玉米精量播種機排種性能檢測系統(tǒng)研究—基于光電法

鄭雯璐，衣淑娟，李抒昊，劉 坤，戈天劍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

在農(nóng)業(yè)高度機械化的今天，精密播種機作為主要的農(nóng)器具被廣泛應(yīng)用；但因為其構(gòu)造的封閉性使得人們無法在機器運行過程中直觀并及時監(jiān)測播種狀態(tài)，一旦發(fā)生漏播、重播等排種故障將會對作物產(chǎn)量造成極大損失[1]。因此，為播種機配備排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)已成為精量播種技術(shù)研究的重中之重[2]。

排種器是精密播種機的核心部件，高精度的播種過程是確保玉米高產(chǎn)量的重要保障。目前，播種機排種性能檢測常用方法有電容信號、壓電信號、激光信號及光電信號幾大類。就實際應(yīng)用來看，因光電傳感器具有成本低、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點，以往研究人員多利用光電法對排種器排種性能進行檢測[3]。以排種過程中下落的種粒為監(jiān)測對象，當(dāng)種子下落時,種粒受管壁的碰撞、摩擦等因素的影響出現(xiàn)漏播或多粒重播，若傳感器只能產(chǎn)生1個脈沖, 檢測重播的誤差較大。

因此，本文設(shè)計了一套基于光電法的玉米精量播種機排種性能監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器安放在排種管中部，將3對射光電傳感器交叉擺放在排種管兩端，目的在于提高排種性能檢測的穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)排種管內(nèi)排種監(jiān)測無盲區(qū)，對重播、漏播和堵塞等排種性能進行監(jiān)測，并與常規(guī)監(jiān)測裝置進行數(shù)據(jù)對比，得出結(jié)論。

1 主要功能及原理

1.1 種子排種量監(jiān)測

單片機的定時/計數(shù)器T0設(shè)置為計數(shù)器模式，可實現(xiàn)播種機排種量計數(shù)，定時/計數(shù)器T1設(shè)置為定時器模式，用來實現(xiàn)報警定時。當(dāng)種子從排種管落下經(jīng)過種管上安裝的光電傳感器，光敏三極管產(chǎn)生高低電平的變化，接收端每返回一次高電平，計數(shù)器加1，在顯示屏顯示排種數(shù)量；利用高低電平持續(xù)時間進行邏輯判斷來監(jiān)測播種機是否出現(xiàn)故障。

1.2 漏播和重播警報

排種器正常工作時，種子從種箱內(nèi)有序碼入種盤后下落至排種管內(nèi)，在播種現(xiàn)場由于工況很差，導(dǎo)致出現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象[4]，安裝在排種管中部的傳感器對種子經(jīng)過時產(chǎn)生的脈沖變化情況判斷是否發(fā)生漏播和重播[5]。因此，本文利用蜂鳴器對播種過程中出現(xiàn)的故障進行報警，其受外界影響因素較小，可以在惡劣的環(huán)境中使用，聲光報警電路如圖1所示。

1.3 作業(yè)工況監(jiān)測

播種機上安裝GPS定位系統(tǒng)，按照播種機的行進距離和作業(yè)幅寬，來計算播種機的作業(yè)面積。8～10km/h為播種機的限定速度，根據(jù)GPS發(fā)出的指令可測出播種機的作業(yè)速度是否超速。

1.4 種箱狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計

種箱排空如果不能及時發(fā)現(xiàn)，則會導(dǎo)致種子漏播的情況發(fā)生。利用壓敏電阻監(jiān)測種箱內(nèi)種子情況，安裝在種箱內(nèi)的壓敏電阻阻值受其周圍種子量影響，將壓敏電阻安放在種箱中下部，種量充足輸出高電平，種子和壓敏電阻的距離大于9mm標(biāo)準(zhǔn)距離時，則輸出低電平，持續(xù)低電平2s以上時，向上位機發(fā)送報警信息，微處理器通過其電平的變化就可以判斷種箱內(nèi)的狀態(tài)。

