膜上精量播種機(jī)光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

張定良，于永良，臧象臣，王堆金，盧玉剛，謝小強(qiáng)，饒志強(qiáng)，阿布都熱合曼·艾買爾

（新疆天誠(chéng)農(nóng)機(jī)具制造有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841005）

0 引言

棉花、玉米是新疆主要農(nóng)作物。而播種作業(yè)是棉花、玉米生產(chǎn)中最基本、最重要的一環(huán)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械迅速發(fā)展的今天，新疆棉花、玉米的機(jī)械化精量播種技術(shù)的發(fā)展已成熟并大面積推廣。機(jī)械式精量播種機(jī)和其它播種機(jī)結(jié)構(gòu)相似，工作過程全封閉，無法觀察其工作狀況。由于田間的工作環(huán)境比較惡劣，會(huì)出現(xiàn)種箱排空、導(dǎo)種管堵塞等故障，如果無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并解決，會(huì)造成大面積漏播，影響經(jīng)濟(jì)效益，造成糧食減產(chǎn)等[1]。目前新疆市場(chǎng)上主要推廣使用的配有型孔式精量穴播器的機(jī)械精量播種機(jī)，但這機(jī)械式精量播種機(jī)械實(shí)現(xiàn)不了對(duì)其下種性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)型孔式精量穴播器工作過程中出現(xiàn)種子大小不一、型孔堵塞、拐臂、扭簧斷裂、棘爪不回位，甚至種管堵塞、種箱排空的情況，均會(huì)出現(xiàn)機(jī)械精量穴播器不能正常下種，由于不能直觀顯示穴播器下種的情況，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行解決，就會(huì)產(chǎn)生大面積空穴、多籽、斷條、斷壟現(xiàn)象，而解決此現(xiàn)象的辦法一是花費(fèi)大量人工時(shí)時(shí)挖種查種，二是后期出苗后花費(fèi)人工補(bǔ)種、定苗，費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、增加成本，嚴(yán)重影響了棉花、玉米產(chǎn)量。因此研究開發(fā)一種具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精量穴播器下種性能的播種機(jī)是必要的，它可以節(jié)約勞動(dòng)力、提高正產(chǎn)效率、增產(chǎn)增效，對(duì)推動(dòng)新疆棉花、玉米精量播種技術(shù)自動(dòng)化有著重要意義。

1 系統(tǒng)組成方案

針對(duì)目前天誠(chéng)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的夾持式精量播種機(jī)[2]使用情況，設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的穴播器以及安裝在該穴播器上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置,該穴播器能實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花種子玉米種子的精量穴播，并且保證穴播器下種的空穴率、一籽率、多籽率等指標(biāo)均符合國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的要求，該穴播器還具有穴播株距可調(diào)、穴播鴨子嘴可更換、下種精度與種子大小、種子形狀沒影響的特點(diǎn)（圖1、圖2）。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置采用Cortex-M3內(nèi)核處理器，能完成對(duì)點(diǎn)型探測(cè)器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與分析，并將分析到的異常信號(hào)傳遞給顯示屏和語(yǔ)音輸出、喇叭輸出信號(hào)，再由語(yǔ)音輸出喇叭發(fā)出警報(bào)，顯示屏顯示穴播器存在的故障。

圖1 夾持式精量穴播器定盤

圖2 夾持式精量穴播器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

穴播器檢測(cè)點(diǎn)型探測(cè)器，采用光纖植入線對(duì)射原理。解決了傳統(tǒng)光電檢測(cè)以點(diǎn)為中心，檢測(cè)面窄的問題，并將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過總線將數(shù)據(jù)匯總到Cortex-M3內(nèi)核處理器進(jìn)行分析。并增加霍爾傳感器對(duì)穴位進(jìn)行檢測(cè)，使測(cè)量數(shù)據(jù)有了參考對(duì)象，數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性有了判斷的依據(jù)。

