電驅式玉米高速作業播種機控制系統設計與試驗

蔣振晗 王鈺旭 魏逸飛 于艷 孫永佳 孫宜田

摘要：我國市面上流行的玉米播種機多數采用指夾式排種器和氣吸式排種器，依靠地輪傳遞帶動排種器排種，在一定程度上提高播種粒距均勻性，但排種仍然會受到地輪打滑的影響。針對以上問題，設計電驅式玉米高速作業智能播種機控制系統，以STM32F103芯片作為主控器核心，該系統由地輪安裝速度傳感器測量機具速度，根據智能車載終端設置的作業參數，通過算法計算目標排種電機轉速，實現播種株距與機具前進速度實時匹配，采用紅外光電式傳感器進行實時播種監測。室內試驗和田間試驗結果表明：該系統轉速控制精度高，播種計數和漏播監測精度較高；設置株距為25 cm時，作業速度分別為8 km/h、10 km/h、12 km/h進行3組重復試驗，在3種作業速度下，平均合格指數分別為95.18%、94.36%、91.24%；變異系數分別為15.36%、16.83%、18.24%。

關鍵詞：玉米播種機；控制系統；電驅式；高速作業；智能化

中圖分類號：S223.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0024-08

Design and experiment of control system of electric drive corn high speed operation seeder

Jiang Zhenhan1， 2， Wang Yuxu2， 3， Wei Yifei2， 3， Yu Yan1， Sun Yongjia2， 3， Sun Yitian2， 3

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao Agricultural University， Qingdao， 266109， China；2. Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences， Jinan， 250100， China； 3. Huang-huai-hai Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan， 250100， China）

Abstract：

Most of the popular corn planters in China use pickup finger seed metering device and air suction seed metering device， depending on the land wheel transmission to drive the seed metering device seeding， which can improve the uniformity of seed spacing to a certain extent， but the seed seeding is still affected by the slip of the ground wheel. In order to solve the above problems， this paper designed the control system of electric drive maize high-speed operation intelligent seeder. STM32F103 chip was used as the core of the master controller. The system measured the speed of the machine and tool by the proximity switch installed by the ground wheel. Infrared photoelectric sensor was used for real-time seeding monitoring. The results of laboratory test and field experiment showed that the system had high precision of speed control， sowing count and missing sowing monitoring. When the plant spacing was set to 25cm， the operation speed was 8km/h， 10km/h and 12km/h， respectively. The average qualified indexes under the three operation speeds were 95.18%， 94.36% and 91.24% respectively. The variation coefficients were 15.36%， 16.83% and 18.24%， respectively.

Keywords：corn seeder; control system; electric driving; high speed operation; intelligentize

0 引言

目前，我國市面上的玉米播種機多數是以地輪驅動的機械式排種器，該機具作業速度普遍在8 km/h以下，作業速度較低，高速作業時地輪出現打滑現象，極大地影響播種粒距的均勻性，無法實現對播種單體的獨立控制；市面上的玉米播種機采用氣吸式排種器進行取種、充種，排種盤轉動依靠地輪傳遞，一定程度上提高了播種粒距的均勻性，但排種器還是依靠地輪驅動傳遞動力；而且機械式排種器在一定程度上對玉米種子的尺寸有嚴格要求［1］，通過對比氣吸式排種器利用負壓吸附取種，對玉米種子的形狀無要求，其排種均勻優于前者［2， 3］。

國內現有的播種機作業數據監測設備集成化程度低、精度低、價格貴，此外在機具播種作業時，作業環境是相對封閉的，無法直接發現排種異常等情況。我國在研究玉米精播種機電驅控制系統方面起步晚，隨著微控制器技術的發展，推動了農業機械領域向前發展的一大步，同時在電驅播種監控與控制系統方面得到了迅速的發展，取得了一定的進展［49］。He等［10］設計的基于PID算法控制的電驅控制系統，通過整定PID參數，室內實現了在高速作業下，玉米仍具有高播種單粒率，但電驅播種控制系統價格昂貴，以四行玉米播種機為例，一套電驅播種設備成本為1.2萬元左右。丁友強等［11］研制的電驅式玉米播種機控制系統，采用GPS測速，主控器采用STM32系列單片機，排種器采用中國農業大學自主研發的氣壓組合孔式；播種作業前通過采用安卓系統手機終端設置好作業參數，速度接收器采集拖拉機的行進速度，根據采集的速度信息實時控制直流無刷電機輸出調節排種器轉速，結果表明高速作業下GPS測試更適用。國外研究學者和農機企業對電驅播種系統研究起步比較早，經過幾十年的發展，目前電驅播種控制技術和產品配件的制造技術發展成熟，但不適合我國人多地少的農業種植環境且整套監控設備價格更高。

