电控赤松茸布料播种一体机设计

戈皓月，贾雅丽，李少华，吕新路，顾春洪，赵晓顺

（1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001；2.河北省农业机械鉴定总站，河北 石家庄 050031；3.保定市农机工作站，河北 保定 071000；4.保定市莲池区农业农村局，河北 保定 071000；5. 保定市鑫飞达农机装备有限公司，河北 保定 071000）

赤松茸，菌肉比较肥厚、颜色鲜艳、口感滑脆、营养丰富，抗癌效果高，能降低血脂、血糖，镇静神经，改善动脉硬化，因此有很高的药用和食用价值。赤松茸也可以作为功能菌使用，其栽培原料可以选择木料和稻草等农作物秸秆，使用特定的农作物秸秆配方，可以种植出优质的赤松茸，合理地使用农作物秸秆配方可以起到2个作用，一是物尽所用，避免了秸秆的资源浪费，二是减少秸秆燃烧产生的有害气体排放到大气中，更有利于生态环境地可持续发展，因此科学种植赤松茸可以为当地带来经济、社会以及生态效益的多样化。赤松茸种植为处理农作物秸秆提供了一种环保且有经济效益的方法。

赤松茸喜欢半遮阴的环境，所以一般种植在防风、阳光充足和部分遮阴的环境中。种植条件应满足靠近水源、排水方便、含腐殖质、土壤疏松。赤松茸的市场需求量巨大，但其种植机械化发展水平一直不高，目前我国赤松茸种植基地分布不均匀，主要分布于甘肃、河北、浙江、河南等地。赤松茸播种多为人工播种，效率低，劳动强度大，人工成本高。因此，改进赤松茸种植机械，对提高赤松茸产量，促进作物种植具有重要意义。开发和推广适合赤松茸种植农艺的种植设备，特别是发展赤松茸布料机械和播种机械，是我国赤松茸种植业发展中亟待解决的问题。

1 赤松茸栽培基料与布料机

1.1 栽培基料

目前，我国关于农作物秸秆资源优化栽培基料的研究比较少，大多以木料为原材料，配方成分种类比较多，成分配比也需要优化。最近几年在赤松茸栽培方面，人们对农作物秸秆资源越来越重视，因此研发处理栽培材料的农用机械十分必要。

1.2 布料机

布料机由4 大部分构成，分别是碎料辊、料箱、地轮和传动装置。箱内设计有7 个碎料辊，每个碎料辊上安装7 组刀片，每组有4把刀片。该机料箱采用不封盖结构，分别为前箱体、左箱体、右箱体、后箱体，前箱体出料口处设计有挡板，上设限位装置，用来控制出料口的大小和出料速度。布料机工作时，通过调整限位螺栓，调整挡板与前箱下边缘之间的距离。把草于料箱的上部加入。地轮沿牵引装置的方向旋转，驱动三级链轮沿同一方向旋转。料箱里的草经过处理后送到出料口，然后进行摊铺。布料机结构见图1。

图1 布料机结构示意图Fig.1 The schematic diagram of distributor structure

2 赤松茸播种特点和播种机设计

2.1 赤松茸播种特点

一般赤松茸播种的温度为8℃～30℃，从播种到出菇约为45 d。春季出菇产量较低，质量稍差。秋季的温度比较适合种植赤松茸，菌丝生长快、出菇早、产量高、菇质量优。正常价格一般为14～40元/kg。

播种时，畦内铺20 cm 左右厚的经浸泡处理的秸秆，形成龟背形畦床，畦与畦之间留80 cm 的人行沟道。将秸秆压平压实，铺上预湿的稻壳，厚度约5 cm，播种前将菌种处理成鸡蛋大小，在稻壳上进行播种作业，一般采用调角或梅花形点播，播种深度约5 cm，穴距为10～12 cm，可以适当增加播穴的数量，使菌丝生长更快。播种后立即覆土，覆土材料一般为树林表层土、腐殖土、偏酸性木屑土，理想的土壤呈湿润松散状，以手捏土粒扁而不破，不黏手，含水量为20% 左右，覆土厚度1～2 cm 为宜，覆土完成后，需要保持土层湿润。料面需要处理为拱形面，料垄两侧双排至料底打直径为3～4 cm 的孔，孔距为10～25 cm，打孔可以保证菌生长的正常温度和保持空气流通。高温季节多打孔、间距小，低温季节少打孔、间距大。播种完成后，需要为料堆保湿，一般采用加覆盖物的方法，选用的材料为散稻草、麦秆、草帘等，厚度约1 cm，以喷水于草帘上时多余水不渗入料内为宜。湿度太高会引起菌种腐烂，因此在雨季播种时，下雨前应覆盖塑料膜，防止雨水渗入料中。

