玉米精量播种机排种监测系统设计

汤允猛,纪 超,付 威,陈金成

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832000;2.新疆农垦科学院机械装备研究所,新疆 石河子 832000)

0 引言

精量播种机是一种快速、高效的农业装备,具有节约种子、减轻劳动强度等优势。精量播种机的核心部件是排种器,其性能优劣决定播种作业质量。由于精量播种机的排种器和导种管通常采用封闭设计,无法通过人工直接观察内部工作过程,若实际田间作业中发生排种盘吸种不畅、导种管或开沟器堵塞等故障,将造成种粒漏播。尤其是大型精播机在进行高速作业时发生漏播故障,势必导致大面积缺苗,严重影响作物产量[1-2]。因此,亟需为精量播种机配备性能完善、可靠性高的排种质量实时监测报警系统,对提高播种作业质量具有重要意义。

近年来,随着传感器技术的发展,播种监测方法呈现多样性。日本的并河·清[3]利用多组红外LED和光敏三极管搭建了光电传感器监测探头,实现了对种子流漏播量、重播量的统计。布卢农业大学的V. Leemans研制的计算机视觉监测系统[4]可通过光学相机识别种粒下落过程,统计播种数量。周利明等[5-6]通过电容信号变化获取相邻种粒的脉冲积分面积来判断排种器的工作性能。黄东岩等[7-8]利用聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器监测相邻玉米粒在下落过程中产生的碰撞脉冲信号及两信号间的时间间隔,计算得到排种器漏播量和重播量。通过对上述光电、视觉、电容和压电等方法及系统硬件对比分析发现,光电传感器[9-15]具有价格低、技术成熟、响应迅速及驱动电路简单等优势,是搭建监测系统探头的首选元件。

本研究拟采用对射式光电感应原理,设计了一种具有消除杂光干扰、抵抗尘土侵蚀等功能的排种质量监测系统,能够实时获取排种量、漏播量、重播量等重要参数指标,并在发生断条漏播时发出报警提示,从而提高精量播种机田间作业质量。

1 排种监测系统构成

排种监测系统主要由红外监测探头、信号采集处理电路、STM32F407ZGT6芯片、TFTLCD液晶显示模块、声光报警模块与电源模块等组成,如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

红外监测探头用于获取种粒下落位序信息并转化为电平信号;信号采集处理电路捕捉上述电平信号并通过滤波、放大等处理后传输至单片机;单片机根据外部作业参数计算种粒间距值并获得排种总量、重播量及漏播量等重要参数,若判定发生断条漏播,则通过引脚发出故障信号;驾驶员可通过液晶显示模块与声光报警模块掌握机具作业工况,并在得到声光报警提示后停车排查。此外,信号采集处理电路电压取自经DC12-DC12稳压后的12V蓄电池,单片机通过芯片LM7805和AMS1117芯片将蓄电池电压降至3.3V,实现稳压供电。

2 硬件设计

2.1 监测探头

2.1.1 工作原理

系统采用对射式光电感应原理,探头平行安装于管壁两侧,当种粒下落通过探头监测范围时,产生遮挡信号,在不同工况条件下形成对应特征的电平信息。正常播种时,信号采集处理电路将接收到规律性间断电平脉冲;出现种箱缺种、排种盘吸种不畅等问题且造成一行或数行漏播时,红外光线直射入接收端并输出连续低电平信号;当某行开沟器被土块等杂物堵塞、种粒在导种管内堆积遮挡红外光线时,将形成连续高电平信号。

2.1.2 探头结构设计

为增强光线覆盖范围,监测探头采用4组3mm管径规格的红外发光二极管和红外光电二极管两两平行对射安装,相邻红外发光二极管的间距为1mm,且由探头支架隔离,其结构如图2所示。由于玉米粒的直径大于二极管管径及隔离间隙,故理想状态下玉米粒下落时可遮挡任意一组对射光线,不存在监测盲区。实际情况下,红外发光二极管顶端为半球形,光线呈伞状发射,若无约束势必会射入相邻非对射的光电二极管中,形成内部光线干扰[16],即出现任何光电二极管均无法被种粒完全遮挡的情况,影响监测精度,且易造成误判。为约束发光二极管光照范围,提高系统灵敏度,本研究将红外发光二极管置后安装,其顶端与二极管支架前端平面距离为8mm。由于支架材料选用非透明黑色尼龙,故此8mm管壁对红外光线形成吸收与约束,从而避免了内部杂光干扰。此外,探头前挡板由透明光敏树脂材料制作,不仅提高了红外光线的穿透能力,且使探头免受灰尘的粘附,通过定期清洁透明挡板,保证系统抗尘性能。外壳与下挡板通过螺母固定,防止震动造成下挡板向后滑移;下挡板和前挡板利用卡槽固定,防止震动造成探头向前和向上运动。

