型孔轮式水稻排种器排种监控系统设计

李旭等

摘要：针对型孔轮式水稻排种器展开了排种监控系统研究，利用红外光电传感器采集种子在输种管内的流动信息并转换输出相应的电信号，由单片机实时监测电信号的变化，实现对排种状况的监控。设计降低了播种机的漏播和重播现象，提高了播种质量和播种效率。

关键词：排种器；漏播；重播；红外检测

中图分类号：S223.2+3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）03-0693-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.049

Design of Sowing Monitoring System of Type Hole Wheel Seed Metering Device

LI Xu1a，2， XIE Fang-ping1a，2， LIU Da-wei2，1b， LIU Rong-ce3

（1.Hunan Agricultural University， a.College of Engineering； b. Institute for New Rural Development， Changsha 410128， China； 2.Hunan Modern Agricultural Equipment Engineering and Technology Research Center， Changsha 410128， China； 3.Hengyang Finance Economics and Industry Polytechnic， Hengyang 421002， Hunan， China）

Abstract： The sowing monitoring system of type hole wheel seed metering device was designed and investigated. The floating information of the seeds in the seed drop tube was cellected by infrared photoelectric sensor， and then changed into electrical signal. The change of the electrical signal could be monitored by single chip microcomputer so as to monitor the seed metering device. The seeding absence and rebroadcast were decreased with the high seeding quality and efficiency under the system.

Key words： seed metering device； seeding absence； rebroadcast； infrared detection

水稻是中国种植面积最大、单产最高、总产量最多的粮食作物，水稻生产在中国粮食生产中占有极其重要的地位。水稻直播则是发展水稻生产的重点方向[1]。水稻机械直播技术主要是针对传统手工撒直播技术存在的不足，利用水稻直播机具，通过机械化条播把稻种播入大田，解决了手工无序撒播存在的群体质量难控制和倒伏严重等问题，有利于高产且抗倒伏效果好，可以显著降低种植劳动强度，有助于实现水稻生产的全程机械化[2]。直播前农艺上水稻种子要求浸种、破胸露白，甚至出芽等，所以水稻直播机的排种器比一般谷物排种机的要求更高[3]。当前，水稻直播机是否出现漏播主要依靠操作手的观察，往往因为发现不及时造成漏播，导致稻田基本苗数不足，影响水稻生产效益。在此基础上再补种，费时费力，既耽误了播种时间，也增加了生产成本[4]。为了提高水稻种子直播的质量，降低播种过程中出现的漏播和重播等情况，设计了一种基于型孔轮式水稻排种器的排种监控系统。

1 系统结构与工作原理

1.1 系统结构

该排种监控系统由微控制器、红外传感器电路、由按键和显示电路构成的人机交互界面、报警电路和电源电路组成。系统结构图如图1。

1.2 排种系统的组成及监控系统工作原理

现有的水稻直播机排种器有外槽轮式、窝眼式、型孔带式、气力式和型孔轮式等。原理和结构上各有不同，但工作过程均包含充种、清种、护种和投种四个环节[5]。图2是型孔轮式排种器的装置图，排种系统由种子箱、侧板、刮种装置、排种轮、穴孔、排种管及红外光电传感器等组成。种子箱内的种子在重力及种子间的作用力作用下充入排种轮上的穴孔内，每个穴孔的种粒数量为1～3粒[6]。排种轮在动力驱动下转动，带动穴孔内的种子运动，刮种装置将穴孔外的种子刮离穴孔，穴孔内的种子在重力的作用下落入排种管，种子在斜置的排种管内实现排序后依次流经红外光电传感器，由此实现播量的精确检测。系统工作时利用单片机定时器提供38 kHz载波信号，由I/O口输出驱动红外传感器发射装置向外发射38 kHz的红外信号；红外传感器接收装置在接收到红外信号时输出端状态为低电平信号，反之输出高电平信号，根据输出端的电平状态可判断是否有种粒经过检测端。红外传感器接收装置的输出端连接单片机微控制器的外部中断引脚，当有种粒通过传感器时便触发单片机的中断系统进行相关处理，实现微控制器对传感器电路的实时监测，监测结果最终以种粒数量体现出来，在显示器上实时显示；同时，微控制器可进一步计算出相邻种粒的播种时间间隔，通过与设定时间的比较，从而判断是否发生漏播和重播等故障，若发生故障则驱动报警电路发出警告，提醒操作人员进行故障处理。

2 系统硬件设计

2.1 系统电源电路设计

控制系统需要5 V的直流电压，设计利用拖拉机发电机输出的12 V的直流电压[7]，通过7805稳压电路得到需要的5 V直流电压，电路简单可靠，如果采用直插元件输出电流可达到1.5 A，贴片元件则输出电流可达到1.0 A，满足控制系统的要求，电路图如图3。

