基于反射式光电感应的精量播种机漏播监测系统研究

刘翔宇 丛锦玲 坎杂 纪超

摘要：排种器是播种机的核心部件，其性能稳定性直接影响播种作业质量。实际工作过程中，由于排种器通常处于密闭状态，无法通过人工直接观测其作业质量，若发生断条漏播等问题将严重影响作物产量。针对中、小粒径作物开发了一种基于反射光电感应的精量播种机漏播监测系统，该系统采用FS-V11漫反射式光放大器获取排种脉冲信号，准确度高、抗擾动能力强。设计了基于单片机MSP430F149的信号处理电路，并以落种时长为基准，规划了种粒监测软件流程，实现系统软件硬件集成。以小麦精量排种器为例，进行漏播监测试验，结果表明，当排种器转速为 30 r/min 时，监测精度为95.5%；当排种器转速在30～45 r/min之间随机变速时，监测精度为93.5%。

关键词：反射式光电感应；小麦；漏播监测系统；排种器

中图分类号： S223.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）11-0164-03[HS）][HT9.SS]

精量排种器是播种机的核心部件，排种器出现的漏播现象严重影响了播种作业的质量。在精量播种技术的发展过程中，排种器漏播性能监测是重要的研究方向之一[1]。国外对播种漏播监测系统的研究进展较快，美国约翰迪尔公司生产的Maxemerge Planters系列精量播种机已投入生产使用，其技术先进、功能齐全、运行稳定、监测精度较高[2]。国内对精量排种器漏播监测系统的研究则较为缓慢，20世纪90年代随着51单片机的普及，精量排种器漏播监测系统方面的研究才开始出现[3]。在漏播监测的识别中，主要识别对象为玉米[4-5]、马铃薯[6]等中、大粒径作物种子，针对中、小粒径种子和田间作业拖拉机变速情况下的漏播监测研究较少。

目前，漏播监测系统使用的监测方法主要有光电感应法和机器视觉法[8-9]。机器视觉法的监测精度高，但结构复杂，不适应复杂的田间工作环境；光电感应安装简单，稳定性较好，应用较为普及。本研究设计了一种基于反射式光电感应的漏播监测系统，针对中、小粒径作物播种，解决田间恶劣的工作环境造成的不规则振动、变速时信号拾取误差等问题。硬件系统设计包括实播信号采集电路、信号滤波处理电路、报警电路、显示电路；软件系统设计包括排种器信息采集中断子程序、报警显示子程序及漏播识别算法。

1监测原理

应用反射式光电感应技术对种子掉落进行监测和标准排种脉冲的拾取；应用单片机进行信号读取以及采集，并对信号进行分析处理。

监测部分设计分为2点：（1）传感器的选型，选择基恩士FS-V11漫反射式光放大器；（2）监测接口设计，如图1所示，采用柔性软弯管，使种子下落过程中沿管壁滑落，滑落过程中种子通过监测接口的速度及位置变化较小，可提高监测的准确度。

对应排种盘的型孔位置，在排种盘传动链轮均布反光测试点，当排种盘传动链轮转动时，激光束获取反光点信号，由单片机内部定时器对2粒种子的投落时间进行精确识别。

2监测系统

根据精量排种器的工作原理对漏播监测系统进行设计，如图2所示，监测系统主要由排种器信息采集部分、信息处理部分、显示报警部分组成。应用反射式光纤传感器获取实际播种序列脉冲和标准排种脉冲，引入滤波处理电路对信号进行滤波以及信号放大，配合单片机内部时钟计算出标准排种脉冲信号间隔；运用MSP430F149单片机进行数据处理及分析，应用1602液晶显示器显示播种合格率；电源由拖拉机车载蓄电池转换成12 V直流电提供。

2.1落种信号拾取

在落种信号的拾取过程中，设计了一种单侧安装调试传感[CM（25]器的监测接口监测范围和盲区，如图3所示。单片机选择[CM）]

下沿中断的触发方式，在无种子通过时，监测传感器输出高电平；当有种子通过时，光敏三极管导通，输出低电平；经过运算放大器进行信号放大，输出单片机可以识别的电压值信号输出到单片机P1.1引脚进行信号读取。