穴播器檢測(cè)點(diǎn)型探測(cè)器采用總線形式與Cortex-M3內(nèi)核處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。穴播器檢測(cè)點(diǎn)型探測(cè)器擁有獨(dú)立的ID號(hào)，可以單個(gè)或多個(gè)與Cortex-M3內(nèi)核處理器進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)互不串?dāng)_。

穴播器檢測(cè)點(diǎn)型探測(cè)器與Cortex-M3內(nèi)核處理器組成一套集采集、統(tǒng)計(jì)、高分辨率觸摸顯示、聲光報(bào)警于一體的檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)可以將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出，也可生成相關(guān)柱狀圖或餅圖等數(shù)據(jù)格式，使數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)更加簡(jiǎn)單、便捷、直觀，工作原理如圖3。穴播器光纖植入感應(yīng)的新型傳感器，該傳感器具有體積小、精度高、防震、防塵的特點(diǎn)，便于安裝在夾持式精量穴播器上并且能適應(yīng)該穴播器在田間土壤中作業(yè)時(shí)伴隨的劇烈抖動(dòng)和大量灰塵的惡劣條件。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 光纖介紹

光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（lightemittingdiode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測(cè)脈沖。

2.2 霍爾傳感器介紹

霍爾原理：當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)?；魻栭_關(guān)就屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。

霍爾開關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度（如 B1）時(shí)，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)輸出端一般采用晶體管輸出，和接近開關(guān)類似有 NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型(雙極性)、雙信號(hào)輸出之分?；魻栭_關(guān)具有無觸點(diǎn)、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。

2.3 精量穴數(shù)計(jì)數(shù)原理[6]

傳統(tǒng)技術(shù)缺陷：（1）調(diào)試繁瑣。不同農(nóng)作物及株距的監(jiān)測(cè)靈敏度設(shè)置按下種子或者肥料監(jiān)測(cè)行數(shù)的設(shè)置按鈕不要松開。當(dāng)種子或者肥料指示燈快速閃動(dòng)時(shí)，松開按鈕，每按下一次按鈕就會(huì)增加 0.5 s的靈敏度時(shí)間。主機(jī)監(jiān)測(cè)的靈敏度時(shí)間可以是0.5～10 s不等的時(shí)間段，以適應(yīng)不同農(nóng)作物及株距。（2）顯示方式過于呆板。數(shù)碼管顯示、顯示信息不夠直觀，數(shù)據(jù)不便于統(tǒng)計(jì)；相關(guān)數(shù)據(jù)抓取不方便，耗費(fèi)人力。（3）計(jì)數(shù)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)數(shù)以時(shí)間為單位，對(duì)播種機(jī)手要求高。

比對(duì)計(jì)數(shù)原理：采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)與一個(gè)未知計(jì)數(shù)之間的差值來判斷計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。在穴播器芯盤的每個(gè)射出口前安裝一個(gè)磁性元件，在穴播器的定子上安裝一個(gè)霍爾傳感器，穴播器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)做為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。在穴播器種子加速射出方向前安裝一路光纖，當(dāng)種子從光纖之間經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生計(jì)數(shù)信號(hào)判斷種子是否射出，并抓出相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)到來之前應(yīng)有一次種子射出計(jì)數(shù)的相關(guān)記錄，如果沒有則說明射空。利用這個(gè)原理可以準(zhǔn)確的計(jì)算出穴播器射擊成功率。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出：數(shù)據(jù)導(dǎo)出便于統(tǒng)計(jì)與管理導(dǎo)出的數(shù)據(jù)以天為單位或以小時(shí)為單位，可以打印播種機(jī)開始播種到播種結(jié)束的相關(guān)數(shù)據(jù)。

觸摸彩屏顯示：觸摸輸入可以根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)置報(bào)警極限、采集路數(shù)等。顯示屏可以顯示駕駛室內(nèi)溫濕度、播種人、每路統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，可以設(shè)置報(bào)警極限，聲光提示播種手進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 結(jié)合夾持式穴播器實(shí)施方案

