一種單粒排種器單片機檢測系統設計

教傳艷

(沈陽工學院 機械工程與自動化學院,遼寧 撫順 113122)

0 引言

種植是農業生產的重要組成部分，為了達到農產品生產全過程的機械化水平，開發適合于農產品生產的高效播種技術和播種設備是十分必要的。在這些儀器中，單臺種子儀是精密播種機的核心部件，其排種性能的好壞直接影響到播種質量[1]。在播種過程中，氣動式單排播種機處于全封閉狀態。因田間作業環境復雜，播種機司機不能直觀地看到種子箱、種子管內因播種失敗而導致的漏種現象[2]。堵塞、空氣壓力偏離有效值，以及播種器的傳動故障，都會導致單行或多行“斷條苗”，嚴重影響單行播種質量和作物產量。優化斗鏈式播種機的結構及操作參數，可有效地降低漏播率。但是當后期出現后，在缺苗的位置進行人工移栽或補播，不僅增加了人工成本，延誤了耕作，而且秧苗生長的差異也會影響作物的產量[3]。對單粒排種器單片機檢測系統進行了設計和實驗研究。設計了一套性能穩定、可靠的單排種器漏種實時檢測系統，對排種器漏種狀態進行全面判斷，改進漏種實時檢測技術，實現精確、及時檢測，提高單排種的質量和效率，減少人工生產成本，避免晚補種，促進單排種智能化發展。

1 單片機檢測裝置設計

改進漏種實時檢測技術，實現精確、及時補種，提高單排種質量和效率，減少人工生產成本，避免晚補種，促進單排種智能化發展[4]，單片機實時檢測裝置如圖1所示。

圖1 單片機實時檢測裝置

由圖1可知，該裝置主要由感知菜籽流動次序的光纖傳感系統和均勻分布的磁鋼陣列霍爾傳感系統兩部分組成，以獲取標準的播種器脈沖序列(即播種器轉速)[5]。檢測系統采用天線插頭與傳感器輸出端連接，以單片機為核心控制部件，實現對傳感器發送的脈沖信號的采集、存儲和數據處理[6]。

為了滿足單片機對電源和傳感器信號接收的要求，采用信號調理電路進行降壓和信號調理，功率開關可獨立控制系統啟動或停止工作狀態[7]。開關接通后，系統即接通電源進入工作狀態；開關斷開后，系統即停止工作，不再通電[8]。人機界面主要由4個按鍵組成的鍵盤構成，按四鍵分別設定參數設定、上下、數據查詢等功能，實現缺失系數閾值的獨立設定，通過轉動鋼圈數，實現同步盤磁檢測。顯示器報警由1602 LCD (LCD)和 LED (LED指示燈)等組成，用于實時顯示漏電檢測結果[9]。在精密菜籽計量裝置中，檢測漏播情況，當漏播系數大于或等于漏播系數閾值時，由單片機向 LED顯示報警。

2 單片機檢測硬件結構設計

單片機檢測硬件結構如圖2所示。

圖2 單片機檢測硬件結構

由圖2可知，每套種子計量裝置都配有缺失的種子檢測和自動再播系統，即補充箱是裝在種子后、旁邊的種子，裝在種子后、裝在充氣口的種子，以及裝在充氣口右邊的電磁鐵，紅外線發射管、紅外線接收管和霍爾傳感器分別安裝在灌裝口下面，每一個種子采樣裝置上都有一根小型磁鋼[10]。在運行過程中，由于機器振動較大，系統各模塊間采用插頭連接，并由牽引車上12 V車載直流電源供電。

2.1 單片機

缺種檢測與自動補種系統主要由電源模塊，檢測模塊、人機界面、MCU、補種模塊、LCD顯示模塊和聲光報警模塊組成[11]。檢測模塊由霍爾傳感器和光電傳感器組成；插秧模塊由插秧盒、固態繼電器和電磁鐵組成[12]；人機接口由自動復位按鈕和自動打擊測試按鈕組成。圖3顯示了單片機的連接結構原理圖。

