马铃薯播种机排种机械化种植技术研究

王彩英，李 平

(1.包头轻工职业技术学院 能源工程学院,内蒙古 包头 014035；2.宁夏大学 化学化工学院，银川 750021)



马铃薯播种机排种机械化种植技术研究

王彩英1，李 平2

(1.包头轻工职业技术学院 能源工程学院,内蒙古 包头 014035；2.宁夏大学 化学化工学院，银川 750021)

马铃薯是我国一种重要经济作物，在我国有较大的种植规模。为实现马铃薯种植的机械化，基于传感器和单片机技术，结合现有的马铃薯播种机，设计了一种新的排种系统，以解决马铃薯播种过程中的漏播和重播问题。该排种系统由操作显示屏、速度感应装置、数据分析模块、挡板控制器和报警装置几个部分组成。工作时，通过速度感应装置获取播种机的行进速度，然后由数据分析模块根据所设定的播种株距计算挡板开关的频率并进行控制，以达到精准播种的效果。对装载该排种系统的马铃薯播种机在4种不同行进速度工作时，进行薯种漏播率、直播率和株距数据调查，发现漏播率和重播率都很低，远远小于行业标准，且种植的株距与设定值差异很小，具有较高的精确性，能够很好地满足马铃薯种植的要求；其行进速度在0.8m/s左右时，种植质量和作业效率同时达到最佳。

马铃薯；机械化种植；排种

0 引言

马铃薯俗称土豆，是世界第四大粮食作物，其块茎中富含淀粉、维生素和氨基酸，具有很高的营养价值。马铃薯对环境的适应性强、营养丰富、口感好、加工食用方式多样，因此成为欧洲一些国家的主食。我国在16世纪便已经开始种植马铃薯，种植规模增长很快，至今已成为马铃薯种植面积、产量和消费的第一大国。

随着我国农村劳动力向城镇的转移及人口老龄化的加速，提高农业生产效率和降低生产成本都面临日益严峻的挑战。推动农业生产的机械化是解决这一问题的有效途径，也符合现代化农业的发展趋势。马铃薯种植时劳动强度大，对机械化的需求较为迫切。发达国家马铃薯种植机械化率达到70%，而我国马铃薯机械化种植的普及面很小，仅占到1%，与马铃薯的第一大生产国身份不相符。因此，马铃薯种植相关机械的研制和改进具有重要的现实意义和巨大的市场需求。

马铃薯种植全程所需的机械主要有播种机和收获机，大部分播种机集开沟、施肥、播种、覆土、起垄、镇压和覆膜等多种功能于一体，极大地降低了马铃薯种植的劳动强度和繁琐程度。我国马铃薯播种机的研制起步较晚，在早期从国外引进了一些型号，但对我国不同种植地区条件的适应性差、成本较高且售后保障困难，导致没有得到大规模的应用[1]。但是，通过对引入机械的分析研究，科研人员开发出了适合我国具体国情的各种型号马铃薯播种机[2-5]。

播种过程不伤种、深浅一致、行距均匀是对马铃薯播种机的基本要求。不同型号马铃薯播种机的性能差异主要体现在株距均匀程度、漏播率和重播率上，而这3项指标主要是由播种机的核心部件(即排种器)所决定的。排种器对马铃薯播种机的作业效率和播种质量有着决定性的影响，其性能高低是播种机设计水平的体现[6]。马铃薯播种所用的薯种是块状茎，体积较大，因此有其独特的播种和排种方式。马铃薯的播种方式有两种，包括块薯播种和整薯播种。块薯播种是将块状茎切成小块后用于播种，相应的排种方式为薯夹式和针刺式。这种方式操作相对繁琐，且切口处容易感染病菌导致减产，目前应用较少；整薯播种对种薯的损伤小，操作简单，适合机械化作业。整薯播种对应的排种方式有勺式、转盘式、板阀式和传输带式，这些方式都有各自的优缺点，其中勺式和传输带式的应用最广泛。但是，马铃薯种薯的大小各异，形状不一，导致这些机械化排种过程一直存在漏播和重播的问题，影响了马铃薯的产量[7]。

