王彩英，李 平

(1.包頭輕工職業(yè)技術學院 能源工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.寧夏大學 化學化工學院，銀川 750021)

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馬鈴薯播種機排種機械化種植技術研究

王彩英1，李 平2

(1.包頭輕工職業(yè)技術學院 能源工程學院,內(nèi)蒙古 包頭 014035；2.寧夏大學 化學化工學院，銀川 750021)

馬鈴薯是我國一種重要經(jīng)濟作物，在我國有較大的種植規(guī)模。為實現(xiàn)馬鈴薯種植的機械化，基于傳感器和單片機技術，結(jié)合現(xiàn)有的馬鈴薯播種機，設計了一種新的排種系統(tǒng)，以解決馬鈴薯播種過程中的漏播和重播問題。該排種系統(tǒng)由操作顯示屏、速度感應裝置、數(shù)據(jù)分析模塊、擋板控制器和報警裝置幾個部分組成。工作時，通過速度感應裝置獲取播種機的行進速度，然后由數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)所設定的播種株距計算擋板開關的頻率并進行控制，以達到精準播種的效果。對裝載該排種系統(tǒng)的馬鈴薯播種機在4種不同行進速度工作時，進行薯種漏播率、直播率和株距數(shù)據(jù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)漏播率和重播率都很低，遠遠小于行業(yè)標準，且種植的株距與設定值差異很小，具有較高的精確性，能夠很好地滿足馬鈴薯種植的要求；其行進速度在0.8m/s左右時，種植質(zhì)量和作業(yè)效率同時達到最佳。

馬鈴薯；機械化種植；排種

0 引言

馬鈴薯俗稱土豆，是世界第四大糧食作物，其塊莖中富含淀粉、維生素和氨基酸，具有很高的營養(yǎng)價值。馬鈴薯對環(huán)境的適應性強、營養(yǎng)豐富、口感好、加工食用方式多樣，因此成為歐洲一些國家的主食。我國在16世紀便已經(jīng)開始種植馬鈴薯，種植規(guī)模增長很快，至今已成為馬鈴薯種植面積、產(chǎn)量和消費的第一大國。

隨著我國農(nóng)村勞動力向城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)移及人口老齡化的加速，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本都面臨日益嚴峻的挑戰(zhàn)。推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化是解決這一問題的有效途徑，也符合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。馬鈴薯種植時勞動強度大，對機械化的需求較為迫切。發(fā)達國家馬鈴薯種植機械化率達到70%，而我國馬鈴薯機械化種植的普及面很小，僅占到1%，與馬鈴薯的第一大生產(chǎn)國身份不相符。因此，馬鈴薯種植相關機械的研制和改進具有重要的現(xiàn)實意義和巨大的市場需求。

馬鈴薯種植全程所需的機械主要有播種機和收獲機，大部分播種機集開溝、施肥、播種、覆土、起壟、鎮(zhèn)壓和覆膜等多種功能于一體，極大地降低了馬鈴薯種植的勞動強度和繁瑣程度。我國馬鈴薯播種機的研制起步較晚，在早期從國外引進了一些型號，但對我國不同種植地區(qū)條件的適應性差、成本較高且售后保障困難，導致沒有得到大規(guī)模的應用[1]。但是，通過對引入機械的分析研究，科研人員開發(fā)出了適合我國具體國情的各種型號馬鈴薯播種機[2-5]。

播種過程不傷種、深淺一致、行距均勻是對馬鈴薯播種機的基本要求。不同型號馬鈴薯播種機的性能差異主要體現(xiàn)在株距均勻程度、漏播率和重播率上，而這3項指標主要是由播種機的核心部件(即排種器)所決定的。排種器對馬鈴薯播種機的作業(yè)效率和播種質(zhì)量有著決定性的影響，其性能高低是播種機設計水平的體現(xiàn)[6]。馬鈴薯播種所用的薯種是塊狀莖，體積較大，因此有其獨特的播種和排種方式。馬鈴薯的播種方式有兩種，包括塊薯播種和整薯播種。塊薯播種是將塊狀莖切成小塊后用于播種，相應的排種方式為薯夾式和針刺式。這種方式操作相對繁瑣，且切口處容易感染病菌導致減產(chǎn)，目前應用較少；整薯播種對種薯的損傷小，操作簡單，適合機械化作業(yè)。整薯播種對應的排種方式有勺式、轉(zhuǎn)盤式、板閥式和傳輸帶式，這些方式都有各自的優(yōu)缺點，其中勺式和傳輸帶式的應用最廣泛。但是，馬鈴薯種薯的大小各異，形狀不一，導致這些機械化排種過程一直存在漏播和重播的問題，影響了馬鈴薯的產(chǎn)量[7]。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向精準化和智能化發(fā)展，各種新興的傳感檢測和計算機視覺等技術開始與農(nóng)業(yè)機械結(jié)合，極大地提高了作業(yè)的效率和質(zhì)量。本文基于傳感器和單片機在自動控制技術中的應用，結(jié)合現(xiàn)有的馬鈴薯播種機，設計了一種新的排種系統(tǒng)，解決馬鈴薯播種過程中的漏播和重播問題，并對其在生產(chǎn)中的實用性進行了檢驗，以期提高馬鈴薯播種機作業(yè)的效率和質(zhì)量，促進我國馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化的發(fā)展。