圖3 單片機連接結構原理圖

由圖3可知，串口總線適用于：設備之間的通信距離不超過15 m，最大傳輸速率20 kbps。采用-5～15 V表示邏輯1；+5～15 V表示邏輯0。采集裝置由上而下移動到種子保護槽，在霍爾傳感器到達安裝位置后，霍爾傳感器會感應到小磁鋼的磁場，把采集設備的信息傳給單片機[13]。單片計算機向光電傳感器發送工作指令后處理信息，紅外發射管發射光[14]。若種子勺上沒有單個顆粒，紅外接收器就會收到光，與單片機連接的檢測電路及相關端口也會發生電平變化，單片機按程序將工作指令發送給補料執行系統，再充料執行系統通過發出顆粒補充脈沖，在其繼電器端收到一定的電流通過固態繼電器和電磁線圈[15]。利用電磁推力，攻絲桿將種子從播種口擊入苗種保護槽，在彈簧復位力的作用下，攻絲桿返回原位，完成動作。反之，再注冊執行系統無效。與此同時，單片機根據泄漏檢測信號計算種子的總數和泄漏的數量，并將結果傳送到液晶顯示模塊。

2.2 傳感器

利用深圳霍爾微電子有限公司生產的3144 E開關霍爾傳感器對油菜種子儀進行轉速檢測，反相擊穿電壓24伏特，低電平電流50毫安。工作穩定可靠?；魻杺鞲衅髂K包括兩個部分：霍爾傳感器元件和信號調理電路。

單排播種機播種軸同軸安裝有同軸盤，同軸盤上均布有與播種盤孔數相同磁鋼陣列。在單排裝置轉動時，同步盤上磁鋼周期性地遠離霍爾傳感器[16]。隨著磁鋼向霍爾傳感器靠近，其輸出信號也從低電平轉變為高電平；在遠離霍爾傳感器的情況下，霍爾傳感器的輸出信號由高到低依次是：電平信號產生下降邊緣；通過將連接(關閉)信號轉換成上升(下降)信號，霍爾傳感器將其送到單片機系統中，得到與同步磁盤上均勻分布的磁鋼陣列相匹配的標準播種脈沖，從而獲得播種盤速度信息。

2.3 紅外光電傳感器電路

紅外光電傳感器檢測播管信號，如圖4所示。

圖4 紅外光電傳感器電路

由圖4可知，排種器由種管組成，信號主要是由安裝在每條管子底部的紅外光電傳感器采集的。該紅外光電傳感器包括發光裝置和收光裝置[17]。其發光器件(通常是紅外線或可見光發光二極管)使其發光，接收到的光設備(光敏電阻、光電感應器、二極管、光電晶體管、硅光電池等)，當種子下降時，由于種子的陰影，當前產生的光接收設備很小，因此由200 k電阻產生的電壓降也相對較小，此時的潛伏點較高，經過兩次無門轉換后，到達晶體管Q2底部，晶體管就會打開，這就是晶體管。

除發射器上的大電阻外，輸出也非常高。若不是種子落地，情況正好相反。監控整個播種過程是否順利，檢測播管是否堵塞或漏出。當排種管被堵塞時，種子將堆積起來覆蓋傳感器。在此期間，傳感器還會將高電平信號發送給單片機，并且信號總是高電平[18]。通過這種方式，單片機可以根據預設設置進行聲光報警，并顯示出故障管子的具體位置。

2.4 聲光報警裝置

聲光報警裝置在種植過程中，無論發生何種漏播情況，即一旦發生漏播，系統都會發出聲光雙重報警，提醒操作人員注意漏播，防止大面積斷條[19]。盡管報警器電路簡單，但它在整個漏報檢測系統與驅動器之間起著橋梁作用，不能直接判斷系統內部是否工作正常。只需一個正?？煽康穆暪鈭缶麟娐?，就可以保證駕駛員及時了解播種情況，防止失播造成的巨大損失。為節省成本，系統采用連續蜂鳴器作為報警器，所用電器較少，電路簡單。

