乡村播种机作业工况复合检测与研究

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0引言

随着种植技术的不断发展，诸如甜菜、油菜等经济作物的种植方式逐渐从移栽向直播方式转变，对相应的播种机具的性能提出了更高的要求。上述作物的种子颗粒较小，落种过程中的不可控因素较多，为保证株距均匀性、提升播种质量，通常采用低位排种的作业方式。在低位排种作业时，排种器出口和地面的距离范围仅在3～5cm左右，且两侧还有开沟圆盘等作业部件，排种器下方的空间十分狭小，根本无法容纳常规的落种检测装置;且由于落口距离地表过近，开沟作业时的土壤扰动及地表杂物的侵入也会对检测过程产生不利影响。为此，针对低位排种模式下排种器作业状态检测装置受空间限制而无法安装的技术难题，创新性地提出一种基于复合检测原理的技术解决方案，即避开直接检测从落种口排出的种子的下落过程，通过检测排种盘上的型孔充种状态在经过落种口位置前后的变化，进行实时数据采集、对比和分析，间接判定和区分排种器空转、正常排种、漏播以及型孔堵塞等不同工况，用一种全新的检测方式解决了传统检测手段难以解决的实际问题，也为今后类似的应用设计提供了应用范例和技术支撑。

1总体配置、结构设计及检测原理

1．1总体配置

总体配置示意图如图1所示。图1中，复合检测传感器直接安装在排种器的底部，通过螺钉与排种器壳体连接，其左右两侧为靴式开沟器;复合检测传感器为中空式结构，其底部略高于排种器的最低点，从落种口落下的种子穿过传感器进入到土壤。

1．2复合检测传感器的结构设计

复合检测传感器配置示意图如图2所示。图2中，在落种口前后分别各放置1套光电检测组件。其中，位于落种口之前的光电检测组件A用于检测排种盘型孔A内是否充有种子;位于落种口之后的光电检测组件B用于检测排种盘型孔A内的种子是否排出;通过对落种口前后排种盘型孔内种子状态的变化，间接判定落种情况。检测装置采用小型化结构设计，光电传感元件选用3mm直径的红外发射管和红外接收管，信号处理板以TSSOP20封装的STC8G1K08单片机为信号处理核心，采用分布式组合PCB设计方案，以进一步减小空间占用，检测装置的外壳与排种器壳体紧密贴合、牢固连接。复合检测传感器由光电检测组件A、光电检测组件B、信号处理板、信号连接板以及外壳组成，如图3所示。由于光电检测组件A和光电检测组件B分别位于落种口的前后两侧，而落种口处于整个排种器的最低位置，光电检测组件A及光电检测组件B的安装位置均高于落种口，具备充足的安装空间，且落种检测装置的壳体经过专门设计，与排种器的外壳紧密贴合安装，进一步提高了检测精度。为了适应作业环境，提高工作可靠性，要求复合检测传感器应具备防水、防尘、耐冲击、耐温变等诸多特性，故采用环氧树脂灌封工艺，对复合检测传感器内的电路板以及电子元件进行灌封。环氧树脂的型号为Hasuncast128FR，属于进口导热阻燃柔性环氧树脂，其散热性能较好，封装效果牢固，操作简便易行，可以显著提高防护性能。图4为完成灌封之后的复合检测传感器实物照片。其采用3P防水连接器与外部信号线缆连接，同时预留有板载单片机编程接口。

1．3工作原理

排种盘外圈均布有5个大小相同的型孔，在作业状态下，通过充种区之后的每个型孔内均填充有1粒种子，如图5所示。随着排种盘的转动，型孔A内的种子首先通过位于落种口之前的光电检测组件A，由于种子对红外光具有遮挡作用，光电检测组件A的发射端发出的红外光只能通过种子与型孔间的缝隙到达光电检测组件A的接收端，将产生的接收信号有效持续时间记作t1;此后，种子逐渐下落，直至完全脱离其原来填充的型孔A从落种口排出，又通过位于落种口之后的光电检测组件B;此时，型孔A内已经没有种子填充，光电检测组件B的发射端发出的红外光通过整个型孔到达光电检测组件B的接收端，这里将产生的接收信号有效持续时间记作t2;正常作业时，在单位时间内排种盘可视为匀速运转，因此易知t1＜t2，并且光电检测组件B检测到的每个型孔对应的接收信号有效持续时间t2的数值应趋于一致，其平均值接近于某一常量C，该常量的数值与排种盘的转速成反比。通过台架模拟试验获知，当t1＜C×85%时，可以有效判定产生了一次落种过程。由于实际作业时存在排种盘空转以及作业速度上的差别，单纯通过对接收信号有效持续时间t1和t2的数值进行判定，无法得出正确的落种计数结果。在此，采用相对判定法，即借助单片机作为智能核心，将2只光电检测组件的接收信号连至单片机，通过对光电检测组件B检测到的每个型孔对应的接收信号有效持续时间t2的平均值C进行实时测算。当光电检测组件A检测到的每个型孔对应的接收信号有效持续时间t1＜C×85%时，判定为1次落种信号有效，由单片机模拟发出1个时长为5ms的脉冲信号，作为落种检测装置的信号输出。

