氣吸式排種器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

安 霆，楊旭海，鄧贊石，程 悅，王 軍，羅小龍

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

隨著中國農(nóng)業(yè)裝備以及播種技術(shù)的迅速發(fā)展，玉米精量播種機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。由于氣吸式排種器與機械式相比具有通用性好及對種子尺寸要求低等優(yōu)點被農(nóng)戶廣泛應(yīng)用。但是，氣吸式排種器關(guān)鍵部件大部分是在密閉的空間內(nèi)進行的，憑人的視覺和聽覺無法知曉其作業(yè)的質(zhì)量[1]，往往等到出苗時，才能發(fā)現(xiàn)漏播的情況，在這個時候采取補苗措施不能及時彌補經(jīng)濟損失。

目前，人們常采用抽樣調(diào)查的方法，這樣的方法過于被動，不僅消耗了人力物力，監(jiān)測效率也低。因此，可以通過一套能夠在田間進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)，對田間玉米的漏播進行監(jiān)測，將經(jīng)濟損失降到最小。目前，常用的監(jiān)測方法有圖像監(jiān)測法、光電監(jiān)測法及電容監(jiān)測法[2-6]等。周利明等[7]提出一種基于微電容信號獲取與分析的玉米播種機性能監(jiān)測方法，通過相鄰種子的電容脈沖峰值間隔和脈沖積分面積來獲取播種作業(yè)狀況下的播種量、漏播量及重播量等參數(shù)。

馬旭、廖慶喜等使用機器視覺方法對精密播種機排種情況進行檢測。但是，此類研究因其較高的成本和較低的抗干擾性，只適合在實驗室進行科研，不適合在田間進行實時監(jiān)測；而對于電容監(jiān)測法而言，種子的體積和導(dǎo)電率都是田間監(jiān)測影響的因素，所以不適于田間實時監(jiān)測。

針對上述問題，本文利用光電傳感器進行信息采集，經(jīng)放大電路將電壓放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，通過單片機進行編程，對有無種子進行判斷，最后通過執(zhí)行模塊進行報警，降低漏播造成的經(jīng)濟損失。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

氣吸式排種器監(jiān)測系統(tǒng)主要包括由傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的信息采集模塊、以STC89C52RC單片機作為核心的主控制模塊，以及由LED燈和風(fēng)鳴器組成的執(zhí)行模塊構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

1.2 氣吸式排種器工作原理

作為免耕播種機關(guān)鍵部件之一，氣吸式排種器主要由鑄造擋盤、壓盤、腰帶總成、中空穴播器軸、氣吸取種盤、分種盤及穴播器殼等組成，如圖2所示。

1.鑄造擋盤 2.壓盤 3.腰帶總成 4.擋種盤 5.穴播器軸 6.取種盤 7.刷種器 8.分種盤 9.刮種器 10.斷氣裝置 11.穴播器殼圖2 氣吸式排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of gas suction type arrangement

其工作過程主要包括吸種、清種、一次投種、種道分離及二次投種等過程。在風(fēng)機作用下，吸氣口通過中空穴播器軸使氣吸式排種器的氣室中形成負壓。此時，取種盤隨著氣吸式排種器同步轉(zhuǎn)動，由種子層通過，在氣室形成負壓的情況下，吸種孔將種子吸起。當(dāng)種子在負壓作用下，與吸種孔一起運動到刷種器的位置時，刷種器與吸種孔上吸起的種子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生一定頻率和振幅的振動，使吸種孔多吸的種子落回種層中。當(dāng)種子達到投種的位置時，經(jīng)過斷氣塊將吸種孔與種子的聯(lián)系切斷，投入分種盤中；進入分種盤的種子繼續(xù)隨氣吸式排種器移動，當(dāng)種子達到二次投種的位置時，種子在重力的作用下投入進種道，經(jīng)過鴨嘴到達地面。

1.3 傳感器安裝方案確定

本設(shè)計將傳感器安裝固定在以吸種孔到氣吸式排種器中心軸的距離為半徑圓型殼體上。傳感器不隨工作時排種器的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。當(dāng)排種器工作時，傳感器固定于排種器的殼體上，監(jiān)測各個吸種孔是否有種子，其安裝方案如圖3所示。