2.2 红外发射接收电路

控制系统中红外传感器电路由红外发射电路和红外接收模块组成。红外发射电路的电路原理图如图4，三极管9014的基极连接单片机的I/O口，通过软件编程由单片机I/O输出38 kHz的方波信号，控制9014的导通与断开，从而驱动红外发射管输出38 kHz的红外信号。

接收模块选用TL0038，其引脚说明图和电路连接图如图5所示。TL0038是集红外信号接收放大为一体的接收器，包含红外接收管、带通放大器、检波和脉冲整形电路。其中心接收频率为38 kHz，输出为TTL电平。其工作原理是当发射管和接收管之间没有种粒通过时，红外接收管接收到红外信号，输出低电平；当发射管和接收管之间有种粒阻碍时，红外接收管截止，输出高电平。因而，通过检测其输出电平便可判断下种管是否有谷粒通过[8]。

2.3 人机交互电路

人机交互电路包括按键电路和显示电路。按键电路为常用的4行4列的矩阵式按键，采用动态扫描，为系统提供了16个按键，可以实现功能的设置、相关参数的设定、结果查询及扩展功能的设定。显示电路采用LCD12864显示模块进行设计，该模块具有低电压低功耗的特点，内含简体中文字库，可显示8×4行16×16点阵的汉字，可构成全中文的人机交互图形界面，显示系统的设置参数和实时的工作参数。按键和显示电路如图6。

2.4 报警电路

播种作业过程中，通过微控制的定时器采集相邻种粒通过传感器的间隔时间，若相邻种粒的排种时间间隔超过或低于预期设定的时间，则判断排种器出现漏播或重播故障，微控制器驱动报警电路发出警报，从而提醒工作人员暂停机具运动，进行相应故障处理，避免大量的断条现象和重播现象。其工作原理是单片机通过P2.6引脚提供信号，利用三极管9014的放大作用驱动蜂鸣器发出声音警报，报警电路如图7。

3 系统软件设计

结合系统的工作原理，系统软件设计由主程序、种粒间隔时间检测子程序、按键子程序、显示子程序和报警子程序构成。系统的程序流程图如图8，系统开机后完成初始化设置，操作手通过按键设置系统的相关参数并启动系统，在有种粒排下后调用种粒间隔时间检测子程序检测Δt，根据Δt与预设参数的比较判断工作的状态，在出现漏播和重播时调用报警子程序实现报警，工作过程中可通过显示子程序查询实时参数。

4 系统抗干扰设计

系统的抗干扰能力决定了系统工作的可靠性和安全性。干扰来自干扰源，单片机系统的干扰源主要来自系统内部和外部的电气干扰。单片机系统抗干扰设计主要从硬件和软件两方面入手。系统主要从电源设计和选择抗干扰能力强的器件两方面进行了抗干扰设计。

4.1 电源抗干扰设计

系统利用集成稳压电路块供电，每个数字元件在地与电源之间都设计了104电容，有效降低了电源干扰。稳压块同时加大了电源电路的散热面积，提高了系统的散热能力。

4.2 传感器抗干扰设计

选择抗干扰能力强的器件是提高系统抗干扰能力的直接途径。设计采用了一体化的红外接收头，直接实现了信号的放大和整形滤波，有效提高了信号处理的稳定性。同时，传感器的安装采用了封闭式的基座，有效降低了灰尘的干扰并减少了环境光线对检测的影响。

5 小结

研究设计了基于型孔轮式水稻排种器排种监控系统，可实现对水稻精密播种的漏播和重播监测及播量实时显示等功能，为漏播补偿提供了有益的探讨。试验显示，该监控系统因种粒存在同时播下的情况，粒数统计会有一定的误差，红外传感器对于高速流动的种子响应速度存在不足，还需进一步的研究。

参考文献：

[1] 胡长远.水稻直播技术的研究与推广应用[J].种子科技，2010（11）：39-40.

[2] 杨文敏，谢方平，王林力，等.水稻芽种直播机虚拟样机设计与分析[J].农机化研究，2008（7）：26-28.

[3] 金 梅，夏春华，吴崇友，等.水稻直播机排种器研究现状及发展趋势[J].中国农机化，2010（5）：39-42.

[4] 金衡模，高焕文.玉米精播机漏播补偿系统设计[J].农业机械学报，2002，33（5）：44-47.

[5] 于英杰，张书惠，齐江涛，等.基于ARM的变量施肥控制系统的研究[J].农机化研究，2008（11）：47-50.

[6] 李 旭，刘大为，谢方平，等.水稻芽种直播红外播量监控系统的研究[A].中国农业工程学会.中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C].北京.2011.

[7] 李小明，冯全科，毕勤成，等.利用红外对管进行无干扰气泡上升速度测量的实验研究[J].西安交通大学学报，2004，38（11）：1110-1113.

[8] 张晓辉，赵百通.播种机自动补播式监控系统的研究[J].农业工程学报，2008，24（7）：119-123.