為避免駕駛員在嘈雜環境下聽不到聲響報警，必須設置燈光報警。聲光報警裝置采用結構簡單、價格低廉的 LED作為指示燈。播種機正常工作時，二極管不亮；一旦發現漏電報警，二極管在發出聲音警報的同時閃爍提醒駕駛員。LED不僅體積小、壽命長，而且可靠性高、抗震性能好、工作電壓低、電流小、耗電少。其優點足以滿足系統要求，也適用于現場作業。

3 單片機檢測軟件系統設計

3.1 單粒排種器粒子播種質量檢測

單片機檢測軟件系統中設計ADC控制器等設備芯片的操控程序，對單粒排種器粒子播種質量檢測數據進行有效控制與分析，在繼電保護裝置識別過程中能夠精準完成粒子播種質量檢測。種植過程中，由于地輪的不斷轉動，種箱內種子表面高度不斷變化。激光測距傳感器安裝在種子箱頂部，能及時、準確地檢測種子表面高度的變化。該傳感器利用激光探測原理，將傳感測量數據轉換成可輸出的信號[20-21]。在軟件系統設計中，首先將激光發射二極管對著目標發射激光脈沖，目標反射的激光向各個方向散射。光學系統接收到雪崩光電二極管后，將部分散射光返回傳感器，成像在雪崩光電二極管上。二極管是一種具有內部放大功能的光學傳感器，它能夠檢測非常微弱的光信號，并將其轉換成相應的電信號。通過記錄和處理從發射到接收光脈沖所經過的時間，可確定目標距離。為防止單粒排種器線路上的干擾數據向繼電保護裝置發送誤動信號，因此可以在數據處理芯片中設計反應程序，及時控制保護裝置啟動元件，檢測出繼電保護裝置故障電流，同時打開繼電保護裝置電源。在處理輸電線路高頻信號時，存在著信號極值分類問題，當信號頻率達到最大值時，需要保證繼電保護裝置內的波形故障檢測能將信號逐個分解，當信號頻率達到最小值時，需要設置故障檢測閾值以完成對干擾信號的識別，并在單片機檢測軟件繼電保護裝置內完成信號質量的自檢，自檢合格后，啟動保護動作程序，如果自檢信號質量不合格，則斷開外部的信號輸出，在單片機檢測軟件繼電保護裝置內巡檢，自檢合格后再啟動保護動作程序。

通過連續檢測能夠得到檢測前種子高度h1和檢測后種子高度h2，兩者之間差即為種子高度變化量：

Δh=h1-h2

(1)

設播種機行駛距離為x，播種機已知的播幅x1，播種機實際播種面積計算公式為：

S=xx1

(2)

通過上述公式可得到體積變化量：

ΔV=Δh×S

(3)

設種子播種密度為ρ，將該信息輸入單片機中，可得到單粒種子播種質量：

Δm=ρ×ΔV

(4)

通過上述公式，可檢測出單粒排種器粒子播種質量，結合該質量，設計漏播實時檢測流程。

3.2 漏播實時檢測流程

該系統的檢測軟件主要針對精密計量裝置的漏電檢測實時算法進行設計，采用 C語言編寫 MCU程序，實時漏電檢測過程如圖5所示。

圖5 漏播實時檢測流程

由圖5可知，首先把精密計量裝置主零線拆開，斷開所有分開關，逐一查每路線路零線對地絕緣，找出問題線路后，再查看該專線有哪些電器是直接接線的，分別排查。精密計量裝置漏電會產生強大的電磁感線，可以用一個有磁性的針放測試部位，若針方向發生偏轉，說明漏電。

