一種電動玉米精量播種機施肥監(jiān)測裝置設計*

楊 柳 ， 楊 莎 ， 楊瓔珞

（黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163000）

隨著玉米、大豆等糧食作物種植面積的增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者普遍借助化肥實現(xiàn)糧食增產(chǎn)。黑龍江省是我國玉米和大豆的主要產(chǎn)區(qū)之一，在我國玉米和大豆產(chǎn)業(yè)中占重要地位[1-3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥與糧食產(chǎn)量有著緊密的聯(lián)系，科學有效施肥可達到增產(chǎn)的效果，但部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者缺少科學施肥的意識[4]，為了增加產(chǎn)量，大量施用化肥[5]。過量的化肥不僅不能被農(nóng)作物吸收，而且會殘留在土壤里并隨雨水流入河流，對土壤以及生態(tài)環(huán)境的破壞不容小覷。所以，開發(fā)和研制符合農(nóng)藝要求的玉米等中耕作物精密播種施肥機械，加強在玉米精量播種機肥料施播狀態(tài)監(jiān)測以及故障報警信息監(jiān)測等控制系統(tǒng)方面的研究，對推動精密播種施肥機械化技術的發(fā)展及指導實際生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義[6]?；诖?，課題小組在現(xiàn)有研究基礎上，根據(jù)黑龍江省玉米種植特點以及土地地塊信息，利用GPS、人機交互、無線通信、智能控制等技術，設計玉米精量播種機的施肥裝置以及監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)肥量監(jiān)測、肥管空堵報警以及數(shù)據(jù)儲存與顯示。

1 關鍵部件機械結構

電動玉米精量播種機施肥裝置機械結構由電動外槽輪排肥器、排肥管、機架、肥箱等組成。排肥器用于播種機和中耕機上施固體化肥、菌肥等。要求播量均勻穩(wěn)定，排肥量調(diào)節(jié)范圍大，通用性好，零件耐腐蝕，檢查方便[7-8]。

施肥控制以及監(jiān)測系統(tǒng)主要對排肥電機進行控制，其中電動外槽輪排肥器的電機結構如圖1所示，其結構參數(shù)為功率50 W，扭矩10 N·m。外槽輪排肥器在傳統(tǒng)外槽輪排肥器的基礎上進行改進設計，將阻塞輪改為與槽輪相配合的擋圈形式，同時配擰手進行調(diào)節(jié)，在槽輪一端增加電機直接控制排肥器轉速，大大提升了自動控制與監(jiān)測的工作性能與方便程度[9]。主要通過控制排肥器的排肥槽輪工作長度以及排肥軸的轉速來調(diào)節(jié)肥量大小，實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。

圖1 電動外槽輪排肥器

排肥裝置所配肥箱按播種機作業(yè)12行考慮[10]，該機設置兩個肥箱，按最大施肥量、整幅作業(yè)，播種機每作業(yè)1 000 m加一次肥為基準設計肥箱容積如下：

式中，V為肥箱容積，L；L為作業(yè)幅寬，L=6.2 m；F為施肥距離，F(xiàn)=1 000 m；Q為最大施肥量，Q=500 kg；q為容重，q=0.7 t。

由公式得：

整機施化肥作業(yè)1 000 m肥箱最小容積為442.9 L，結合整機結構設計肥箱為540 L，基本滿足整機作業(yè)性能要求。

2 監(jiān)測系統(tǒng)

施肥監(jiān)測系統(tǒng)總體設計框圖如圖2所示，該系統(tǒng)主要由上位機（信息上傳存儲）和下位機（GPS、編碼測速器、光電編碼器等）組成[11-14]。上位機提供系統(tǒng)用戶界面，發(fā)送和接收各種信號指令，可通過上位機設置所需施肥量進行排肥軸施肥量的計算、肥量的調(diào)控等；下位機主要以單片機為核心，負責完成數(shù)字信號采集處理，監(jiān)測肥量信息、肥管空堵等情況，通過無線通信模塊將監(jiān)測處理結果發(fā)送到無線控制終端，實現(xiàn)報警與信息存儲。