由于傳感器與取種盤之間的距離約為12mm, 且玉米種子的厚度在1～2mm之間，傳感器會根據(jù)吸種孔是否有種子，反饋給單片機不同的電壓值。但是，由于玉米種子的厚度較小，傳感器返回電壓值也不明顯，為減小誤差，本設(shè)計采用在傳感器后接放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換器的方式，先將傳感器監(jiān)測到的兩種電壓值進行放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過多次測量，取有種信號的平均值與方差，從而確定吸種孔吸附種子時，電壓值的范圍，達到漏播監(jiān)測的目的。

圖3 傳感器安裝方案Fig.3 Sensor installation scheme

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 傳感器

由于光電傳感器價格便宜、電路簡單，且可以紅外光滿足對田間灰塵抗干擾的要求，所以本設(shè)計選用以發(fā)光二極管作為發(fā)光元件的光電傳感器。由于紅外發(fā)光二極管在性能與價格方面優(yōu)于普通發(fā)光二極管及激光二極管，本設(shè)計選用EL-1KL5紅外發(fā)光二極管，其光管直徑為4.65mm，發(fā)出波長為940nm,工作電壓為5V。對于受光元件，由于光敏三極管與光敏二極管和硅光電池相比，其可靠性、響應(yīng)速度及抗干擾能力都要優(yōu)于后兩者，因此選用ST-1KL3B光敏三極管作為受光元件[8]。其光管直徑為4.65mm，受光波長為500～1 050nm，工作電流為1.5～15mA。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

針對需要將傳感器傳輸?shù)碾妷褐缔D(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而區(qū)分吸種孔有種與無種，減小測量誤差的情況，本設(shè)計針對ADS1210、MS3110、AD7799、TLC5510 4種類型的A/D轉(zhuǎn)換器特點進行分析與對比，從而確定適合本設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換器。

ADS1210與MS3110都屬于精度較高的A/D轉(zhuǎn)換器，從減小監(jiān)測誤差的角度都是可取的；但是MS3110輸出的是模擬信號， 不能滿足判斷有種時與

無種時數(shù)值信號大小的要求。ADS1210雖然精度較高，但是其價格比較昂貴，所以不選用作為排種監(jiān)測系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器。TLC5510與AD7799相比，前者8位精度轉(zhuǎn)換器，后者為24位精度轉(zhuǎn)換器；且后者具有反應(yīng)時間短、靈敏度高、功耗低等優(yōu)點，從性價比方面考慮，本設(shè)計選用AD7799作為監(jiān)測系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 AD7799內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Internal structure diagram of AD7799

數(shù)字接口有4條線，即片選信號CS、串行同步時鐘SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN及數(shù)據(jù)輸出DOUT/RDY。DOUT/RDY 的第二個功能是 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束的通知信號，可以接單片機的外部中斷口，當(dāng)沒有轉(zhuǎn)換結(jié)束時，DOUT/RDY為高電平，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束DOUT/RDY 為低電平，觸發(fā)中斷。進入中斷服務(wù)程序，首先禁止外中斷，然后通過對單片機的IO口編程讀寫AD7799中各個寄存器的數(shù)據(jù)，讀寫過程CS為低電平。

單片機讀數(shù)過程為：單片機發(fā)SCLK 的下降沿 AD7799 輸出一位數(shù)據(jù)，STC89C52RC單片機讀入。寫數(shù)過程為：單片機發(fā)DIN，再發(fā)SCLK 的上升沿，則DIN的上1位數(shù)據(jù)移入AD7799，多個AD7799的DIN、DOUT/RDY、SCLK線可以公用。 其內(nèi)部的可編程增益放大器的放大倍數(shù)可以設(shè)定為1～128，濾波器可以提高ADC的轉(zhuǎn)換精度和分辨率，隨著其建立時間的增加，轉(zhuǎn)換精度也隨之提高。通過AD7799轉(zhuǎn)換器，可以將從傳感器傳出的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，再由單片機對經(jīng)過放大電路和AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)值信號進行有種或無種的判斷，從而達到田間實時監(jiān)測的目的。

2.3 控制器

STC89C52RC型單片機具有低功耗、高性能、高可靠性的特性。由于其在芯片上做出了改進，所以它具備其他51單片機沒有的功能，可以以更加高效、 靈活

的方式解決問題。因此，本設(shè)計選用STC89C52RC單片機。

STC89C52RC單片機需要+5V的直流電來保證單片機本身正常運作[9]。但是，排種監(jiān)測系統(tǒng)需要安裝在氣吸式排種器上在田間進行播種作業(yè)的監(jiān)測,通過轉(zhuǎn)換電網(wǎng)中220V電源為STC89C52RC單片機供電的措施是不可取的。因此，需要用氣吸式排種器自帶的電源進行供電,由于STC89C52RC單片機需要5V的直流電進行供電才能正常運行，本文設(shè)計了基于LM7805開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的單片機供電電源。

