光敏式气吸播种机监测装置研究

窦钰程，欧阳斌林，陈海涛

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

精密播种机在播种的过程中，由于各种原因可能会出现漏播现象，如果不能及时发现或找不到漏播处就不可避免的影响这一年的收成[1]，尤其当播种机幅宽增加，播种速度增加和密植时，播种作业过程中更需要监视播种状态。所以在播种机上配置电子装置，在播种过程中对播种机进行监测有很重要的实际意义。

由于种粒运动较快，监测种子主要采用光电传感器，其结构简单、价格低廉、抗电磁干扰性能好，尤其是它对种子的运动没有任何影响[2]。因此，研究的种流监测装置的研究大多采用光电传感器[3]。但是，实际播种过程中排种器周围存在大量灰尘，这些装置没有很好的解决灰尘对光信号传递影响的问题。国外在播种监测方面研究较早，生产的种流监测器可以配置在各种播种机上[4]，其产品特点是专业生产，安装方便，可为各种农机具配套，抗尘性能良好[5-6]。本试验采用光敏电阻作为传感器，根据其特性，设计一种具有抗尘性能的装置，对气吸式精密播种情况进行监测。

1 监测装置硬件设计

1.1 传感器安装结构

光电传感器采用光电对管，可以达到快速检测的目的[7]。但是，光电对管的接收管对接收不同强度的光信号返回的是高低电平信号，当有灰尘蒙盖时，接收管可能检测不到微弱的光信号，这样就会影响检测结果。光敏电阻也是一种光电传感器，它的阻值是随着光照强度变化而变化的模拟量[8]，灰尘不会完全影响信号的传递，且传感器安装在排种盘内部，受灰尘影响较小，排种器的安装结构，如图1所示。

将光敏电阻安装在播种盘与壳体组成封闭空间的内侧，使其与盘孔圆周对齐，将发光管安装在播种盘外侧，发光管与光敏电阻成一条直线，这样，杂散光源在光敏电阻上照度远小于有圆筒光罩的发光管发出的强光。播种盘转动，当盘孔转到光敏电阻和发光管直线位置时，光照在光敏电阻上，阻值很低；当盘孔转过光敏电阻和发光管直线位置后，光敏电阻被播种盘挡住，处于较黑暗环境，阻值较大。因此，可以根据光敏电阻阻值变化情况，对盘孔计数，实现对播种情况进行检测。

1.2 传感器电路

传感器电路主要由高亮度发光二极管、光敏电阻及比较器组成，其电路如图2所示。

图1 气吸式排种器结构Fig.1 Structure of suction seed sowing device

图2 传感器电路原理Fig.2 Sensor circuit schematic

将光敏电阻串联100 K电阻，设置的比较电压为2.5 V，且左右可调。当发光管照在光敏电阻上时，光敏电阻阻值很小，光敏电阻分压值小于比较电压，比较器输出低电平；当照在光敏电阻上的光被挡住时，光敏电阻上电压值大于比较电压，比较器输出高电平。比较器输出接微控制器，微控制器采用STC12C5410单片机，对漏播，排种量，排种器转速等数据进行计算。

1.2.1 漏播量和播种量检测

在播种盘种子下落部位的前后对接两组传感器，分别为传感器1和传感器2，如图3所示。播种机正常工作时，播种盘上吸满种子，传感器1光敏电阻始终没有光照在上面，所以电路没有产生脉冲，如果吸盘上某个孔没有种子，当这个孔经过传感器1时，光会照到传感器上，传感器电路会产生一个脉冲，因此，传感器1的功能是检测漏播数量。传感器2安装在投种点之后，能将所有经过空盘孔计数，传感器2计数值减去传感器1的漏播数就是该排种器的播种量。

1.2.2 排种器转速检测

传感器2能将所有转过的盘孔计数，排种盘上一周有45个盘孔，将传感器2单位时间内的计数值除以45，得到的就是排种器的转速。

1.2.3 导种管堵塞检测

排种器落种子部位的下方接有导种管，在播种过程可能会出现堵塞，为了检测堵塞，在导种管底部对接一组传感器。将比较电压值设置为4 V，因为只检测堵状态，所以不必考虑散杂光的干扰，当发生堵塞时，所有的光都被种子挡住，光敏电阻处于黑暗环境传，传感器电路长时间输出高电平，如果超过1 s，那么就视为导种管堵塞了。

