劉翔宇 叢錦玲 坎雜 紀(jì)超

摘要：排種器是播種機(jī)的核心部件，其性能穩(wěn)定性直接影響播種作業(yè)質(zhì)量。實(shí)際工作過程中，由于排種器通常處于密閉狀態(tài)，無法通過人工直接觀測其作業(yè)質(zhì)量，若發(fā)生斷條漏播等問題將嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量。針對中、小粒徑作物開發(fā)了一種基于反射光電感應(yīng)的精量播種機(jī)漏播監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用FS-V11漫反射式光放大器獲取排種脈沖信號(hào)，準(zhǔn)確度高、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)。設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)MSP430F149的信號(hào)處理電路，并以落種時(shí)長為基準(zhǔn)，規(guī)劃了種粒監(jiān)測軟件流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件硬件集成。以小麥精量排種器為例，進(jìn)行漏播監(jiān)測試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為 30 r/min 時(shí)，監(jiān)測精度為95.5%；當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速在30～45 r/min之間隨機(jī)變速時(shí)，監(jiān)測精度為93.5%。

關(guān)鍵詞：反射式光電感應(yīng)；小麥；漏播監(jiān)測系統(tǒng)；排種器

中圖分類號(hào)： S223.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）11-0164-03[HS）][HT9.SS]

精量排種器是播種機(jī)的核心部件，排種器出現(xiàn)的漏播現(xiàn)象嚴(yán)重影響了播種作業(yè)的質(zhì)量。在精量播種技術(shù)的發(fā)展過程中，排種器漏播性能監(jiān)測是重要的研究方向之一[1]。國外對播種漏播監(jiān)測系統(tǒng)的研究進(jìn)展較快，美國約翰迪爾公司生產(chǎn)的Maxemerge Planters系列精量播種機(jī)已投入生產(chǎn)使用，其技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)測精度較高[2]。國內(nèi)對精量排種器漏播監(jiān)測系統(tǒng)的研究則較為緩慢，20世紀(jì)90年代隨著51單片機(jī)的普及，精量排種器漏播監(jiān)測系統(tǒng)方面的研究才開始出現(xiàn)[3]。在漏播監(jiān)測的識(shí)別中，主要識(shí)別對象為玉米[4-5]、馬鈴薯[6]等中、大粒徑作物種子，針對中、小粒徑種子和田間作業(yè)拖拉機(jī)變速情況下的漏播監(jiān)測研究較少。

目前，漏播監(jiān)測系統(tǒng)使用的監(jiān)測方法主要有光電感應(yīng)法和機(jī)器視覺法[8-9]。機(jī)器視覺法的監(jiān)測精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適應(yīng)復(fù)雜的田間工作環(huán)境；光電感應(yīng)安裝簡單，穩(wěn)定性較好，應(yīng)用較為普及。本研究設(shè)計(jì)了一種基于反射式光電感應(yīng)的漏播監(jiān)測系統(tǒng)，針對中、小粒徑作物播種，解決田間惡劣的工作環(huán)境造成的不規(guī)則振動(dòng)、變速時(shí)信號(hào)拾取誤差等問題。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括實(shí)播信號(hào)采集電路、信號(hào)濾波處理電路、報(bào)警電路、顯示電路；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括排種器信息采集中斷子程序、報(bào)警顯示子程序及漏播識(shí)別算法。

1監(jiān)測原理

應(yīng)用反射式光電感應(yīng)技術(shù)對種子掉落進(jìn)行監(jiān)測和標(biāo)準(zhǔn)排種脈沖的拾?。粦?yīng)用單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)讀取以及采集，并對信號(hào)進(jìn)行分析處理。

監(jiān)測部分設(shè)計(jì)分為2點(diǎn)：（1）傳感器的選型，選擇基恩士FS-V11漫反射式光放大器；（2）監(jiān)測接口設(shè)計(jì)，如圖1所示，采用柔性軟彎管，使種子下落過程中沿管壁滑落，滑落過程中種子通過監(jiān)測接口的速度及位置變化較小，可提高監(jiān)測的準(zhǔn)確度。

對應(yīng)排種盤的型孔位置，在排種盤傳動(dòng)鏈輪均布反光測試點(diǎn)，當(dāng)排種盤傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，激光束獲取反光點(diǎn)信號(hào)，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器對2粒種子的投落時(shí)間進(jìn)行精確識(shí)別。