針對上述問題，本文控制器核心采用STM32F103芯片，播種監測傳感器采用紅外光電式傳感器，電驅播種采用PID算法控制，研究設計一種電驅式玉米高速作業智能播種機控制系統，進行室內試驗臺試驗和田間試驗驗證，為后期電驅式高速作業玉米智能施肥播種機控制技術研究奠定基礎。

1 電驅播種控制系統設計

電驅播種控制系統如圖1所示，該系統由主控器、智能車載終端、播種監測傳感器、速度傳感器、電驅排種系統、電機驅動器、電驅風機組成。電驅排種系統包括排種電機、減速器、氣吸式排種器。當進行播種作業時，先通過操作安裝在拖拉機駕駛室的智能車載終端，設置播種株距、排種盤型孔數、風壓值等參數信息，并由CAN總線發送給主控器；當機具開始播種作業時，安裝在地輪裝一側的速度傳感器檢測當前的前進速度，并傳遞給主控器STM32單片機計算出當前的排種電機轉速，由CAN總線傳輸信號指令給電機驅動器調節排種電機轉速，使排種速率與拖拉機前進速度相匹配，實現作業株距與設定株距的一致性；播種監測傳感器安裝在氣吸式排種器出種處的排種管中部，當有種子經過排種管中部時會產生相應的脈沖信號，主控器根據脈沖信號計算播種數量，同時拖拉機駕駛室的智能車載終端實時顯示當前播種信息、缺種報警信息及當前作業速度等信息。

1.1 電機減速器

排種電機選用12 V直流無刷電機，型號為BG42x15，額定轉速3 410 r/min、額定電流4.4 A。排種電機輸出的轉速，從電機輸出齒輪依次傳遞至減速器的一級齒輪組、二級齒輪組，最后與排種盤外圈齒輪嚙合進行驅動，將高轉速輸出為大扭矩，如圖2所示。

1.排種電機 2.減速器 3.排種盤

根據最高實際作業速度、株距范圍、排種電機輸出齒輪數、一級齒輪組的主動齒輪數和從動齒輪數、二級齒輪組的主動齒輪數和從動齒輪數、排種盤外圈齒輪數，計算系統減速傳動比。其中排種電機輸出齒輪數為16，一級齒輪組的主動齒輪數和從動齒輪數分別為16、70，二級齒輪組的主動齒輪數和從動齒輪數分別為14、40，排種盤外圈齒輪數為106，如式（1）所示。

Z=i1×i2×i3i4×i5×i6（1）

式中：Z——系統減速傳動比；i1——一級齒輪組從動齒輪數；i2——二級齒輪組從動齒輪數；i3——排種盤外圈齒輪數；i4——排種電機輸出齒輪數；i5——一級齒輪組主動齒輪數；i6——二級齒輪組主動齒輪數。

代入以上數據，計算求得系統減速傳動比為82.812 5。

1.2 電機驅動電路

根據排種電機有關參數信息，電機驅動電路選用全橋電路驅動方式，排種電機驅動MOSFET管選用N溝道的VBM1104，漏源電壓為100 V，最大功率耗散為127 W，滿足系統整體功耗要求?？刂乞寗覯OSFET管芯片選用RUC9287，該芯片專為高壓、高速驅動MOSFET設計，內置直通防止功能和內置死去時間設置，有效保護功率器件。該芯片的1～6號引腳連接主控芯片，通過PWM輸出調節排種電機轉速，以達到排種電機的目標轉速，如圖3所示。

2 硬件電路設計

2.1 主芯片

主控器采用STM32F103芯片作為電驅播種控制系統的主芯片，該芯片采用Cortex-M3內核，使得擁有更強勁的性能、更高的代碼密度、低成本和低功耗等優勢；同時還配置有3種不同類型的定時器、數量較多的通用IO口和各種接口，可進行外接擴展［1215］。

2.2 傳感器信號采集電路

速度傳感器和種子傳感器輸出信號為脈沖信號，通過設置主芯片內置的通用定時器，選擇輸入捕獲模式采集信號，測量脈沖信號的寬度；采用高壓晶體管MMBT5551，對電流進行整流、放大，防止擊穿電壓損壞主芯片I/O口，如圖4所示。

2.3 電源電路

電源電路如圖5所示。

控制電路板電源由DC12V供電，滿足直流無刷電機驅動和智能車載終端的工作電壓，12 V經過穩壓電路之后進行兩次調壓處理，12 V調壓至5 V分別為速度傳感器、播種監測傳感器供電；5 V調壓至3.3 V為主控器STM32F103芯片、CAN總線通訊電路、Flash存儲電路供電，保證控制電路板各電路之間進行可靠、穩定地運算信息處理。為保護電路中精密元器件正常工作，防止各種浪涌脈沖損壞電路，加入SM8S33A瞬態電壓印制二極管TVS保證系統控制電路板電壓穩定；TPS54560DDAR穩壓芯片和TLV70233DBVR穩壓芯片分別進行12DC-5DC和5DC-3.3DC調壓處理。