（1）光纖安裝位置，如圖4所示。

圖4 光纖安裝位置

（2）霍爾傳感器安裝位置，如圖5所示。

圖5 霍爾傳感器安裝位置

（3）除塵導(dǎo)管安裝，如圖6所示。

圖6 除塵導(dǎo)管安裝位置

4 探測(cè)器數(shù)據(jù)處理模塊

（1）采用高速處理器。點(diǎn)播穴播器探測(cè)器采用高速處理器來計(jì)數(shù)，將數(shù)據(jù)在本地存儲(chǔ)并使其掉電數(shù)據(jù)不遺失，保證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。

（2）點(diǎn)型穴播器探測(cè)器通訊。采用兩線制M_BUS通信連接連接更方便，連接不分正負(fù)極。安裝方式簡(jiǎn)單易懂，非專業(yè)人員參照安裝說明既可現(xiàn)場(chǎng)操作使用。

（3）數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng)。采用高清彩屏顯示，顯示登陸界面、播種機(jī)手信息各個(gè)通道采集數(shù)據(jù)與報(bào)警狀況。

（4）整個(gè)監(jiān)測(cè)控制流程圖如圖7。

圖7 監(jiān)測(cè)控制流程

5 安裝使用與維護(hù)

安裝：（1）將各個(gè)穴播器點(diǎn)型探測(cè)器安裝到位，將其連接電纜連接到主機(jī)，航空插頭連接固定。（2）確認(rèn)連接無誤后，接通電源開關(guān)，電源指示燈亮起。系統(tǒng)自檢開始。自檢測(cè)試完成后可投入使用。

維護(hù)：產(chǎn)品使用1個(gè)周期（每天結(jié)束時(shí)）檢測(cè)電纜是否松動(dòng)。

6 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

選取3 000粒種子玉峰9號(hào)作為試驗(yàn)用種，種子外觀大、圓，粒飽滿狀。按每600粒種子為1組，做5組試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 排種量監(jiān)測(cè)結(jié)果

取2 500粒種子KX3564號(hào)作為試驗(yàn)用種，種子外觀扁長(zhǎng)瘦小。按每500粒種子為1組，做5組試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 排種量監(jiān)測(cè)結(jié)果

7 結(jié)果分析及存在問題

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光纖植入感應(yīng)的新型傳感器，該傳感器具有體積小、精度高、防震、防塵的特點(diǎn)，方便安裝在新式夾持式精量穴播器上并且能適應(yīng)該穴播器在田間土壤中作業(yè)時(shí)伴隨的劇烈抖動(dòng)和大量灰塵的惡劣條件。針對(duì)田間工作噪音較大的情況，加裝了聲光報(bào)警器，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。試驗(yàn)表明：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)形狀較大、圓度飽滿的大種子時(shí)性能穩(wěn)定、報(bào)警及時(shí)準(zhǔn)確，誤報(bào)率為0.1%左右，對(duì)排種量監(jiān)測(cè)平均精度達(dá)98.56%，有效提高了播種監(jiān)測(cè)效率和播種質(zhì)量。但對(duì)于外觀扁平瘦的小種子監(jiān)測(cè)性能不太穩(wěn)定，誤報(bào)率為0.3%左右，排種精度平均96.35%。

通過初步臺(tái)架試驗(yàn)，由于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的傳感器通過連接信號(hào)線給控制器輸送信號(hào)，因此安裝在穴播器外定盤的光纖傳感器應(yīng)固定在外定盤某一位置，應(yīng)解決如何防止外定盤倒轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生信號(hào)線纏繞扯斷的問題。光纖檢測(cè)傳感器靠阻斷信號(hào)來檢測(cè)下種情況，如何防止灰塵、包衣劑掩蓋光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)信號(hào)，也是急需重點(diǎn)試驗(yàn)解決的問題。