圖2 施肥監(jiān)測系統(tǒng)

1）GPS模塊。如圖3所示，選用GPS外置接收器，負責獲取播種機所在的經(jīng)度、緯度、機車行進方向和速度等信息，通過無線通信模塊將信息傳遞給下位機。

圖3 GPS外置接收器

2）數(shù)據(jù)采集模塊。如圖4所示，一端為脈沖發(fā)射器，另一端為信號接收器，當有化肥落下時，發(fā)射管發(fā)射的紅外光被肥料遮斷，接收側無信號輸出，產(chǎn)生持續(xù)高電平脈沖信號；而當肥管內(nèi)處于空或堵的狀態(tài)時，紅外光由于始終沒有被遮擋或始終被遮擋，信號接收器的接收側始終接收到發(fā)射管發(fā)出的紅外光或始終接收不到紅外光，則不會產(chǎn)生脈沖信號。系統(tǒng)通過對脈沖信號的檢測，將脈沖信號信息傳遞給上位機，進行信息存儲、計數(shù)和顯示，實現(xiàn)肥管的空堵報警監(jiān)測[15-16]。

圖4 紅外光電對管

3）光電編碼器。如圖5所示，排肥軸轉速調(diào)節(jié)選用光電編碼器，當機器作業(yè)時，光電編碼器隨排肥軸一起旋轉，編碼器產(chǎn)生脈沖信號，通過無線通信模塊傳遞給上位機，經(jīng)預設程序計算排肥量，并將其顯示和存儲在上位機中。

圖5 光電編碼器

3 試驗

1）排肥量試驗：在試驗播種機的排肥軸上安裝光電編碼器，用3個塑料袋分別封住3根肥管出口。選取槽輪工作長度為30 mm，在該刻度值下玉米播種機以拖拉機二擋速度盡量穩(wěn)速行進100 m、200 m、300 m、400 m、500 m和600 m的距離，用電子秤稱量獲取的實際施肥量。將其與系統(tǒng)測量值進行對比，獲得相對系統(tǒng)誤差值。排肥量誤差試驗結果如表1所示。

表1 排肥量誤差試驗

2）肥管空堵試驗：玉米播種機田間作業(yè)時，人為設置3根肥管進行空和堵試驗，共進行6組，驗證其報警顯示是否正確。肥管空堵誤差試驗結果如表2所示。

表2 肥管空堵誤差試驗

由上述試驗結果可知，系統(tǒng)測得肥量與實際施肥的誤差在2%以內(nèi)，系統(tǒng)肥量監(jiān)測準確率達98%以上，誤差出現(xiàn)的主要原因為機車啟動與結束時的不穩(wěn)定。系統(tǒng)監(jiān)測次數(shù)與實際人為干預次數(shù)的誤差在2%以內(nèi)，系統(tǒng)肥量監(jiān)測準確率達98%以上，滿足精度要求。

4 結語

課題小組利用無線通信、傳感器、人機交互和智能控制等技術，設計了電動玉米精量播種機施肥監(jiān)測裝置，該裝置主要由電動排肥機構、肥管空堵報警裝置、肥量監(jiān)測裝置等組成；將紅外光電對管安裝在排肥口下方，利用紅外光反射產(chǎn)生的脈沖信號實現(xiàn)肥管空堵報警；利用光電編碼器以及無線通信系統(tǒng)等，將所提供的數(shù)字信號轉換成肥量信息，實現(xiàn)肥量實時監(jiān)測，同時對肥管空堵等情況進行及時報警。試驗表明：該施肥監(jiān)測裝置總體精度可達到97%以上，其中施肥量的準確率在98%以上，肥管空堵報警的準確率在98%以上，該系統(tǒng)能夠對玉米播種機施肥過程進行有效的監(jiān)測，同時整體監(jiān)測系統(tǒng)也可以應用到其他施肥機械上，通用性好。