在LM7805開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器中，容量較大的電解電容可以實現(xiàn)低頻慮波，但對具有高頻交流成分的濾波效果較差。為了改善濾波電路的高頻抑制特性，在大電容旁并聯(lián)具有較強高頻濾波性能的小電容，有效地改善了濾波電路高頻抑制特性不足的缺點[10]。

本設(shè)計以STC89C52RC單片機為控制核心，通過紅外傳感器對信息進行采集，再將傳感器采集到的電壓信號經(jīng)放大電路傳入到A/D轉(zhuǎn)換器種，通過其轉(zhuǎn)換的數(shù)值信號，判斷出吸種孔有種子時，反饋的電壓值范圍，再根據(jù)其范圍判斷是否出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。若出現(xiàn)漏播現(xiàn)象，3粒缺種黃燈報警，5粒缺種紅燈報警，7粒缺種蜂鳴器與紅燈同時示警。監(jiān)測系統(tǒng)電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要是對系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的驅(qū)動，系統(tǒng)程序采用C語言編寫，易于移植，可讀性強。軟件系統(tǒng)通過控制單片機，控制監(jiān)測系統(tǒng)，達到漏播報警的目的。其具體工作原理：首先，通過光電傳感器采集紅外光打到種子時與紅外光打到吸種盤上時的電壓信號。由于種子厚度較小，所以受光元件接收到來自種子上的光與來自吸種盤上的光所反映出的電壓值會非常接近。為減小此類誤差，本設(shè)計將傳感器傳出的電壓信號經(jīng)放大電路放大，再通過AD7799轉(zhuǎn)換器，將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，通過多次測量，計算有種時和無種時AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出數(shù)值的平均值與方差，從而確定出有種與無種時，電壓值波動的范圍。當(dāng)連續(xù)3粒出現(xiàn)缺種時，黃色燈進行示警；當(dāng)連續(xù)5粒出現(xiàn)缺種時，紅色燈進行示警；當(dāng)連續(xù)7粒出現(xiàn)缺種時，紅色燈與蜂鳴器同時示警，提醒操作人員及時檢查種箱是否排空或者是否出現(xiàn)機械故障，避免不必要的經(jīng)濟損失。其流程圖如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)電路總圖Fig.5 General view of system circuit

圖6 系統(tǒng)流程圖Fig.6 System flow diagram

4 試驗與結(jié)果分析

監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室進行測試如圖7所示。系統(tǒng)可通過傳感器監(jiān)測電壓信號，再由A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，最后由單片機根據(jù)不同的數(shù)值信號判斷是否漏播；控制執(zhí)行模塊實現(xiàn)了連續(xù)3粒漏播進行黃燈報警，連續(xù)5粒漏播進行紅燈示警，連續(xù)7粒漏播進行紅燈與蜂鳴器同時示警的功能。

圖7 漏播示警實驗圖Fig.7 Leakage warning experiment Figure

應(yīng)用本監(jiān)測系統(tǒng)，對2BQM-8氣吸式免耕精量播種機進行田間試驗，其連續(xù)3粒漏播的示警率可達97%，連續(xù)5粒的示警率可達99%，連續(xù)漏播7粒的示警率可達100%，符合2BQM-8氣吸式免耕精量播種機的監(jiān)測要求。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了以STC89C52RC單片機為控制核心的監(jiān)測系統(tǒng)，運用紅外發(fā)光二極管為發(fā)光元件的光電傳感器進行信息采集，通過判斷傳出電壓是否在確定有種或無種的范圍內(nèi)，進行相應(yīng)的聲光示警，從而避免不必要的經(jīng)濟損失。

2)試驗測試與結(jié)果表明：連續(xù)漏播種子多于7粒能夠100%報警，連續(xù)漏播種子多于5粒少于7粒能夠99%報警，連續(xù)漏播種子多于3粒少于5粒能夠97%報警。系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能夠有效地實現(xiàn)玉米播種質(zhì)量的監(jiān)測。