基于Exynos嵌入式的精密播种机自动射种装置的研究

张明伟，刘红艳

(济源职业技术学院 机电工程系，河南 济源 454650)

0 引言

播种是整个生产作业中最为繁琐的环节，播种质量的高低，直接决定了出苗率和幼苗优良程度，对最后的作物产量具有重要影响。自动射种式精密播种机具有投种点低、种床平整、籽粒分布均匀、种深一致及出苗整齐等符合农艺要求的特点，能够为种子的生长发育创造最佳条件，可以大量节省种子，减少田间间苗用工，保证作物稳产高产。本文以提高播种机播种质量为出发点，设计了一种基于Exynos嵌入式的精密播种机自动射种装置。

1 精密播种机结构及自动射种装置原理

精密播种机核心部件由种箱、仿形机构、仿形轮、开沟器、覆土板、射种装置，以及射种装置控制组成，如图1所示。精密播种机大多采用单个大梁的工作方式支撑整个机器的质量，其他零部件都安装在机架上。播种机的核心为射种装置及其控制系统，二者配合使用，使种箱的种子在气力式射种装置的作用下射入土壤中。其工作原理：气阀开关与气门杠杆两个凸轮由一根轴承相连，在镇压轮加上一链轮装置，将动力传给两凸轮；当种箱底部的电磁阀被打开时，种子掉入射种装置内部，接着嵌入式控制系统控制电磁阀关闭，同时打开喷气电磁铁；当射种装置出口的电磁阀打开时，在气体压力下将种子射入到土壤中，然后由覆土板给种子盖上一层土。

1.种箱 2.后臂 3.仿形机构 4. 大梁 5.化肥箱 6.悬挂装置 7.仿形轮 8.前支臂 9.施肥铲 10.开沟器 11. 自动射种装置控制部分 12.射种装置 13.减震装置 14.覆土板 15.镇压轮

2 精密播种机整体方案的设计

2.1 精密播种机整体设计

本文设计的精密播种机既可由农业拖拉机牵引前进，也可采用人工推进的方式前进。在作业中，精密播种机制动射种装置可以根据拖拉机速度或者人推进前行的速度，对射种频率进行实时控制调节。该播种机采用单线排种模式，种子经由种箱落入射种装置中，由喷气电磁阀控制种子从仓内射入土壤。精密播种机结构示意如图2所示。

在作业中，为了保证种子种植距离的一致性，自动射种装置的射种频率是根据整个机器前进速度进行调整的，因此该播种机采用光电传感器测机器的前进速度，并根据该速度自动调整射种频率。本文将光电传感器安装于收割机镇压轮，以保证测速的准确性和实时性。

图2 精密播种机结构示意图

2.2 自动射种装置的设计

精密播种机的核心是自动射种装置，其性能的好坏直接决定了播种机的可行性和执行效率。由于自动射种装置采用气体压力将种子射入土壤的方式，首要要求是保证整个装置具有良好的密封性，其次是进气腔和射种腔耐压力强。自动射种装置不仅要保证种子顺利地被气体射到土壤中，还要保证射出的种子不会被排种阀带回；另外，还要保证装置结构简单，方便维修和升级。自动射种装置结构如图3所示。

图3 自动射种装置结构图

自动射种装置主要包括排气阀、排气箱体、射种箱体和排种阀等部件，其结构简化后如图4所示。

自动射种装置箱体采用圆柱体，保证排气和排种的顺利进行；种箱在自动射种装置正上方，由控制系统驱动排种阀，控制种子落入自动射种装置舱内；排气阀在装置左上方，根据自由落体运动速度设定排种阀和排气阀之间开启的时间差，确定种子在落入装置腔体1/3高度时，开启排气阀，将种子顺利射出；射种管和排种管应设计在同一条直线上，方便气体将种子从射种管射出。另外，为了保证整个自动射种装置的密封性，装置各个连接处都采用密封垫，尽量减少气体的泄露，提高射种效率。

图4 自动射种装置简单示意图

2.3 开沟器的设计

由于每种作物生长环境不同，其播种要求差别也很大，播种机一般需要设计播种深度可调的开沟器。开沟器的设计一般需要满足两点：沟浅、翻土少和自主覆土能力强。因此，在设计开沟器时，主要对导管、开沟铲及深度调节器进行设计。在实际应用中，开沟器导管常常采用一个中空的圆管，其直接和深度调节器(播深调节器)相连，调节板利用上面的控固定开沟器。为了保证种子射入土壤的速度开沟器影响，开沟器一般位于纵梁中间，开沟器导管正对排种孔。开沟器结构示意如图5所示。