2.4 CAN總線通訊電路

CAN總線是ISO國際標準化的串行通信協議，具有多主控制、系統的柔軟性、通信速度較快、錯誤自檢功能等優點［16， 17］，能夠適應復雜惡劣的田間作業環境，保證主控器與各數據模塊之間信息傳輸的精準性和可靠性。CAN總線收發芯片選用SN65HVD233DR，如圖6所示，為保證通訊信號穩定傳輸，避免產生信號干擾，在電路中加入120 Ω終端電阻［18， 19］。采用CAN擴展幀格式通訊，在保留Cia-301幀ID基礎上、擴充兩個幀ID實現數據傳輸，通訊速率采用500 kbps，可以實現系統之間的快速通訊。

2.5 Flash存儲電路

Flash存儲電路，用于程序代碼、程序定義的常量的存儲，保證數據斷電不丟失。選用W25Q128存儲芯片，容量為16 MB；可將容量分為256個塊，每個塊大小為64 KB，每個塊又分為16個扇區，每個扇區大小為4 KB。該芯片的擦寫周期多達10萬次，具有20年的數據保存期限，滿足系統程序代碼的正常執行。芯片引腳接線，如圖7所示。SPI接口4條線通信MISO、MOSI、SCK、CS分別與主芯片的PB14、PB15、PB13、PB12引腳連接。

3 智能車載終端設計

智能車載終端顯示器選用7.0英寸DGUS串口屏，IP65防塵防水，可滿足田間惡劣作業環境，高亮度觸摸屏，陽光直射下顯示界面仍清晰可視。

顯示界面用于人機交互，進行播種作業前的作業參數設置；播種作業中，播種量、播種面積、當前作業速度、排種電機狀況、聲音報警等信息進行實時顯示，方便操作人員及時了解作業情況。智能車載終端界面可根據不同行數的玉米播種機進行作業信息的顯示，最多可支持8行玉米播種機同時顯示播種量信息，當前播種作業完成后，還可對播種量進行清零操作，方便下次進行作業播種量計數。作業參數設置界面可對播種株距、行距、地輪直徑、合格范圍進行參數設置，點擊要設置作業參數對應的顯示欄，出現參數設置的方框欄時，可進行參數設置，如圖8所示。

智能車載終端設計軟件選用DGUS Toolbox軟件進行開發。電源狀態、網絡信號顯示、定位顯示等顯示信息和播種量、已播種面積等作業數據信息顯示，通過設置變量地址進行實時顯示，變量地址依次從0X1000設置；播種株距、行距、機具參數等作業參數設置和界面中返回、設置、清除等操作按鍵，變量地址依次從0X2000設置，變量地址寫入類型為按字寫入變量。

4 系統軟件設計

4.1 排種電機轉速計算

為實現播種作業株距與設定株距均勻一致性，滿足玉米精密播種的技術要求，要求排種電機的目標轉速與拖拉機前進速度相匹配。主控器通過智能車載終端設置株距信息，根據式（2）可計算出排種電機的目標轉速。

n1=v3.6×60L100×N1×Z（2）

式中：n1——排種電機目標轉速，r/min；v——設置機具前進速度，km/h；L——設置株距，cm；N1——排種盤型孔個數，個。

4.2 軟件設計流程

電驅播種控制系統選用軟件keil Vision 5進行設計開發，軟件流程圖如圖9所示。系統上電之后，檢查排種電機上電之后是否存在電機堵轉、CAN通訊異常報警等，確保播種作業時電機正常運轉。操作人員進行作業參數的設置，開始播種作業，播種監測傳感器監測計數。主控器根據設置的作業參數、排種電機轉速計算公式及算法，計算出排種電機的目標轉速，通過CAN總線通訊傳遞給電機驅動器調節排種電機轉速達到目標轉速。智能車載終端界面顯示當前的作業信息，系統出現報警時，顯示界面顯示報警信息和蜂鳴器聲音報警提醒操作人員。播種監測傳感器將脈沖信號傳輸給主控器，經過算法處理計算出當前播種量和已播種面積信息，并發送到智能車載終端界面顯示。播種作業結束時，作業信息將進行保存上傳到云平臺。

5 試驗驗證

5.1 試驗臺試驗

試驗臺搭建如圖10所示，對電驅播種控制系統進行室內試驗，驗證該系統的性能。排種器選用氣吸式排種器，型孔數為27，型孔直徑為4.5mm；電驅風機選用XGB-250風機，最大負壓為8 kPa。機具前進速度設置為10.8 km/h，在該作業速度下進行試驗驗證。