1 設計原理及結(jié)構(gòu)

1.1 設計原理

新的排種系統(tǒng)裝載于2CM-4型馬鈴薯播種機上，在排種管末端安裝可翻轉(zhuǎn)的擋板，由電磁感應開關進行控制，打開1次時允許1個薯種通過。安裝在播種機地輪上的速度感應裝置獲取播種機的行進速度，然后由數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)所設定的播種株距計算擋板開關的頻率并進行控制，從而達到精準播種的效果。

當排種管因種杯的漏取或重取而出現(xiàn)空管或薯種過多的情況時，位于底部的壓力感應裝置將信號傳遞給數(shù)據(jù)分析模塊，發(fā)出報警，提示人工排除故障。

1.2 總體設計

裝載該排種系統(tǒng)的是2CM-4型馬鈴薯播種機，為牽引式機械，由福田雷沃M1200-D型拖拉機牽引，拖拉機輸出功率88kW。2CM-4型播種機能完成從開溝到噴藥的作業(yè)，一次作業(yè)的播種行數(shù)為4行，行距80cm或90cm，株距在14～45cm之間可調(diào)。其采用了交叉杯的取種播種技術，重播率和漏播率分別小于18%和12%。排種系統(tǒng)包括操作顯示屏、速度感應裝置、數(shù)據(jù)分析模塊、擋板控制器和報警裝置，如圖1所示。

圖1 排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)組成

操作顯示屏裝載在拖拉機上，用于人工操作設定播種的株距、感應裝置的參數(shù)和報警啟動閾值，利用RS233型串口與數(shù)據(jù)分析模塊連接。速度感應裝置是一個安裝在播種機地輪上的YS41F型霍爾元件，通過接受地輪軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁信號來獲得播種機行進的速度，并發(fā)送到數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊的核心部件是MCS-51型單片機，用于接受來自速度感應裝置的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合設定的參數(shù)，采用A/D轉(zhuǎn)換程序計算檔板的開關頻率，發(fā)出控制信號。另外，單片機還接收壓力感應數(shù)據(jù)，若超出設定的閾值，則啟動報警。擋板控制器位于排種管末端，由擋板、電磁感應開關和壓力感應裝置組成。擋板在正常狀況下處于關閉狀態(tài)，電磁感應開關與單片機連接，在通電的瞬間產(chǎn)生磁場打開擋板，斷電后擋板在彈簧的作用下關閉。壓力感應裝置為1個AP402型的壓阻式傳感器，與單片機連接。報警裝置的閾值上下限分別設定為5個和0.2個薯種的質(zhì)量，當超出閾值時，單片機啟動操作顯示屏進行閃爍和聲音報警，提示人工排除故障。

3 試驗與結(jié)果

3.1 試驗地點和試驗設計

檢驗該馬鈴薯排種系統(tǒng)實用性的試驗在福建省福州市的試驗田中進行，土壤類型為砂質(zhì)粘壤土，試驗田面積0.8hm2，用大型機械整理平整。使用的馬鈴薯品種為從云南引入的云薯103，薯種從當?shù)氐氖袌鲑徺I。農(nóng)業(yè)機械為裝載自動排種系統(tǒng)的2CM-4型馬鈴薯播種機，由福田雷沃M1200-D型拖拉機牽引。

設置播種機的播種深度10cm、行距80cm、株距25cm，薯種的質(zhì)量經(jīng)測量在20～30g之間，因此報警裝置的啟動閾值上下限分別設定為100g和4g。將試驗田劃分為4個0.2 hm2的田塊，播種機分別以0.7、0.8、0.9、1.0m/s的速度行進作業(yè)完成播種。在每個田塊中隨機選擇5個長20m的播種區(qū)段調(diào)查薯種漏播率、重播率和株距。

3.2 試驗結(jié)果和分析

裝載該排種系統(tǒng)的馬鈴薯播種機在4種不同行進速度時，對薯種漏播率、直播率和株距調(diào)查數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 排種系統(tǒng)在不同速度下的田間作業(yè)質(zhì)量