2.2排种盘转速获取

霍尔传感器在监测标准投种脉冲间隔的过程中存在以下问题：电机运行的过程中造成的噪声干扰，无法准确识别；小麦精量播种中，粒距在7～10 cm之间[13]，排种盘型孔间隔为9°，2个磁铁在排列如此密集的情况下，磁场会互相影响，无法准确识别。因而在系统设计过程中，采用排种器传动链轮贴合反光点与排种盘型孔一一对应的方式，通过监测2个反光点间的间隔来获取落种的标准排种脉冲。光电传感器所输出的脉冲信号经过一个运算放大器对信号进行放大处理，转换单片机可以读取的电压值，输入到单片机的P3.1引脚进行信号采集，由单片机的内部时钟进行计时，由公式计算出当前排种盘的转速。

2.3显示报警

针对小麦的精量播种性能监测，本系统以漏播指数为核心参考数据，对漏播进行实时监测及报警。通过单片机P4.1引脚对LED灯和蜂鸣器进行控制。漏播指数过高时，P4.1引脚输出高电平，红色LED灯发光，三极管Q1导通，蜂鸣器发出报警信号。

3监测软件流程设计

监测软件流程设计如图4所示。播种机工作开始时，排种器需要经过转动数周后才会进入正常工作状态。若把此部分数据计入统计数据中，会导致监测的漏播率偏高，出现误报警的情况。设计算法中做出相应调整：以光电开关第1次得到信号后进行周期计数，落种时间由种子通过光电开关时获取标准投种脉冲进行记录。[FL）]

对落种进描过程中的时间间隔进行判别：设计落种的时间间隔超过1.5t0时，识别为漏播数k+1；设计落种的时间间隔超过3t0时，识别为漏播数k+2；以此类推，当超过 4.5t0 时，程序终止并发出报警反馈。

4对比试验

4.1试验材料

以气吸式小麦精量排种器为监测对象，种子为新疆适播的新冬8号小麦种子。试验地点为石河子大学排种器性能监测实验室，利用JPS-12排种器计算机视觉监测试验台开展监测对比试验，监测系统试验台如图5所示。

4.2排种器试验台对比试验

试验过程中，对监测系统在变速条件下的监测精度进行测量，以获取影响排种器工作状态的因素。

JPS-12机器视觉技术排种器性能试验台可实现种子粒距、合格指数、重播指数、漏播指数、变异系数等参数监测。试验以JPS-12排种器试验台所提供的指标为基准与本研究的监测系统的监测数据进行对比，以排种器转速为单因素考核漏播性能。以排种器转速为30～45 r/min、转速增量为 5 r/min 进行漏播精确度测试，结果如表1所示。

以排种器转速为30～45 r/min随机变速进行漏播精确度测试，结果如表2所示。

对漏播值和实际漏播值的单因素线性回归分析，由表3可知，相关系数r为0.987；拟合优度r2为0.974，调整后拟合优度r2为0.972，标准估计误差为1.77。由表4可知，F值为663.284，P值为0.000，说明得到的回归模型有统计学意义。由表5可知，常量为10.232，实际值系数为0.839，t为 3.083，P=0.000，可得到一元线性回归方程为y=0.839x+10.232，回归曲线与拟合三点图如图6所示。综上所述，监测数据具备实际的统计意义，本研究设计的监测系统的监测值可以由实际的漏播值反映出来，两者的线性拟合度良好。

5结论

基于播种机在田间的实际工作情况，设计了一种基于光电感应的气力式小麦精量排种器漏播监测系统，通过光电感应对标准投种脉冲和实际投种脉冲进行识别。结果证明，本研究设计的监测系统可实现精播监测及显示功能、滤波处理及漏播分析功能、故障报警功能等，利用反射式光电感应，优化了标准脉冲，提高了变速运行中的监测精度，在排种器转速为30～45 r/min随机变速的情况下监测精度为93.5%；在匀

测、实时反馈、实时提醒，保证工作效率和作业质量。

参考文献：

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