图3 传感器安装Fig.3 Sensor circuit installation

2 监测装置软件设计

单片机的程序流程，如图4所示。

图4 定时中断和主程序流程Fig.4 Timer interruption and main routine flow process

程序采用C语言编写。种子通过传感器时间为5～10 ms，定时中断每1 ms查询一次各I/O状态，根据其变化情况更新播种量及播种状态等数据，这样就省去了反复查询各I/O状态，节省了CPU时间。主程序分析播种机状态，将播种机数据送给显示模块，当有异常情况出现时，及时提示。

3 结果与分析

在实验室建立排种器单体实验台，对监测装置的性能进行测试。实验台由吸尘器、减速电机、变频器、测试仪器设备和研究的测试电路构成，如图5所示。

图5 排种器实验台结构Fig.5 Structure of seed sowing device experiment table

减速电机驱动排种器，变频器用来控制电机转速，从而控制排种器的转速，使用吸尘器模拟风机，将测试电路安装在排种器上，运行各个装置，对电路进行测试。

3.1 装置性能测试

首先，运行装置，调节变频器的频率，通过传感器2的计数值来检测排种器转速，在变频器频率为20 Hz时，排种器每秒排种个数接近32，该值达到了田间要求，因此将变频器频率设为20 Hz，对其他数据进行测试。对排种数量检测进行了试验得出结果如表1所示。

排种数量检测误差率约为1%，检测较为准确，5组数据的漏播均为0，说明排种器在正常运行情况下运行，不存在漏播情况。为了测试检测漏播的准确性，排种箱内不加种子，盘孔上除了5个连续盘孔外，其余的都用胶粘上种子，运行装置，排种器每转一周，都能检测到5粒漏播，漏播检测较为准确。同时，人为模拟排种管堵塞和排空现象，电路都能准确、及时地检测到。

3.2 抗尘性能试验

在光敏电阻上涂上一层胶，在上面粘上大量灰尘，测得发光管照在涂灰后光敏电阻照度约为100 lx，对电路的抗灰尘能力进行测试。监测结果如表2所示。在灰尘的干扰下，排种数量检测误差率约为1%，与无灰尘下的误差率相同。同时，该电路还能准确的检测到漏播、排空及堵塞的情况。

3.3 试验验证

采用照度计对试验环境照度进行测量，测得排种器外部照度约为50 000 lx，在光敏电阻上涂上不同程度灰尘的情况下，用照度计及万用表测量光敏电阻的阻值及照度情况如表3所示，其中光照照度、电阻是排种盘转到发光管和光敏电阻直线位置时光敏电阻的照度和阻值，黑暗照度、电阻是排种盘两个盘孔中间位置挡住光敏电阻时光敏电阻的照度和阻值。

表1 排种性能检测结果Table 1 Detection result of seeding performance

表2 抗尘性能检测结果Table 2 Detection result of antidusting performance

表3 不同灰尘情况下光敏电阻的测量值Table 3 Measured value of photoresistance in different dust conditions

由表3可知，光敏电阻的光照照度和黑暗照度差别很大，随着灰尘的增加，此差别有所减小，但是光照照度还是在100 lx以上，而黑暗照度不到5 lx。因为光照和黑暗照度差别很大，所以光敏电阻的光照阻值和黑暗阻值也有很大的差别，随着灰尘的增加，其光照阻值始终不到100 K，黑暗阻值却达到了200 K以上，在光敏电阻上串联100 K电阻及设置比较电压值达到了抵抗灰尘干扰的目的。

4 结论

本研究将光敏电阻应用于气吸式精密播种机的监测装置，根据其特性设计了相应的硬件和软件。试验表明，该装置能够及时地、准确地反馈各播种信息，如漏播量、排种量、排种速度等，且抗尘性能良好，达到了监测的目的，对进一步的实际应用设计有一定参考价值。

[1] 陈绍斌,吕新民,张丽君.精密播种机监测系统的研究与开发[J].农药,2007,5(5):112-114.

[2] 郑送军.精密播种机排种器自动监测系统研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2007.

[3] 刘洪强,马旭,袁月明,等.基于光电传感器的精密排种器性能检测[J].吉林农业大学学报,2007,29(5):347-349.

[4] 孙全芳,戴玉华.精密播种机监控系统的研究现状与发展趋势[J].山东机械,2005(4):60-62.

[5] Haase W C.Pioneer I-a planter computer system[J].ASAE,1986,1(1):135-145.

[6] Inoti I K.Electronically-controlled pneumatic precision planterelectronic seed sensing and evaluation of metering uniformit[J].JSAM,1990,52:35-43.

[7] 王树臣,迟天阳.气吸式精密播种机种肥监测设备的研制[J].林业机械与木工设备,2004,32(8):15-16.

[8] 彭勇,鲍宏志,刘文立.光敏电阻特性测定及其在自动照明灯中的应用[J].大学物理实验,2002,15(4):26-27.