當實時漏電檢測裝置啟動后，單片機系統進行初始化，檢測系統進入“參數設定”模式。依據播盤的孔型和農藝生產的需要，人工設定漏播系數閾值和同步播盤磁鐵的數量。當按壓“啟動檢測”時，單片機通過外部中斷采集種子流的序列信號和時間中斷采集標準播種器脈沖信號，存儲播種器頻率和播期序列，由此完成單片機檢測軟件系統設計。

4 實驗分析

為了驗證單粒排種器單片機檢測系統設計合理性，進行實驗驗證分析。

4.1 實驗方案

以陜西關中地區廣泛種植的玉米品種吉育19為試驗對象，進行了研究。株型緊湊，主穗和分枝呈小夾角，側枝姿態略向下彎曲。株高260 cm，穗位110 cm，穗長18.0 cm，穗行數14～16行，籽粒黃色，百粒重36.1克，出籽率87.9%。

因為玉米播種機是在田間作業的，所以排種裝置與地輪之間是由地輪摩擦驅動排種裝置軸旋轉播種的。實驗過程中，盡可能模擬播種機的工作狀態，以小型步進電機為播種機的動力，模擬播種機帶動拖拉機正常播種。一般牽引車的排種速度是8-12公里/小時。實驗中，該拖拉機的車速為9 km/h，株距為0.4 m。

4.2 實驗臺

實驗臺主要由排砂部、播種部、輸送部、控制部及機架組成，如圖6所示。

圖6 實驗臺

輸送帶寬度0.5米，膠帶寬度5米，輸送有效距離。采用電鼓驅動，使其以一定的速度均勻運動。出砂電機帶動砂輪均勻地排砂，形成一定寬度和厚度的輸送帶。排種器由播種器驅動，排種器通過排種管落在砂帶上。用過的砂籽混合物流入集砂罐，然后通過振動篩分離，將砂籽放入集砂杯內再使用。刮砂器是用來清除粘在輸送帶上的砂粒的，排砂擋板的作用是防止實驗臺不用時的排砂漏水，使用時打開排砂擋板。

4.3 實驗結果與分析

分別使用氣力式油菜單粒排種器、勺鏈式排種器和單粒排種器對玉米籽粒排種效果進行對比分析，結果如圖7所示。

圖7 不同方法排種效果對比分析

由圖7可知，使用單粒排種器與預期排種效果一致，而使用氣力式油菜單粒排種器沒有遵循一行1:2:3:2:1的排列方式，而是采用2:2:2:2:2的排列方式，一旦排種器傳動故障，就會出現斷條缺苗漏播情況；使用勺鏈式排種器采用3:3:3的排列方式，在后期農作物出苗后，受到漏播影響程度較大，導致玉米成長參差不齊。

為進一步驗證3種排種器的性能，還需要對3種排種器的漏種率進行再次對比分析。表1中列出了結果。

表1 3種排種器漏播率對比分析

由表1可知，使用所設計單粒排種器漏播率低，而使用其余兩種排種器漏播率高，由此可知，使用所設計單粒排種器檢測效果較好。

5 結束語

設計了一種單粒排種器單片機檢測系統，用于準確判斷不同漏報狀態。通過對漏苗實時檢測方法的研究，主要得出：在確定“稀苗”兩種不同的漏苗狀態下，分別確定稀苗系數和判斷漏苗的規則，該模型全面覆蓋了應用中任意兩個系數組合所反映的單種排種器泄漏狀態類型。

單籽油菜精密計量裝置的漏檢與補播后續工作可進一步從以下方面開展：對漏報的實時檢測算法優化，縮短延遲距離。提出的漏電實時檢測方法，通過調整檢測時間窗口，可以在一定程度上縮短滯后距離，但最小滯后距離僅為0.5米。為縮短檢測滯后距離，提高檢測的實時性，并改善不同運行環境的性能。