2信号处理系统的软硬件设计

为克服播种机作业场合的多尘、震动、电压波动、长时间满负荷连续作业等不利条件，兼顾满足工作可靠性、兼容性和性价比等要求，以及满足小体积、低功耗、低价格等设计指标，在设计时考虑如下因素。2．1．1控制核心的选择考虑性能要求以及成本控制，选用STC8G1K08单片机作为控制核心。该芯片由深圳STC宏晶科技公司出品，具有完全自主知识产权，其主要参数如下:(1)超高速8051内核(1T)，比传统8051约快12倍以上;(2)指令代码完全兼容传统8051;(3)16个中断源，4级中断优先级;(4)支持在线仿真;(5)工作电压为1．9～5．5V;(6)工作温度为－40～85℃(7)Flash存储器:最大17K字节;(8)FLASH程序存储器(ROM)，用于存储用户代码;(9)支持用户配置EEPROM大小，512字节单页擦除，擦写次数可达10万次以上;10)支持在系统编程方式(ISP)更新用户应用程序，无需专用编程器;(11)支持单芯片仿真，无需专用仿真器。初步测试结果表明:该芯片具有功能丰富、可靠性高、编程容易、价格低廉等诸多优点，完全适用于本应用场合。2．1．2电源系统的设计通常机具配套使用的拖拉机的电源电压分为直流12V和直流24V两种，而STC8G1K08单片机的工作电压为5V，故直流供电电路选用成熟可靠的78MXX系列芯片完成电压转换，即同时引入78M10和78M07前后两级稳压和阻容滤波电路，以降低电源输出的纹波系数，避免尖峰干扰，提升供电质量，减少散热负荷，从而提高供电电路的可靠性，并延长使用寿命。

3提高可靠性及兼容性的相关设计

为了进一步提高电路板的工作可靠性，芯片选用3测试结果复合检测传感器的性能测试通过排种器性能试验台来完成，试验台的外观如图9所示。排种器安装在试验台架上，通过步进电机驱动运转，其转速通过步进电机控制器调节，模拟作业速度分别为5．2km/h和7．8km/h，与实际作业速度相符。测试结果如表1表1、表2中的实际值为人工点验计数的结果，受种子外形形状和尺寸等个体差异影响，不可避免地存在着一定的计量误差。由于落种判断算法的限制，误差只能是负偏差。由测试结果可以看出:传感器的计数精度较高，最大计数误差＜2%，完全可以满足使用要求。

4结论

(1)提出的复合检测方法可应用于低位排种配置方式的排种器，能够解决排种器落种状态的实时检测难题，尤其适用于甜菜、油菜等小粒(丸粒化)种子的检测需求。(2)在通常采用的对射式光电检测原理的基础之上，借助于STC8G1K08－38I－TSSOP20单片机完成对落种口前后排种盘型孔充种状态的变化分析，从而实现对落种过程的间接判定，是一种颇具创新性的大胆突破，为探索低位排种方式下落种状态的有效检测做出了有益尝试。(3)采用了针对性结构设计以及软硬件相结合的设计方案，提升了落种检测传感器的智能化水平和检测精度，提高了整个机具的作业性能和自动化水平，是智能化技术在多点检测、实时检测和复合检测等应用场合的典型应用，可为具有相似检测需求的农机具传感部件的研制和开发提供全新思路及成功范例，值得普及推广。

参考文献:

［1］刘春旭．红外反射式播种机电子监测装置的设计［J］．农机化研究，2010，32(6):117－120．

［2］刘春旭．智能播种监视系统的研制及产品化设计［J］．农机化研究，2012，34(8):69－72．

作者:刘春旭 徐涛 朱炫铭 单爱军 单位:黑龙江省农业机械工程科学研究院