玉米播種機全自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化分析

劉 凱

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

播種是玉米種植的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對后期產(chǎn)量和種植質(zhì)量具有直接性影響。利用單片機、傳感器等硬件設(shè)備，實現(xiàn)株距控制等方面的優(yōu)化，為玉米產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)水平提升起到積極的促進作用。

1 全自動控制系統(tǒng)的概念和基本組成

在當(dāng)前工農(nóng)業(yè)及制造業(yè)生產(chǎn)流程中，基于機電技術(shù)、PLC程序、伺服控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)的綜合作用，實現(xiàn)被控制對象的自動化運行，并且某一環(huán)節(jié)工藝條件變化時，系統(tǒng)會以自動調(diào)節(jié)方式，將運行工藝數(shù)據(jù)調(diào)整至要求范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行。根據(jù)控制原理的不同，可以將全自動控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。在當(dāng)前設(shè)計體系中，全自動控制系統(tǒng)主要由控制器、被控對象、執(zhí)行機構(gòu)和變送器四個基本部分組成。

2 播種機的結(jié)構(gòu)及運行原理

根據(jù)設(shè)計原理的不同，玉米播種機的具體結(jié)構(gòu)也有所偏差，但是其主體結(jié)構(gòu)通常都是由播種箱、步進電機、平衡輪、排種結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電機及相應(yīng)的輔助裝置組成。在作業(yè)人員設(shè)定操作參數(shù)后，步進電機和驅(qū)動電機開始驅(qū)動播種機向前運動，并同時驅(qū)動排種裝置開始工作。為確保播種質(zhì)量滿足玉米種植和生長的基本要求，排種檢測裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測排種情況，確保種子下落數(shù)量和頻率能夠保持穩(wěn)定。開溝器和排種器則是完成翻土和埋種作業(yè)的主要設(shè)備，能夠?qū)⒎N子播種在合適的位置。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 單片機模塊

目前市面上單片機種類較為復(fù)雜，為更好的確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定運行，根據(jù)播種機運行需要，綜合考慮性能、功耗及運行環(huán)境等因素影響，本設(shè)計方案中，選擇Texas instruments公司MSP430F5438型號單片機。該型號單片機具有 256KB 閃存、16KB SRAM、12 位 ADC、DMA、UART/SPI/I2C、計時器和硬件乘法器的 25MHz MCU，能夠較好的滿足設(shè)計要求。

3.2 測速傳感器模塊

測速傳感器主要是為控制系統(tǒng)指令優(yōu)化提供基本依據(jù)，為確保系統(tǒng)控制精度達到設(shè)備運行基本要求，必須確保采集數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。當(dāng)前單片機主要是接收數(shù)字信號或高低電平信號，以此測速傳感器也應(yīng)當(dāng)選取具有此功能的設(shè)備。其元件結(jié)構(gòu)主要包括霍爾半導(dǎo)體元件、永久磁鐵、擋隔磁力線的葉片等部分。

將單片機P1.1端口與傳感器輸入端口D0連接在一起，就可以利用磁極的位置轉(zhuǎn)變，輸出不同的高低電平信號，通過脈沖個數(shù)和定時時間參數(shù)的設(shè)定，計算出播種機前輪轉(zhuǎn)速并將其轉(zhuǎn)換為播種機前進速度，實現(xiàn)播種流程的控制。

3.3 步進電機驅(qū)動模塊

步進電機能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呤蔷€位移，并具有無累積誤差的特點，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)設(shè)備生產(chǎn)和改造方面。由于玉米播種機設(shè)備運行環(huán)境影響，在選用步進電機時，需要確保其輸出轉(zhuǎn)矩和動態(tài)性能滿足實際運行要求。步進電機無法直接利用直流或交流電源進行控制，需要配備專門的驅(qū)動器，能夠較好的避免設(shè)備運行中出現(xiàn)過載情況。

3.4 聲光報警模塊

在播種機運行過程中，由于設(shè)計、操作及環(huán)境因素影響，常會出現(xiàn)不同類型故障，因此需要設(shè)置對應(yīng)的聲光報警模塊。報警形式分為蜂鳴器聲音報警和發(fā)光二極管報警兩種方式，在傳感器接收到故障信息后，將信號傳輸至軟件程序中，程序根據(jù)預(yù)先設(shè)定的信號處理要求，對故障類型進行判斷，并發(fā)出聲音和燈光閃爍報警。

4 驗證與分析

4.1 試驗驗證

試驗驗證設(shè)計是將傳統(tǒng)播種株距測試與優(yōu)化后的播種株距測試結(jié)果相對比，具體方案如下。

試驗方法：在同一粒距長度和播種株距設(shè)定條件下，以傳統(tǒng)播種機和優(yōu)化后的播種機為試驗對象，分別測量前進速度1、2、3米/秒時兩種播種機的株距合格指數(shù)和漏播指數(shù)。為確保試驗結(jié)果準確性，采用3次重復(fù)試驗并取平均值的方式為最終結(jié)果。將兩種播種機的測試結(jié)果進行對比，對優(yōu)化結(jié)果進行驗證。

試驗參數(shù)設(shè)計：播種長度為400粒距長度，播種株距設(shè)定為20厘米。

試驗結(jié)果：根據(jù)3次重復(fù)試驗結(jié)果，傳統(tǒng)播種機和優(yōu)化后播種機的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)播種機與優(yōu)化后播種機試驗數(shù)據(jù)對比

從試驗數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過優(yōu)化后的播種機，在株距合格指數(shù)和漏播指數(shù)方面，相對于傳統(tǒng)播種機都有明顯提升。

4.2 優(yōu)化要點分析

通過對傳統(tǒng)播種機進行硬件和軟件程序方面優(yōu)化，設(shè)計出具有良好運作水平的設(shè)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米播種機的全自動控制，有效提升播種精度，減少播種株距不均勻及漏播現(xiàn)象對玉米種植產(chǎn)量影響，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的人力資源投入，有效提升玉米產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效益。