圖1 聲光報警電路圖Fig.1 Sound and light alarm circuit diagram

2 硬件設(shè)計

在排種性能檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計上，要實現(xiàn)對脈沖信號的采集、整形濾波、傳輸及顯示和報警[6]，包括光電傳感器信號采集處理電路、顯示終端硬件設(shè)計兩大部分，應(yīng)采用分模塊的方式解決。光電傳感器檢測到的光電信號通過接受調(diào)理電路把數(shù)據(jù)上傳給單片機，由單片機通過ZigBee無線模塊傳送給上位機并進行顯示。

2.1 傳感器電路設(shè)計

光電傳感器的選型種類繁多，普通發(fā)光二極管發(fā)光強度不夠，激光二極管發(fā)光強度大，但成本高；加之播種機在田間作業(yè)期間，環(huán)境十分惡劣，塵土?xí)苋菀走M入到導(dǎo)種管內(nèi)部，進而將傳感器擋住，嚴(yán)重影響光信號的傳遞[7]。因此，本系統(tǒng)采用波長940nm,其光線平行性好，重要的是使用時不需要外加透鏡。同時，其體積小、穩(wěn)定性好，能夠滿足在戶外使用。接收端選用ST-1KL3A型光敏三極管、EL-1KL5型紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光源，該光源波的有效感光波長范圍為400～1 050nm，對EL-1KL5所發(fā)射光波長度敏感[8-9]。播種機排種管直徑為25～30mm，玉米種子直徑一般不超過排種管直徑的1/3?？紤]到1對光電傳感器的覆蓋面積有限，且種子從排種器出來時具有一定的初速度，會在導(dǎo)種管內(nèi)發(fā)生彈跳現(xiàn)象并產(chǎn)生檢測盲區(qū)，因此設(shè)計將3對光電傳感器發(fā)射端和接收端交叉嵌入在排種管內(nèi)部。這種傳感器的擺放方式使得排種管內(nèi)基本無盲區(qū)，如圖2所示。

圖2 傳感器檢測無盲區(qū)示意圖Fig.2 Sensor detection of blind zone schematic

種子通過光電檢測區(qū)產(chǎn)生高電平信號，經(jīng)過調(diào)理電路進行整形、濾波、邏輯門后進行顯示。光電傳感器連接圖如圖3所示。

圖3 光電傳感器連接圖Fig.3 Photoelectric sensor connection diagram

2.2 信號調(diào)節(jié)電路設(shè)計

由于光電傳感器輸出波形不規(guī)整，會導(dǎo)致單片機對光電信號產(chǎn)生誤判，需對光電傳感器輸出信號進行整形[10]，提高傳感器采集數(shù)據(jù)精度，本文采用了C-D40106B施密特觸發(fā)器；由于采用3對光電傳感器會輸出3組脈沖信號，施密特觸發(fā)器在設(shè)計中相當(dāng)于“非門”，對下位機采集的脈沖信號進行了整形濾波。兩個電脈沖信號的時差就是種子下落時間差，當(dāng)輸種管中有種子流動時傳感器有脈沖輸入到判別電路,則判別電路輸出為“1”態(tài)；當(dāng)輸種管無種子流動時,傳感器無脈沖輸出,則判別電路無脈沖輸入,其輸出為“0“態(tài)[11]。

本文將3對光電傳感器采用“與”電路和“或”門電路進行整形，是考慮到當(dāng)種粒下落經(jīng)過此處時一定會遮蓋住這3對光電傳感器的任意1對，產(chǎn)生脈沖信號(圖4)，因此3對傳感器的信號端選擇了與門和或門操作來實現(xiàn)對空、堵及重播的報警。

圖4 整形電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of plastic circuit

2.3 無線模塊電路

本試驗采用nRF24L01芯片組成的無線收發(fā)模塊，其優(yōu)點可總結(jié)以下幾點：傳輸速率最高可達 2Mbps，工作效率快；抗干擾能力強；功耗低，掉電模式下電流僅為 1μA；可軟件設(shè)置地址，能夠直連各種單片機使用，軟件編程非常方便；由于無線模塊的工作電壓是 1.9～3.6V，因此可以將無線模塊直接連接單片機的電源輸出端，給其提供 3.3V 電壓就可以正常工作。nRF24L01+的模式選擇控制引腳 CE 置為 1 時，芯片工作在接收模式；IRQ 引腳是中斷信號輸出端，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完畢后，IRQ 端口會發(fā)出中斷信號，通知單片機及時對寄存器中的數(shù)據(jù)進行處理。

