一种电动玉米精量播种机施肥监测装置设计*

杨 柳 ， 杨 莎 ， 杨璎珞

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163000）

随着玉米、大豆等粮食作物种植面积的增加，农业生产者普遍借助化肥实现粮食增产。黑龙江省是我国玉米和大豆的主要产区之一，在我国玉米和大豆产业中占重要地位[1-3]。农业生产施肥与粮食产量有着紧密的联系，科学有效施肥可达到增产的效果，但部分农业生产者缺少科学施肥的意识[4]，为了增加产量，大量施用化肥[5]。过量的化肥不仅不能被农作物吸收，而且会残留在土壤里并随雨水流入河流，对土壤以及生态环境的破坏不容小觑。所以，开发和研制符合农艺要求的玉米等中耕作物精密播种施肥机械，加强在玉米精量播种机肥料施播状态监测以及故障报警信息监测等控制系统方面的研究，对推动精密播种施肥机械化技术的发展及指导实际生产具有重要的现实意义[6]。基于此，课题小组在现有研究基础上，根据黑龙江省玉米种植特点以及土地地块信息，利用GPS、人机交互、无线通信、智能控制等技术，设计玉米精量播种机的施肥装置以及监测系统，可实现肥量监测、肥管空堵报警以及数据储存与显示。

1 关键部件机械结构

电动玉米精量播种机施肥装置机械结构由电动外槽轮排肥器、排肥管、机架、肥箱等组成。排肥器用于播种机和中耕机上施固体化肥、菌肥等。要求播量均匀稳定，排肥量调节范围大，通用性好，零件耐腐蚀，检查方便[7-8]。

施肥控制以及监测系统主要对排肥电机进行控制，其中电动外槽轮排肥器的电机结构如图1所示，其结构参数为功率50 W，扭矩10 N·m。外槽轮排肥器在传统外槽轮排肥器的基础上进行改进设计，将阻塞轮改为与槽轮相配合的挡圈形式，同时配拧手进行调节，在槽轮一端增加电机直接控制排肥器转速，大大提升了自动控制与监测的工作性能与方便程度[9]。主要通过控制排肥器的排肥槽轮工作长度以及排肥轴的转速来调节肥量大小，实现无级调节。

图1 电动外槽轮排肥器

排肥装置所配肥箱按播种机作业12行考虑[10]，该机设置两个肥箱，按最大施肥量、整幅作业，播种机每作业1 000 m加一次肥为基准设计肥箱容积如下：

式中，V为肥箱容积，L；L为作业幅宽，L=6.2 m；F为施肥距离，F=1 000 m；Q为最大施肥量，Q=500 kg；q为容重，q=0.7 t。

由公式得：

整机施化肥作业1 000 m肥箱最小容积为442.9 L，结合整机结构设计肥箱为540 L，基本满足整机作业性能要求。

2 监测系统

施肥监测系统总体设计框图如图2所示，该系统主要由上位机（信息上传存储）和下位机（GPS、编码测速器、光电编码器等）组成[11-14]。上位机提供系统用户界面，发送和接收各种信号指令，可通过上位机设置所需施肥量进行排肥轴施肥量的计算、肥量的调控等；下位机主要以单片机为核心，负责完成数字信号采集处理，监测肥量信息、肥管空堵等情况，通过无线通信模块将监测处理结果发送到无线控制终端，实现报警与信息存储。

图2 施肥监测系统

1）GPS模块。如图3所示，选用GPS外置接收器，负责获取播种机所在的经度、纬度、机车行进方向和速度等信息，通过无线通信模块将信息传递给下位机。

图3 GPS外置接收器

2）数据采集模块。如图4所示，一端为脉冲发射器，另一端为信号接收器，当有化肥落下时，发射管发射的红外光被肥料遮断，接收侧无信号输出，产生持续高电平脉冲信号；而当肥管内处于空或堵的状态时，红外光由于始终没有被遮挡或始终被遮挡，信号接收器的接收侧始终接收到发射管发出的红外光或始终接收不到红外光，则不会产生脉冲信号。系统通过对脉冲信号的检测，将脉冲信号信息传递给上位机，进行信息存储、计数和显示，实现肥管的空堵报警监测[15-16]。

图4 红外光电对管

3）光电编码器。如图5所示，排肥轴转速调节选用光电编码器，当机器作业时，光电编码器随排肥轴一起旋转，编码器产生脉冲信号，通过无线通信模块传递给上位机，经预设程序计算排肥量，并将其显示和存储在上位机中。

图5 光电编码器

3 试验

1）排肥量试验：在试验播种机的排肥轴上安装光电编码器，用3个塑料袋分别封住3根肥管出口。选取槽轮工作长度为30 mm，在该刻度值下玉米播种机以拖拉机二挡速度尽量稳速行进100 m、200 m、300 m、400 m、500 m和600 m的距离，用电子秤称量获取的实际施肥量。将其与系统测量值进行对比，获得相对系统误差值。排肥量误差试验结果如表1所示。

表1 排肥量误差试验

2）肥管空堵试验：玉米播种机田间作业时，人为设置3根肥管进行空和堵试验，共进行6组，验证其报警显示是否正确。肥管空堵误差试验结果如表2所示。

表2 肥管空堵误差试验

由上述试验结果可知，系统测得肥量与实际施肥的误差在2%以内，系统肥量监测准确率达98%以上，误差出现的主要原因为机车启动与结束时的不稳定。系统监测次数与实际人为干预次数的误差在2%以内，系统肥量监测准确率达98%以上，满足精度要求。

4 结语

课题小组利用无线通信、传感器、人机交互和智能控制等技术，设计了电动玉米精量播种机施肥监测装置，该装置主要由电动排肥机构、肥管空堵报警装置、肥量监测装置等组成；将红外光电对管安装在排肥口下方，利用红外光反射产生的脉冲信号实现肥管空堵报警；利用光电编码器以及无线通信系统等，将所提供的数字信号转换成肥量信息，实现肥量实时监测，同时对肥管空堵等情况进行及时报警。试验表明：该施肥监测装置总体精度可达到97%以上，其中施肥量的准确率在98%以上，肥管空堵报警的准确率在98%以上，该系统能够对玉米播种机施肥过程进行有效的监测，同时整体监测系统也可以应用到其他施肥机械上，通用性好。