图5 开沟器结构示意图

开沟器导管正上方是一个接种漏斗，自动射种装置射出的种子直接通过开沟器导管射入种子沟的土壤中。为了保证自动射种装置射出的种子全部可以射入到开沟器导管中，接种漏斗设计成一圆管型的入口，防止种子射入角度偏差，而影响两个种子在种子沟距离不一。另外，接种漏斗入口面积大于两个护种片宽度，在组装过程中，保证两个护种片紧紧包在一起，这样就会确保自动射种装置射出的种子全部通过开沟器导管射入种子沟中。

3 自动射种装置控制系统设计

3.1 控制系统硬件设计

1) 控制系统硬件框架图。自动射种装置控制系统主要负责整个系统信号的采集、处理，以及对各个执行期间的驱动控制。根据一般的机械控制理论，该装置应包括机架装置、气动射种装置、电磁铁及主控制模块等，根据装置工作职能可以分为3层：控制层、驱动层和执行层。自动射种装置工作层间关系如图6所示。

图6 自动射种装置工作层间关系图

自动射种装置控制系统由Exynos 4412处理器、多个传感器、步进电机、喷气电磁铁、液压马达、电磁阀、声光报警器、人机交互界面和电源构成，如图7所示。

自动射种装置控制系统采用Exynos 4412处理器为主控制器，系统配备人机交互界面，工作人员在作业前，根据种子类型或土地情况设定播种株距等信息，并可根据通过液晶显示屏获取播种面积和漏播率等参数信息。在实际播种过程中，霍尔传感器的作用是采集播种机的前进速度，光电传感器的作用是测量漏播率和重播率，气压传感器测量排气的气压参数并判断气压是否达标，步进电机代替地轮带动排种器转动，提高播种均匀性。Exynos 4412处理器根据用户设定的参数信息建立控制模型，设置播种株距和重种、漏种率等信息，并根据各传感器采集的信息，驱动控制各执行机构。

图7 自动射种装置控制系统结构框架

2) 光电传感器检测电路设计。光电传感器是一个可以将光信号转变为电信号的元器件，其作为检测系统的信号采集元器件，是整个控制系统信息重要的来源。自动射种装置控制系统光电传感器检测电路如图8所示。

图8 光电传感器检测电路

图8中，R5为一个光电检测器，当没有种子经过时，Q1的2N3904三极管为导通状态， Q2的基极为低电平，Q2为截止状态， signal为低电平；而当有种子经过时，Q1的2N3904三极管为截止状态， Q2的基极为高电平，Q2变为导通状态，而signal由低电平转换为高电平；Exynos 4412的GPIO管脚捕获到这一变化，并将计数器加1，以此来计算播种数量。

3) 喷气电磁铁电路设计。喷气电磁铁工作电压为220V，因此Exynos 4412无法直接对其进行驱动控制，需通过继电器间接对其进行控制。继电器采用5V供电电压，当Exynos 4412的驱动继电器的GPIO管脚为低电平时，继电器的闭合，进而控制电磁铁的吸合。喷气电磁铁电路如图9所示。

3.2 控制系统软件设计

为了保证自动射种装置控制系统程序的轻型化和可移植性，该程序采用模块化的思想设计，主要包括各传感器信息的采集处理、步进电机驱动、液压马达驱动和人机交互信息的输出等。系统主程序流程如10所示。

图9 喷气电磁铁控制电路

图10 自动射种装置控制系统主程序流程

4 试验与结果分析

为了验证该自动射种装置控制系统的性能、可行性和可靠性，在某玉米种植农场进行了试验。试验中，拖拉机采用1804四驱大马力拖拉机，作业速度为5～7km/h，播种深度设置为40mm，株距设置为26cm。整个试验开展5次，每次播种1 000粒。试验结果如表1所示。

表1 实验结果

由表1可知：检测排种量比实际排种量少，检测精确度在96%以上，精准度较高；播种深度和设置值相比，精准度在95.3%以上，控制的准确性较高；株距精准度在94.1%～98.3%之间，精准度高。由此可以得出结论：自动射种装置控制系统有效提高了田间播种的作业效率。

5 结论

针对现代农业种植需求，以自动射种装置为研究对象，设计和研究了基于Exynos嵌入式的精密播种机自动射种装置。与传统播种器械相比，该装置工作精确可靠，可根据种子类别进行参数设置与修改，实现了射种过程的自动控制。试验表明：该装置排种检测精确度在96%以上，播深精准度在95.3%以上，株距精准度在94.1%和98.3%之间，精准度都比较高，对田间播种的作业效率提高具有明显作用。