智能化排种器性能检测试验台研制

印 祥，解春季，李玉环，何 珂，孟鹏祥，耿端阳

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000)

智能化排种器性能检测试验台研制

印 祥，解春季，李玉环，何 珂，孟鹏祥，耿端阳

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000)

针对目前排种器性能检测试验台存在的成本高、检测精度差和检测不全面等问题，设计了可移动智能化排种器性能检测试验台。该试验台由直流电机驱动、msp430单片机控制、红外传感器检测及编码器测速等系统组成，液晶显示屏实时显示排种器的播种量、漏播率及重播率等性能参数，可实现排种器检测指标的在线、精准检测。利用指夹式排种器对该试验台的工作性能和传统带式试验台进行了检测对比试验，结果表明：播种量统计检测的误差值小于1.4%，漏播率的检测结果相对误差小于2.6%，重播率检测结果相对误差小于2.0%。对比试验表明，试验台具有很好的可靠性和准确性，为其使用与推广提供了保障。

排种器；试验台；智能化；红外传感器；编码器

0 引言

排种器性能检测试验台作为检测排种器性能的专用装置，其精准性和实时性对排种器的检测具有重要的意义[1]。目前，其形式有两种，即仿制前苏联的带式排种器性能试验台[2-3]和计算机控制排种器检测试验台[4-7]。其中，带式排种器性能检测试验台由北京市农机所研制，采用光电扫描采样和计算机处理技术，具有较高的检测精度和效率；计算机控制排种器检测试验台是黑龙江农机院和华中农业大学等单位都有研制，采用压电、声电传感器，通过惠斯登电桥和比较放大器进行信号变换，代表落粒脉冲的电压矩形波被送到单片机系统的定时和计数器，可检测每两次落种之间的时间，并通过软件设计检测单粒排种器排种的重播率、漏播率等性能参数，最后将结果从显示器显示出来。但这些试验台普遍具有结构复杂、造价昂贵、测试过程繁琐及检测指标不全面等问题，对其推广有一定的影响。

针对上述问题，借助当前的光电传感器检测技术和计算机控制技术[8-10]，设计了价格低廉、测试方便及精准高效的可移动简易智能化排种器性能检测试验台。

1 试验台构成

结合当前国内外排种器检测装置的研究现状，开发了如图1所示的智能排种器性能检测试验台，其主要由MSP430单片机、红外检测单元、排种器、调速器、液晶显示屏及编码器等组成。试验台由直流电机驱动待检排种器，通过红外传感器对其播种量进行检测，编码器测速，再经过单片机数据处理得到重播、漏播等指标，并将结果在液晶显示屏实时在线显示。

1．刹车轮 2.机架 3.红外检测装置 4.排种器 5.调速器 6.种箱 7.液晶显示屏 8.编码器 9.调速电机 10.集种箱图1 智能化排种器性能检测试验台结构示意图Fig.1 Intelligent performance test bench of seed-metering device

2 硬件系统设计

2.1 控制芯片的选型与电路设计

依据本检测系统的功能要求，结合当前单片机的发展趋势及性价比等要求，本研究选择了MSP430单片机为主控制芯片。该芯片主要由驱动模块、时钟源模块、影像模块和数据计算模块等组成，其系统模块电路如图2所示。

图2 单片机系统模块电路图Fig.2 Circuit diagram of single chip microcomputer system

2.2 红外检测单元

为了能够准确监测排种器排种的数量，本系统采用红外发光二极管(选用波长为940nm红外线发射管)和红外接收管作为监测元件，以种子通过光线作为监测电信号，实现物理信号和电信号的转换。为了提高系统检测的抗干扰性，本系统对所用红外光线进行脉宽调制，即将发光二极管按照脉宽8μs，脉冲周期130μs，有效提高了监测精度和对外光线的抗干扰能力。其红外发射管与接收管电路连接如图3所示。

图3 播量检测传感器电路图Fig.3 Seeding amount detection sensor circuit diagram

2.3 编码器测速单元

为了实现排种器在不同作业速度下性能的稳定性检测，本系统增设了以编码器测速为基础的控速系统，对作业速度进行控制。系统选择增量式编码器作为测速装置。即利用光电码盘对电机转速进行测试，然后经过发光二极管等电子元器件组成的检测装置可以检测输出若干个脉冲信号，通过计算单位时间内光电编码器输出脉冲数测得电动机的转速，实现排种器转速的控制。其硬件电路连接图如图4所示，控速系统的速度输入界面如图5所示。该试验台可实现不同作业速度的精确模拟，达到对排种器不同作业速度的性能检测。

图4 编码器电路连接图Fig.4 Encoder circuit connection diagram

图5 速度输入界面图Fig.5 Speed input interface diagram

3 控制流程与系统功能

依据排种器的检测要求，本系统开发了播种量、重播率、漏播率等检测系统。系统采用MSP430单片机为主控设备，利用CCS编写程序，以显示屏为输入、输出设备。整个系统的工作流程如图6所示。系统初始化开始工作，种子经过红外检测装置实现计数和计时功能；编码器实现测速并由控速系统模拟不同速度的工作状态，经过单片机主控单元的计算分析，最终由液晶显示屏对检测结果进行显示，实现准确、快速、实时在线检测。

3.1 播种量统计

播种量的统计是通过种子经过红外传感器时遮挡光线的次数来统计。即当种子经过红外光线，传感器发出的光束受到种子的遮挡发出电信号，接收管返回低电平，没有种子经过时，返回值为高电平，单电机通过比较电平的高低判断种子是否经过，完成计数。

图6 系统工作流程图Fig.6 System work flow chart

3.2 漏播率、重播率、株距统计

当排种器工作时，由安装在排种口的红外检测装置对种子通过传感器的时间序列进行检测，如图7所示。

图7 时间序列图Fig.7 Time series chart

依据相邻两粒种子的时间间隔，可得

Δti=tn,i-tn-1,i

(1)