随着现代农业向精准化和智能化发展，各种新兴的传感检测和计算机视觉等技术开始与农业机械结合，极大地提高了作业的效率和质量。本文基于传感器和单片机在自动控制技术中的应用，结合现有的马铃薯播种机，设计了一种新的排种系统，解决马铃薯播种过程中的漏播和重播问题，并对其在生产中的实用性进行了检验，以期提高马铃薯播种机作业的效率和质量，促进我国马铃薯生产全程机械化的发展。

1 设计原理及结构

1.1 设计原理

新的排种系统装载于2CM-4型马铃薯播种机上，在排种管末端安装可翻转的挡板，由电磁感应开关进行控制，打开1次时允许1个薯种通过。安装在播种机地轮上的速度感应装置获取播种机的行进速度，然后由数据分析模块根据所设定的播种株距计算挡板开关的频率并进行控制，从而达到精准播种的效果。

当排种管因种杯的漏取或重取而出现空管或薯种过多的情况时，位于底部的压力感应装置将信号传递给数据分析模块，发出报警，提示人工排除故障。

1.2 总体设计

装载该排种系统的是2CM-4型马铃薯播种机，为牵引式机械，由福田雷沃M1200-D型拖拉机牵引，拖拉机输出功率88kW。2CM-4型播种机能完成从开沟到喷药的作业，一次作业的播种行数为4行，行距80cm或90cm，株距在14～45cm之间可调。其采用了交叉杯的取种播种技术，重播率和漏播率分别小于18%和12%。排种系统包括操作显示屏、速度感应装置、数据分析模块、挡板控制器和报警装置，如图1所示。

图1 排种系统结构

2 系统组成

操作显示屏装载在拖拉机上，用于人工操作设定播种的株距、感应装置的参数和报警启动阈值，利用RS233型串口与数据分析模块连接。速度感应装置是一个安装在播种机地轮上的YS41F型霍尔元件，通过接受地轮轴承旋转产生的电磁信号来获得播种机行进的速度，并发送到数据分析模块。数据分析模块的核心部件是MCS-51型单片机，用于接受来自速度感应装置的实时数据，结合设定的参数，采用A/D转换程序计算档板的开关频率，发出控制信号。另外，单片机还接收压力感应数据，若超出设定的阈值，则启动报警。挡板控制器位于排种管末端，由挡板、电磁感应开关和压力感应装置组成。挡板在正常状况下处于关闭状态，电磁感应开关与单片机连接，在通电的瞬间产生磁场打开挡板，断电后挡板在弹簧的作用下关闭。压力感应装置为1个AP402型的压阻式传感器，与单片机连接。报警装置的阈值上下限分别设定为5个和0.2个薯种的质量，当超出阈值时，单片机启动操作显示屏进行闪烁和声音报警，提示人工排除故障。

3 试验与结果

3.1 试验地点和试验设计

检验该马铃薯排种系统实用性的试验在福建省福州市的试验田中进行，土壤类型为砂质粘壤土，试验田面积0.8hm2，用大型机械整理平整。使用的马铃薯品种为从云南引入的云薯103，薯种从当地的市场购买。农业机械为装载自动排种系统的2CM-4型马铃薯播种机，由福田雷沃M1200-D型拖拉机牵引。

设置播种机的播种深度10cm、行距80cm、株距25cm，薯种的质量经测量在20～30g之间，因此报警装置的启动阈值上下限分别设定为100g和4g。将试验田划分为4个0.2 hm2的田块，播种机分别以0.7、0.8、0.9、1.0m/s的速度行进作业完成播种。在每个田块中随机选择5个长20m的播种区段调查薯种漏播率、重播率和株距。