2.4 報警電路

為了改善播種機播種工況，提高播種機作業(yè)性能，在作業(yè)過程中播種機出現(xiàn)故障時，要及時進行報警，避免大面積缺苗、斷壟等情況的發(fā)生[12]。為此，本文設(shè)計了故障報警電路，與主單片機的 P1.2 口連接。當(dāng)輸出的高低電平發(fā)生變化時，單片機判斷故障類型并發(fā)送給主機，進而控制蜂鳴器報警；同時，液晶屏同步顯示故障信息，提醒機手及時對故障做出處理。

3 軟件設(shè)計

整個軟件程序包括程序初始化、數(shù)據(jù)采集子程序、無線發(fā)射子程序、報警子程序和顯示子程序。對 STC12C5A60S2 單片機及各控制芯片進行初始化，保證控制系統(tǒng)做好工作準(zhǔn)備；調(diào)用信息采集及數(shù)據(jù)處理、運算子程序，調(diào)用無線傳輸子程序，當(dāng)有信息需要發(fā)送或接收時，無線模塊便會調(diào)整工作模式完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)；調(diào)用報警子程序，在播種機工作過程中，當(dāng)發(fā)生漏播情況時，報警系統(tǒng)能夠及時報警；調(diào)用顯示子程序，實時對播種參數(shù)進行顯示，當(dāng)發(fā)生漏播故障時，顯示屏?xí)詣犹D(zhuǎn)到故障頁面顯示相關(guān)故障信息。系統(tǒng)的總程序框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Master program flow diagram

4 實驗分析與結(jié)果分析

4.1 排種量檢測試驗

試驗在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)播種機進行，選擇整理好的平整地面作為試驗地。玉米種子型號為金山8號，種子直徑6mm。選擇3 000粒玉米種子進行排種量檢測試驗，將3 000粒種子隨機分為15組，依次將各組種子進行試驗，將試驗結(jié)果進行誤差分析。種子從排種箱勻速下落，經(jīng)過安裝在排種管內(nèi)部的光電傳感器，上位機得出種子下落的數(shù)目，將其與實際值進行比較，如表1所示。

表1 排種量檢測結(jié)果Table 1 The results of the detection of seed volume

試驗表明：該排種器監(jiān)測傳感器對排種量檢測精度可以達到97.5%，達到工況要求，能夠準(zhǔn)確地檢測排種量。

4.2 漏播和重播異常報警試驗

在對漏播量和重播量進行統(tǒng)計時，取適量金山8號玉米種子隨機分為3組，投入排種管內(nèi)，為增加漏播重播種粒樣本數(shù)量，在排種器與導(dǎo)種管之間加裝了小擋板，種粒下落時有一部分會撞擊擋板，相鄰種粒的下落時間差將會改變，從而模擬排種異常狀況。試驗結(jié)果如表2所示。

在做異常警報試驗時，采取人為制造異常的方法，來檢測報警系統(tǒng)的靈敏度。報警試驗時，在種子下落過程中將調(diào)速器關(guān)閉，人為地使兩粒種子下落的時間間隔超過定時器警報時間t，用秒表記錄多長時間上位機發(fā)出警報、顯示屏顯示故障信息。試驗結(jié)果顯示：在模擬漏播和排種堵塞的情況下，異常發(fā)生到傳給上位機報警延時時間為2s，漏播和重播報警監(jiān)測精度達到要求；排種器漏播報警可靠率100%，報警系統(tǒng)可靠率100%。

表2 監(jiān)測精度試驗Table 2 Monitoring accuracy test

5 結(jié)論

對排種器性能監(jiān)測系統(tǒng)的綜合測試表明：設(shè)計的交叉擺放光電傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對排種過程的實時監(jiān)控，并能對種箱排空和輸種管堵塞等異常情況發(fā)出實時報警信號。該排種器監(jiān)測傳感器對排種量檢測精度可以達到97.5%，對漏播量和重播量的監(jiān)測精度分別為93.8%和94.2%，滿足工況要求。