5.1.1 轉速控制精度與播種計數試驗

在機具設置的前進速度下，進行玉米播種計數試驗，在智能車載終端作業參數設置界面，依次設置株距20 cm、25 cm、30 cm，進行3組試驗。由于排種盤轉動到充種區時，排種盤型孔才會吸附種子，所以當排種器排出第1粒種子時，開始試驗計時，每組試驗時間1 min。最后人工統計實際播種數時，需要減去1粒種子數。

試驗方法為：根據在一定時間內機具前進的距離，在已知株距的條件下，計算出理論播種數。理論播種數與實際播種數進行對比，實際播種數與智能車載終端顯示播種個數進行對比。試驗結果如表1所示，實際播種數偏差不大于0.22%，實際的排種轉速較好地達到目標轉速，排種電機轉速控制精度高，可為后續電驅式高速作業玉米智能施肥播種機控制技術研究奠定基礎；實際播種數與顯示播種數偏差小于等于1.53%，造成的原因是玉米種子經過播種監測傳感器的時間太短或者兩粒種子重疊一起經過播種監測傳感器。

5.1.2 漏播監測精度與報警試驗

在機具設置的前進速度下，進行玉米種子漏播監測精度及報警試驗。當連續漏播3粒種子時，系統漏播報警一次，并在智能車載終端界面進行顯示。通過人為制造漏播的方式，采用熱熔膠隨機堵塞排種盤3個連續的型孔，人工觀察播種狀態。設置株距為25 cm，排種電機工作次數分別為30圈、40圈、50圈，進行3組試驗，每組試驗重復3次，在排種軸處進行標記，方便統計試驗時排種電機工作次數。記錄系統漏播報警次數，并與理論報警次數進行對比，記錄系統顯示漏播數，并與理論漏播數進行對比。

漏播監測精度與報警試驗結果如表2所示，系統漏播報警平均準確率為96.59%，說明該系統漏播報警精度高；系統漏播監測精度偏差在6%以內，造成偏差較大的原因是漏播監測程序存在一定誤差，導致系統未監測出漏播種子。

5.2 田間試驗

將該系統安裝到2BM-6型免耕精量播種機上，并在山東省農業機械科學研究院章丘試驗田進行田間試驗，如圖11所示。

在田間試驗中，研究不同作業速度對玉米播種性能的影響，作業參數株距設置為25 cm，分別按照8 km/h、10 km/h、12 km/h三種作業速度進行實際作業，重復3次試驗。播種作業完成后，通過人工測量的方式，每組隨機選擇試驗田地塊進行連續測量200個株距樣本，依據GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》進行數據處理分析［20］，得到合格指數、漏播指數、重播指數、變異系數作為驗證該系統的性能指標。

通過表3可知，在相同設置株距的條件下，在作業速為8 km/h時，平均合格指數為95.18%，平均漏播指數為3.17%，平均重播指數為1.69%，平均變異系數為15.36%；在作業速度為10 km/h時，平均合格指數和平均漏播指數分別為94.36%、4.57%，平均重播指數和平均變異系數分別為1.42%、16.83%；在作業速度為12 km/h時，平均合格指數、平均漏播指數、平均重播指數、平均變異系數分別為91.24%、5.63%、1.88%、18.24%。

綜上所述，在相同條件下，隨著作業速度的提高，合格指數不斷降低，漏播指數和變異系數均有所提高，重播指數有所下降。

6 結論

1） 針對目前電驅播種控制系統監測精度低，高速作業時播種質量有所下降，國外電驅播種控制系統價格昂貴，無法適應我國國情的問題，設計的采用STM32F103芯片作為主控芯片的電驅播種控制系統，通過智能車載終端界面設置作業參數，計算排種目標轉速，作業過程中地輪速度傳感器實時測得機具前進速度，不斷調節電機轉速達到目標轉速，并實時進行播種監測、異常報警，提高了播種效率和株距均勻的一致性。

2）? 室內試驗臺試驗和田間試驗結果表明，排種電機目標轉速控制精度較高，播種監測傳感器計數精度在98%以上，系統漏播報警平均準確率為96.59%，系統漏播監測精度在94%以上；當設置相同株距條件下，播種作業以不同的速度，隨著作業速度的提高，合格指數不斷降低，漏播指數和變異系數均有所提高，重播指數有所下降。

參 考 文 獻

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基金項目：山東省重點研發計劃（2022SFGC0203、2022CXGC020703）

第一作者：蔣振晗，男，1998年生，山東淄博人，碩士研究生；研究方向為農業裝備智能化控制技術。E-mail： jiangzhenhan2128@163.com

通訊作者：孫宜田，男，1980年生，山東滕州人，碩士，正高級工程師；研究方向為農業裝備智能化控制技術。E-mail： sytde@163.com