由表1可以看出：隨著行進速度的增加，漏播率從3.0%上升到了5.0%，但整體上處于很低的水平，遠遠低于13%的行業(yè)標準。其中，在0.7m/s和0.8m/s速度下的作業(yè)質(zhì)量相對較好，重播率在7.5%～9.0%之間，沒有隨著速度發(fā)生明顯的變化，整體水平也遠遠低于20%的行業(yè)標準。播種的株距隨著速度增加有加大的趨勢，但是整體上的變異系數(shù)偏離25cm設定值的幅度都很小，體現(xiàn)出較高的作業(yè)質(zhì)量。所以，該排種系統(tǒng)在正常速度下的各項指數(shù)都明顯好于行業(yè)標準，具有很好的播種質(zhì)量。若將播種質(zhì)量和效率綜合考慮，則該排種系統(tǒng)的最佳作業(yè)速度為0.8m/s。

4 結(jié)論

田間測試的結(jié)果表明：裝載該排種系統(tǒng)的馬鈴薯播種機作業(yè)產(chǎn)生的漏播率和重播率都很低，遠遠小于行業(yè)標準。種植的株距與設定值差異很小，具有較高的精確性，能夠很好地滿足馬鈴薯種植的要求打破了限制馬鈴薯播種機械化發(fā)展的瓶頸。若要在保證種植質(zhì)量的基礎上兼顧作業(yè)效率，則機械最佳的行進速度應該控制在0.8m/s左右。

該排種系統(tǒng)的各種裝置均簡單輕便，性價比較高，裝載后并沒有明顯增加播種機的體積和質(zhì)量，成本和結(jié)構(gòu)的復雜程度也控制在種植者可以接受的范圍內(nèi)，在馬鈴薯的機械化種植中有廣闊的應用前景。試驗過程中，系統(tǒng)啟動了幾次報警裝置，原因都是排種管中積累的薯種過多而導致壓力超過閾值上限，人工排除故障后系統(tǒng)恢復正常。該研究只選用了一種馬鈴薯品種進行排種試驗，因此該排種系統(tǒng)對馬鈴薯不同品種的適應性有待進一步驗證。另外，可以對系統(tǒng)的部分裝置進行優(yōu)化，使其能與播種機更好地整合，提高其在實際生產(chǎn)中的適應性和可靠性。

[1] 朱維才，崔剛，李神明，等.馬鈴薯播種機械研究[J].農(nóng)業(yè)技術與裝備，2008(8):26-27.

[2] 楊德秋，郝新明，李建東，等.四行懸掛式馬鈴薯播種機虛擬設計與試驗[J].農(nóng)機化研究，2009，31(10):75-78.

[3] 楊金磚，呂金慶，李曉明，等.2CMF-4型旋掛式馬鈴薯播種機的研究 [J].農(nóng)機化研究，2010，32(1):127-130.

[4] 李建東，趙金英，薛方期，等.2CM4B型牽引式馬鈴薯播種機的研制[J].農(nóng)機化研究，2011，33(6):45-48.

[5] 岳群，蔣金琳，戰(zhàn)長齡，等.小型多功能馬鈴薯播種機的設計與試驗 [J].農(nóng)機化研究，2015，37(10):128-131.

[6] 杜宏偉，尚書旗，楊然兵，等.我國馬鈴薯機械化播種排種技術研究與分析[J].農(nóng)機化研究，2011，33(2):214-217.

[7] 李雷霞，李洋，郭勇，等.帶有智能檢測系統(tǒng)的馬鈴薯播種機 [J].農(nóng)業(yè)工程，2012，2(7):24-26.

Research on Mechanized Potato Seed Sowing Technniques

Wang Caiying1， Li Ping2

(1.Baotou Light Industry Vocational and Technology College,Baotou 014035，China; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021,China)

Potato is an important cash crop in China which has a large planting scale. To achieve mechanized production of potato cultivation, the paper-based sensors and microcontrollers used in automatic control technology, combined with the existing potato planter, we designed a new seeding system to solve the potato planting during the broadcast and replay leak problem . The seed metering system consists of several parts operating display, speed sensors, data analysis module, the shutter controller and alarm devices composed.Through the speed sensing device planter travel speed, and then by the data analysis module spacing calculated shutter switch in accordance with the set seeding frequency and controlled to achieve accurate seeding effect. The load on the seeding system potato planter at four different speeds of travel on potato seed sowing leak rate, broadcast rate and spacing data to investigate and found the loaded potato planter seeding system operations generated leakage rate and sowing replay rates are very low, far less than the industry standard. Planting spacing set value difference is small, with high accuracy, can well meet the requirements of potato cultivation. And found that the mechanical control when traveling speed 0.8m/s or so, growing quality and operational efficiency while achieving optimum.

potato; planting mechanization; seeding

2016-06-20

寧夏高等學?？茖W研究項目(NGY2015047)

王彩英(1971-)，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，副教授，高級工程師，碩士，(E-mail)Wancaiying0616@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)10-0141-03