1.探头前挡板 2.探头支架 3.电路板 4.探头支架外壳 5.螺母外壳 6.探头后挡板 7.螺母孔 8.二极管 9.通光孔图2 探头结构图Fig.2 Structure of monitoring probe

监测装置结构如图3所示。其中,U型支架结构底面设计5mm×13mm的环槽,通过调节螺母和垫片位置可移动探头,用于监测不同作物的种子流信号,提高探头的实用性能。监测探头安装于导种管外壁,距地面高度100mm,贴近种床,能够更加准确地测定实际落种情况。

(a) 监测装置整体结构图

(b) U型支架结构图1.探头监测口 2.螺栓 3.U型支架 4.可调螺母 5.管卡 6.导种管 7.辅助支撑孔 8.环槽 9.放线孔图3 监测装置结构图Fig.3 Structure diagram of monitoring device

2.2 信号采集电路

系统信号采集电路主要由发(收)二极管、限流电阻、LM358P运算放大器及分压电阻等组成,如图4所示。红外发光二极管光线强度随限流电阻R1的增大而减弱,考虑系统功率损耗及实际监测精度要求,R1取值0.68 kΩ。通过LM358P(U1A)与电容C1放大目标信号,滤除杂波干扰,保证信号清晰稳定。系统指示灯采用逐行对应设置,表征各排种器落种状态[18]:无种粒下落,指示灯不发光;种粒间隔下落,指示灯闪烁;导种管堵塞形成漏播时指示灯常亮,提示操控人员检查故障。

图4 信号采集电路Fig.4 Signal acquisition circuit

3 软件设计

首先,通过系统初始化检测是否存在电路故障或异物遮挡问题。若电路正常且无异物遮挡时,指示灯显示绿色,否则提示为红色;待初始化完成后,种粒下落,单片机通过外部中断程序捕获电平脉冲信号并累加计数,同时启动定时器计算相邻脉冲的时间间隔T,结合种床带的前进速度VT得到实际粒距d,将其数值与理论粒距L进行比较,并根据GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》判断种粒是否存在重播、漏播现象;计算得到的排种量、漏播量及重播量由TFTLCD液晶模块实时显示;若断条漏播持续时间过长,其累加值超过故障判定阈值,系统将提示驾驶员停车检修。系统软件流程如图5所示。

图5 系统软件流程图Fig.5 Flowchart of the system software

4 试验结果与分析

4.1 试验材料

以新疆新玉41号玉米为监测对象,利用新疆农垦科学院机械装备研究所播种实验室的JPS-12试验台架开展排种性能监测试验。导种管安装于排种口下方且垂直于传送带,传送带表面涂有黄油,避免种粒下落弹跳。排种监测试验台如图6所示。

图6 排种监测试验台Fig.6 Seeding monitoring test bench

4.2 排种监测试验

设置种床带速度为4km/h,排种器每分钟排种300粒,种子由排种口下落通过监测探头时,系统采集排种量、重播量、漏播量等数据并通过液晶屏显示;再由人工统计实际的排种量、重播量、漏播量等数据进行对比分析。试验结果如表1所示。

表1 排种监测精度试验Table 1 Accuracy test of seed metering

试验结果表明:系统对排种量和漏播量的监测精度分别为98.1%与94.6%,高于重播监测精度。其原因为:少数种粒重叠下落经过探头时,两种粒下落未产生时间间隔或间隔时间小于系统定时器扫描时间,系统仅能识别到1组光电信号,造成漏判。

5 结论

1)设计了玉米精量播种机排种监测系统,主要由红外监测探头、信号采集处理电路、STM32单片机、TFTLCD 液晶显示模块与声光报警模块等组成,适用于种粒粒径3mm及以上作物的播种监测作业。

2)开发了基于对射式光电感应的红外监测探头,通过优化支架结构消除了内部散射光线形成的杂光干扰,提高了系统监测灵敏度和抗尘性能。

3)规划了软件流程并完成系统软硬件集成,台架试验表明:系统对排种量、漏播量和重播量的监测精度分别为98.1%、94.6%、87.9%,满足实际作业要求。