2監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)精量排種器的工作原理對漏播監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示，監(jiān)測系統(tǒng)主要由排種器信息采集部分、信息處理部分、顯示報(bào)警部分組成。應(yīng)用反射式光纖傳感器獲取實(shí)際播種序列脈沖和標(biāo)準(zhǔn)排種脈沖，引入濾波處理電路對信號(hào)進(jìn)行濾波以及信號(hào)放大，配合單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)排種脈沖信號(hào)間隔；運(yùn)用MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，應(yīng)用1602液晶顯示器顯示播種合格率；電源由拖拉機(jī)車載蓄電池轉(zhuǎn)換成12 V直流電提供。

2.1落種信號(hào)拾取

在落種信號(hào)的拾取過程中，設(shè)計(jì)了一種單側(cè)安裝調(diào)試傳感[CM（25]器的監(jiān)測接口監(jiān)測范圍和盲區(qū)，如圖3所示。單片機(jī)選擇[CM）]

下沿中斷的觸發(fā)方式，在無種子通過時(shí)，監(jiān)測傳感器輸出高電平；當(dāng)有種子通過時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通，輸出低電平；經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，輸出單片機(jī)可以識(shí)別的電壓值信號(hào)輸出到單片機(jī)P1.1引腳進(jìn)行信號(hào)讀取。

2.2排種盤轉(zhuǎn)速獲取

霍爾傳感器在監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)投種脈沖間隔的過程中存在以下問題：電機(jī)運(yùn)行的過程中造成的噪聲干擾，無法準(zhǔn)確識(shí)別；小麥精量播種中，粒距在7～10 cm之間[13]，排種盤型孔間隔為9°，2個(gè)磁鐵在排列如此密集的情況下，磁場會(huì)互相影響，無法準(zhǔn)確識(shí)別。因而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用排種器傳動(dòng)鏈輪貼合反光點(diǎn)與排種盤型孔一一對應(yīng)的方式，通過監(jiān)測2個(gè)反光點(diǎn)間的間隔來獲取落種的標(biāo)準(zhǔn)排種脈沖。光電傳感器所輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算放大器對信號(hào)進(jìn)行放大處理，轉(zhuǎn)換單片機(jī)可以讀取的電壓值，輸入到單片機(jī)的P3.1引腳進(jìn)行信號(hào)采集，由單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)，由公式計(jì)算出當(dāng)前排種盤的轉(zhuǎn)速。

2.3顯示報(bào)警

針對小麥的精量播種性能監(jiān)測，本系統(tǒng)以漏播指數(shù)為核心參考數(shù)據(jù)，對漏播進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及報(bào)警。通過單片機(jī)P4.1引腳對LED燈和蜂鳴器進(jìn)行控制。漏播指數(shù)過高時(shí)，P4.1引腳輸出高電平，紅色LED燈發(fā)光，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3監(jiān)測軟件流程設(shè)計(jì)

監(jiān)測軟件流程設(shè)計(jì)如圖4所示。播種機(jī)工作開始時(shí)，排種器需要經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)周后才會(huì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。若把此部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測的漏播率偏高，出現(xiàn)誤報(bào)警的情況。設(shè)計(jì)算法中做出相應(yīng)調(diào)整：以光電開關(guān)第1次得到信號(hào)后進(jìn)行周期計(jì)數(shù)，落種時(shí)間由種子通過光電開關(guān)時(shí)獲取標(biāo)準(zhǔn)投種脈沖進(jìn)行記錄。[FL）]

對落種進(jìn)描過程中的時(shí)間間隔進(jìn)行判別：設(shè)計(jì)落種的時(shí)間間隔超過1.5t0時(shí)，識(shí)別為漏播數(shù)k+1；設(shè)計(jì)落種的時(shí)間間隔超過3t0時(shí)，識(shí)別為漏播數(shù)k+2；以此類推，當(dāng)超過 4.5t0 時(shí)，程序終止并發(fā)出報(bào)警反饋。