2.2 播种机

赤松茸播种装置主要由直流无刷电机和机架、播种装置和镇压装置等部分组成，见图2，播种装置为赤松茸种箱、赤松茸播种轮、赤松茸播种轮连体漏斗等。种箱由前后左右4 个箱体组成。播种轮包括播种轮、带有清种刷的播种轮挡板和清种刀片。播种时，将赤松茸种子放入料箱中，用镇压装置将基料压实。地轮通过链条带动播种轮，填充赤松茸种子到播种轮的种孔中，种子随赤松茸播种轮旋转。在播种过程中，赤松茸播种轮挡板上的刷子靠近赤松茸播种轮，负责清理种孔内多余的赤松茸种子，保证播种的有序进行。然后播种机将种子转移到连体漏斗中，当种孔中有残留的种子时，首先将种子转移至清种刀片，然后再转移到连体漏斗中。连体漏斗中安装有分籽板，排种管可以均匀的分配种子，保证播种的有序进行。连体漏斗设计成V 型，靠重力使种子从连体漏斗中落下排种，完成播种任务。

图2 赤松茸播种机结构图Fig.2 The structure diagram of Pinus densiflora velvet seeder

2.3 播种机电机控制硬件电路与调速

播种机电机采用的是直流无刷电机，运行可靠、噪音低、能效利用率较高、寿命长。电机通过STC89C52RC 单片机控制，更经济，运行速度快，功耗低，抗干扰能力强。单片机最小系统硬件电路见图3，VCC 引脚接直流电源5 V，GND 引脚接直流电源负极；XTAL1 引脚和XTAL2 引脚接晶振电路，选择晶振频率12MHZ；RST 引脚与复位电路连接，S0 控制单片机复位。电机连接电路图见图4，单片机P3.4 端口产生PWM信号，用于控制直流无刷电机。

图3 最小系统Fig.3 The minimum system

图4 电机电路Fig.4 The motor circuit

播种控制的关键是控制直流无刷电机，播种作业速度和电机转速需要实时监测，并且将数据传到单片机，单片机将得到的数据进行处理，向电机控制器发出特定的PWM 信号驱动电机运行，使电机的转速能够满足播种要求。改变占空比，可以改变直流无刷电机转速。电机空载运行时，直流无刷电机的转速与占空比大致呈线性关系，但是当电机接上负载，这种线性关系被打破，如果还是按线性关系进行控制会产生很大的误差，因此播种系统采用反馈控制，当电机转速与设定的转速有误差时，单片机会输出PWM 信号，改变占空比，调节电机转速，直到电机速度满足播种要求，这是一个动态变化的过程，也是一个持续调节的过程，单片机会一直指导播种的进行。

3 播种性能试验

播种行数定为4 行，播种深度定为4.6 cm，播种速度定为0.7 km/h。为了避免偶然性，在田间随机选择16个行样本，由于行长度比较大，不方便测量，因此选择每行的15 m 作为每行的代表，测量15 m内赤松茸的栽种行距并对其间的漏播和重播进行统计。然后根据测量数据对每一行的播种机播种性能和播种精度进行计算，以平均值为最终结果。3 个播种性能评价指标分别为漏播率、破损率和播种深度合格率；株距变异系数作为播种精度评价指标，将播种后穴口中无种定义为漏播。

根据JB/T 10291-2013《旱地栽植机械》中规定的旱地播种机的主要性能指标与播种精度指标要求需满足：漏播率≤5%，合格率≥90%，株距变异系数≤15%。将赤松茸田间试验获得的各项结果与以上播种指标进行对比，参照表1、表2 结果可知，该赤松茸布料播种一体机的播种性能和播种精度均符合标准中的性能和精度指标要求，因此该赤松茸布料播种一体机有推广价值。

表1 播种性能试验结果Tab.1 The seeding performance test results

表2 播种精度试验结果Tab.2 The seeding accuracy test results