定性。实验分析表明： 当正、反向之间保持 20 个脉冲的裕量时，其检测精度在± 0. 75cm 之间，完全满足实际生产需求。

　　5 结论

　　1） 设计的基于编码器的播深检测装置，可实时测量免耕播种机的播种深度，在仿形轮无堵塞、运动良好的情况下，系统运行稳定。

　　2） 耕深检测传感器的检测范围为 （ 6 ± 2 ） cm,系统稳定裕量范围设定在（ 6 ±0. 75） cm.当传感器检测到的信号 <4cm 或 >8cm 时，向上位机发出报警信号，同时自身也发出相应的报警信息。

　　3） 系统检测精度与编码器精度有关，如想提升或降低检测精度，可通过选择不同脉冲数量的编码器来进行调整。

　　4） 系统的检测精度与仿形托板的长度有关系，如播种机在更换仿形拖板后，要根据实际测量的数值对系统软件进行校正。

　　参考文献：

　　[1] 罗海峰，汤楚宙，吴明亮，等。 免耕播种开沟器的发展现状[J]. 湖南农机，2005（ 5） : 16 -18.
　　[2] 马永财，张伟，李玉清，等。 播种机单体两种仿形机构的研究[J]. 农机化研究，2011,33（ 8） : 101 -103.
　　[3] 阿依丁·克扎突拉，吴明涛，何培祥，等。 耕深自动调节控制系统[J]. 农机化研究，2013,35（ 3） : 160 -163.
　　[4] 康杰，聂有红，何家慧，等。 耕深电子测量和显示装置的设计与试验研究[J]. 农机化研究，2015,37（ 1） : 128 -130.
　　[5] 李玲，李江全，李新荣，等。 耕深电子测试系统的设计与试验研究[J]. 石河子大学学报： 自然科学版，2001（ 3） : 246- 248.