4對比試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)材料

以氣吸式小麥精量排種器為監(jiān)測對象，種子為新疆適播的新冬8號(hào)小麥種子。試驗(yàn)地點(diǎn)為石河子大學(xué)排種器性能監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室，利用JPS-12排種器計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測試驗(yàn)臺(tái)開展監(jiān)測對比試驗(yàn)，監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。

4.2排種器試驗(yàn)臺(tái)對比試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，對監(jiān)測系統(tǒng)在變速條件下的監(jiān)測精度進(jìn)行測量，以獲取影響排種器工作狀態(tài)的因素。

JPS-12機(jī)器視覺技術(shù)排種器性能試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)種子粒距、合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、變異系數(shù)等參數(shù)監(jiān)測。試驗(yàn)以JPS-12排種器試驗(yàn)臺(tái)所提供的指標(biāo)為基準(zhǔn)與本研究的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以排種器轉(zhuǎn)速為單因素考核漏播性能。以排種器轉(zhuǎn)速為30～45 r/min、轉(zhuǎn)速增量為 5 r/min 進(jìn)行漏播精確度測試，結(jié)果如表1所示。

以排種器轉(zhuǎn)速為30～45 r/min隨機(jī)變速進(jìn)行漏播精確度測試，結(jié)果如表2所示。

對漏播值和實(shí)際漏播值的單因素線性回歸分析，由表3可知，相關(guān)系數(shù)r為0.987；擬合優(yōu)度r2為0.974，調(diào)整后擬合優(yōu)度r2為0.972，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差為1.77。由表4可知，F(xiàn)值為663.284，P值為0.000，說明得到的回歸模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由表5可知，常量為10.232，實(shí)際值系數(shù)為0.839，t為 3.083，P=0.000，可得到一元線性回歸方程為y=0.839x+10.232，回歸曲線與擬合三點(diǎn)圖如圖6所示。綜上所述，監(jiān)測數(shù)據(jù)具備實(shí)際的統(tǒng)計(jì)意義，本研究設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測值可以由實(shí)際的漏播值反映出來，兩者的線性擬合度良好。

5結(jié)論

基于播種機(jī)在田間的實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)了一種基于光電感應(yīng)的氣力式小麥精量排種器漏播監(jiān)測系統(tǒng)，通過光電感應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)投種脈沖和實(shí)際投種脈沖進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果證明，本研究設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精播監(jiān)測及顯示功能、濾波處理及漏播分析功能、故障報(bào)警功能等，利用反射式光電感應(yīng)，優(yōu)化了標(biāo)準(zhǔn)脈沖，提高了變速運(yùn)行中的監(jiān)測精度，在排種器轉(zhuǎn)速為30～45 r/min隨機(jī)變速的情況下監(jiān)測精度為93.5%；在勻

測、實(shí)時(shí)反饋、實(shí)時(shí)提醒，保證工作效率和作業(yè)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]李丹，耿端陽，馬炳騰，等. 玉米精密播種機(jī)性能監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013（11）：71-74.

[2]Kocher M F，Lan Y，Chen C，et al.Opto-electronic sensor system for rapid evaluation of planter seed spacing uniformity[J]. Transactions of the ASAE，1998，41（1）：237-245.

[3]孫全芳，戴玉華，劉東利. 精密播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2005（4）：60-62.

[4]和賢桃，郝永亮，趙東岳，等. 玉米精量排種器排種質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（10）：19-27.

[5]紀(jì)超，陳學(xué)庚，陳金成，等. 玉米免耕精量播種機(jī)排種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（8）：1-6.

[6]孫偉，王關(guān)平，吳建民. 勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器漏播監(jiān)測與補(bǔ)種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（11）：8-15.

[7]李明，丁幼春，廖慶喜. 氣力式油菜精量排種器田間漏播監(jiān)測方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（增刊1）：27-31.

[8]叢錦玲，余佳佳，曹秀英，等. 油菜小麥兼用型氣力式精量排種器[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（1）：46-52.

[9]張繼成，陳海濤，歐陽斌林，等. 基于光敏傳感器的精密播種機(jī)監(jiān)測裝置[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，53（2）：265-268.[ZK）]

[10]亢武俠，亢冰潔，王少杰，等. 小麥精量播種高產(chǎn)栽培技術(shù)[J]. 種業(yè)導(dǎo)刊，2011（8）：22-23.[ZK）][HT][HJ][FL）]