由该时间间隔与该速度下种子的理论间隔时间t进行比较，当Δti<1/2t时，表示出现了漏播，则

Nn1=Nn1-1+1

(2)

式中Nn1-1—漏播初始值。

Nn—漏播总数。

漏播率为

(3)

式中Nn—排种量。

当Δti>(1+1/2)t时，表示出现了重播，则

Nn2=Nn2-1+1

(4)

式中Nn2-1—重播初始值；

Nn—重播总数。

重播率为

(5)

式中Nn—排种量。

最终，所有的数据经过单片机的处理，在液晶显示屏上实时在线监测，测试方便，结果直观可靠。

4 对比试验与数据分析

为了检测该智能检测试验台的精度，对其进行了以指夹式排种器为性能检测对象和传统带式试验台的对比试验，以验证其检测性能的可靠性及准确性。

4.1 试验准备

1)试验时间：2016年10月20日-25日。

2)试验地点：山东理工大学农机性能实验室。

3)试验装置：本研究所开发的智能化排种器性能检测试验台，如图8所示。

4)试验对象：指夹式排种器。

5)试验指标：按照GB/T6937-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，包括排种量Nn、漏播率m和重播率n。

4.2 试验方案

分别在本智能化排种器性能检测试验台和传统带式试验台上对同一指夹式排种器在相同转速下进行检测试验，每20s记录一次数据，共记录10组数据，对排种器的排种量、漏播率和重播率等性能指标的试验结果进行对比。

4.3 试验结果与分析

4.3.1 播种量统计结果分析

播种量的试验统计结果如表1所示。

表1 播种量统计对比试验结果

通过试验可知，本试验台播种量统计检测系统的误差值小于1.4%，而传统带式检测试验台检测误差基本大于本试验台的检测误差，表明本试验台的播种量统计更为精准可靠。

4.3.2 漏播率、重播率统计结果分析

排种器的漏播率、重播率试验统计结果如表2、表3所示。

表2 漏播率的对比试验结果

续表2

表3 重播率的对比试验结果

对比试验可知，本试验台对排种器的漏播率的检测结果相对误差小于2.6%，重播率的检测结果相对误差小于2.0%。这表明，本试验台与传统带式试验台的检测结果基本一致，所得数据可靠，可用于对排种器的性能检测。

5 结论

1) 研制了能够快速、准确地检测排种器性能的智能化排种器性能检测试验台。

2) 该试验台可以实现检测结果的在线显示，其检测指标包括排种器排种量、重播、漏播等性能指标，精度可以到达准确率>97%，误报率<3.0%，提高了检测结果的直观性和准确性。

3) 检测系统借助当前的光电传感器检测技术和计算机控制技术，较传统的带式检测试验台降低成本70%以上，更具有推广价值。

[1] 石宏,李达.目前国内外播种机械发展走向(Ⅱ)[J].农业机械化与电气化,2000,14(1):42-44.

[2] 石宏,李成华,壬君玲.排种器性能自动检测装置的研究[J].沈阳农业大学学报,2003(2):124-127.

[3] 胡少兴,马成林.排种器性能检测中种子位置智能检测方法[J].农业机械学报,2001(5):36-39.

[4] 蔡晓华,刘俊杰,孔繁亮.排种器试验台结构参数的设计[J].农机化研究,2005(2):128-129.

[5] 刘淑霞,马跃进.精密播种机监测系统研究[J].农业机械学报,1998,29(S1):72-75.

[6] 王树才,许绮川.单粒排种器单片机检测系统性能研究[J].华中农业大学学报,1998(17):96-100.

[7] 张军,丁元法,李英.精密排种器性能检测技术的发展与现状[J].农机化研究,2002(3):16-17.

[8] 王培琛.快速测量播种机排种间距的光电传感器系统[J].农机质量与监督,1999(2):19-21.

[9] 赵立业.精密排种器虚拟仪器检测系统研究[D].南京:南京农业大学,2002:7-31.

[10] 胡少兴.基于计算机视觉的排种器性能检测技术[D].长春:吉林大学,2001.

Development of Intelligent Testing Device for Performance of Seed Metering Device

Yin Xiang, Xie Chunji, Li Yuhuan, He Ke, Meng Pengxiang, Geng Duanyang

(Agricultural Engineering and the Institute of Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China)

Aiming at solving the problems of high cost，poor detection precision and the incomprehensive detection of the current seed metering device performance test-bed, a portable intelligent seed metering device performance test platform was designed. The test platform consists of a DC motor driving system, an msp430 microprocessor-based controlling system, an infrared sensor detecting system and an encoder speed-testing system with an LED screen displaying seeding quantity, missing seeding rate, replay rate and planting distance in real-time, which ensures the on-line precise test of the detection index. The serviceability of this test platform was compared with that of the traditional one in comparison test with finger clip-on seed metering device. Results showed that the error of statistical detection of the seeding quantity was less than 1.4%. The relative error of the detection result of miss seeding rate was less than 2.6%, and the relative error of the detection result of the replay rate was less than 2.0%. The result of comparison test indicates that the test platform was of high reliability and accuracy, which ensured the use and publicity of the test platform.

seed metering device; test platform; intelligent control; infrared sensor; encoder

2016-12-27

山东省农机化装备研发创新项目(NGJJ201502)；国家级大学生创新训练计划项目(201610433060)

印 祥(1982-)，男，山东东营人，讲师，(E-mail)666513@163.com。

耿端阳(1969-)，男，山东淄博人，教授，(E-mail)dygxt@sdut.edu.cn。

S223.2；S237

A

1003-188X(2018)02-00119-05