3.2 试验结果和分析

装载该排种系统的马铃薯播种机在4种不同行进速度时，对薯种漏播率、直播率和株距调查数据如表1所示。

表1 排种系统在不同速度下的田间作业质量

由表1可以看出：随着行进速度的增加，漏播率从3.0%上升到了5.0%，但整体上处于很低的水平，远远低于13%的行业标准。其中，在0.7m/s和0.8m/s速度下的作业质量相对较好，重播率在7.5%～9.0%之间，没有随着速度发生明显的变化，整体水平也远远低于20%的行业标准。播种的株距随着速度增加有加大的趋势，但是整体上的变异系数偏离25cm设定值的幅度都很小，体现出较高的作业质量。所以，该排种系统在正常速度下的各项指数都明显好于行业标准，具有很好的播种质量。若将播种质量和效率综合考虑，则该排种系统的最佳作业速度为0.8m/s。

4 结论

田间测试的结果表明：装载该排种系统的马铃薯播种机作业产生的漏播率和重播率都很低，远远小于行业标准。种植的株距与设定值差异很小，具有较高的精确性，能够很好地满足马铃薯种植的要求打破了限制马铃薯播种机械化发展的瓶颈。若要在保证种植质量的基础上兼顾作业效率，则机械最佳的行进速度应该控制在0.8m/s左右。

该排种系统的各种装置均简单轻便，性价比较高，装载后并没有明显增加播种机的体积和质量，成本和结构的复杂程度也控制在种植者可以接受的范围内，在马铃薯的机械化种植中有广阔的应用前景。试验过程中，系统启动了几次报警装置，原因都是排种管中积累的薯种过多而导致压力超过阈值上限，人工排除故障后系统恢复正常。该研究只选用了一种马铃薯品种进行排种试验，因此该排种系统对马铃薯不同品种的适应性有待进一步验证。另外，可以对系统的部分装置进行优化，使其能与播种机更好地整合，提高其在实际生产中的适应性和可靠性。

[1] 朱维才，崔刚，李神明，等.马铃薯播种机械研究[J].农业技术与装备，2008(8):26-27.

[2] 杨德秋，郝新明，李建东，等.四行悬挂式马铃薯播种机虚拟设计与试验[J].农机化研究，2009，31(10):75-78.

[3] 杨金砖，吕金庆，李晓明，等.2CMF-4型旋挂式马铃薯播种机的研究 [J].农机化研究，2010，32(1):127-130.

[4] 李建东，赵金英，薛方期，等.2CM4B型牵引式马铃薯播种机的研制[J].农机化研究，2011，33(6):45-48.

[5] 岳群，蒋金琳，战长龄，等.小型多功能马铃薯播种机的设计与试验 [J].农机化研究，2015，37(10):128-131.

[6] 杜宏伟，尚书旗，杨然兵，等.我国马铃薯机械化播种排种技术研究与分析[J].农机化研究，2011，33(2):214-217.

[7] 李雷霞，李洋，郭勇，等.带有智能检测系统的马铃薯播种机 [J].农业工程，2012，2(7):24-26.

Research on Mechanized Potato Seed Sowing Technniques

Wang Caiying1， Li Ping2

(1.Baotou Light Industry Vocational and Technology College,Baotou 014035，China; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

Potato is an important cash crop in China which has a large planting scale. To achieve mechanized production of potato cultivation, the paper-based sensors and microcontrollers used in automatic control technology, combined with the existing potato planter, we designed a new seeding system to solve the potato planting during the broadcast and replay leak problem . The seed metering system consists of several parts operating display, speed sensors, data analysis module, the shutter controller and alarm devices composed.Through the speed sensing device planter travel speed, and then by the data analysis module spacing calculated shutter switch in accordance with the set seeding frequency and controlled to achieve accurate seeding effect. The load on the seeding system potato planter at four different speeds of travel on potato seed sowing leak rate, broadcast rate and spacing data to investigate and found the loaded potato planter seeding system operations generated leakage rate and sowing replay rates are very low, far less than the industry standard. Planting spacing set value difference is small, with high accuracy, can well meet the requirements of potato cultivation. And found that the mechanical control when traveling speed 0.8m/s or so, growing quality and operational efficiency while achieving optimum.

potato; planting mechanization; seeding

2016-06-20

宁夏高等学校科学研究项目(NGY2015047)

王彩英(1971-)，女，内蒙古乌兰察布人，副教授，高级工程师，硕士，(E-mail)Wancaiying0616@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)10-0141-03