郎 朗，馮曉蓉

(重慶三峽職業(yè)學院，重慶 萬州 404100)

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水稻直播機播種自動控制系統(tǒng)設計與應用

郎 朗，馮曉蓉

(重慶三峽職業(yè)學院，重慶 萬州 404100)

水稻生產(chǎn)在在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有重要的地位，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快、農(nóng)村的勞動力減少和淡水資源的日益缺乏，水稻直播技術應運而生。為此，針對目前國內水稻直播機無法實現(xiàn)均勻播種的問題，設計了一種水稻直播機的播種自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由播種量采集裝置、速度檢測裝置、播種量調節(jié)裝置和報警裝置4個部分組成，采用ST188型紅外光電傳感器，檢測單位時間內經(jīng)過排種管的種子數(shù)量；通過YS41F型霍爾元件計算拖拉機行進速度；用AT89C51型單片機接收采集的播種量和速度信息，計算分析實際播種速度與設定值的差異，然后向調節(jié)裝置森創(chuàng)110BYG250C型步進點機發(fā)出指令。當實際播種速度的偏離值超出允許的誤差范圍時發(fā)出警報，通過單片機輸出，采用聲音加指示燈閃爍報警。對該系統(tǒng)自動控制條播機進行田間旱直播研究，對播種后的水稻株距、株距范圍及水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：與手動控制相比較，該播種自動控制系統(tǒng)在拖拉機不同行進速度下，水稻播種精確度較高，水稻植株分布均勻，水稻產(chǎn)量高。

水稻；直播機；自動控制

0 引言

水稻是亞洲國家主要的糧食作物，是世界上1/2人口的主食。我國水稻的種植面積僅次于印度，居世界第二，而年產(chǎn)量居世界第一。在我國，北至黑龍江，西到新疆，只要有灌溉條件的地區(qū)，都有一定規(guī)模的水稻種植。水稻生產(chǎn)在在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有重要的地位，因我國人口眾多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直是我國的主要產(chǎn)業(yè)，而水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)更與國民生計息息相關。

傳統(tǒng)的水稻種植模式需要育秧和移栽，過程繁瑣，不僅耗時費力，還要消耗大量的水資源。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，我國農(nóng)村的勞動力逐漸向城鎮(zhèn)其他行業(yè)轉移，加之人口老齡化和淡水資源日益缺乏，水稻種植模式亟需從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉變。在種子處理技術、高效整地機械和高效除草劑的支持下，水稻的直播技術應運而生。

水稻直播是一種輕簡化的栽培技術，省去了育秧、起秧、移栽等過程，能節(jié)水20%左右，還能夠節(jié)約勞動成本、提高生產(chǎn)效率和實現(xiàn)增產(chǎn)增收，很好地適應了水稻種植方式發(fā)展的趨勢。目前，水稻的直播技術已經(jīng)形成了多種形式共存的局面，如旱直播和水直播、干谷直播和芽谷直播、條播和穴播等，它們在前期的田塊整理和后續(xù)的栽培管理上也有各自不同的方式[1-2]。

隨著農(nóng)村的勞動人口的減少和人們生活水平的提高，人們對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質量有了更高的要求，實行農(nóng)業(yè)機械化是解決上述問題的有效途徑。水稻的機械化直播技術適合大規(guī)?；a(chǎn)，對節(jié)約人力資源和增加水稻產(chǎn)量具有重要的意義[3]。歐美很多種植水稻的發(fā)達國家都較早地開始了這方面的研究，至今已經(jīng)達到了很高的水平。美國實現(xiàn)了100%的機械化直播，其最高形式為飛機撒播，但這種方式對田塊平整質量和種植規(guī)模要求較高[4-6]。農(nóng)業(yè)機械化是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內容，我國水稻直播機的研發(fā)起步較晚，但是進展迅速，目前已有多種型號的直播機應用到了生產(chǎn)中。代表性的型號有上海的SQ2BD-2型直播機、廣西的2BD-10型小型直播機和江蘇的2BDZ-10型直播機等[7]。水稻直播機按照不同的作業(yè)方式分為旱直播機和水直播機或者條播機和穴播機，分別應用于不同的生長條件和種子特性。

我國水稻種植中的使用的水稻直播機型號很多，存在的普遍問題是結構復雜，性價比和作業(yè)的精確度還有待提高。另外，單個型號的機械在實用性、精確性和高效性上都難以實現(xiàn)很好的統(tǒng)一，存在各自的短板[8]。目前，水稻直播機的一個主要的問題是無法實現(xiàn)均勻播種，即當播種機行進速度變化時，作業(yè)產(chǎn)生的株距會相應地改變，出現(xiàn)重播或漏播[9]。播種的一致性降低，導致水稻不能充分地利用田間的光照、溫度、土壤營養(yǎng)資源，降低了單位面積上的稻谷產(chǎn)量。

本文基于精準農(nóng)業(yè)的興起和農(nóng)業(yè)機械化技術的發(fā)展，結合全球定位、傳感和集成分析技術，設計了一種水稻直播機的直播自動控制系統(tǒng)，并對其在田間的實用性和精確度進行了試驗，以期提高水稻直播作業(yè)的質量和效率，促進水稻直播機械化的發(fā)展。

1 原理及結構

1.1 總體設計

本研究中使用的農(nóng)用機械為東方紅550型輪式拖拉機，標準輸出功率為55kW。牽引的直播機為江蘇的2BG-6A型條播機，作業(yè)幅寬1.2m，條數(shù)6條，播種行距20cm。拖拉機上裝載GPS定位器、操作顯示屏和速度檢測裝置。直播機上裝載播種量采集裝置和步進電機，其驅動的螺絲桿與調節(jié)排種管凹坑長度的連桿相連。光電感應裝置分布在排種管的兩側。該直播機自動控制系統(tǒng)的組成和結構如圖1所示。

圖1 直播機自動控制系統(tǒng)的組成和結構

1.2 原理

直播機按照機載的全球定位系統(tǒng)制定的路線在田間行進，根據(jù)水稻品種特性和種植要求在操作顯示屏上設定直播密度，即水稻植株的間距。種子經(jīng)過排種管播到田間時，被紅外光電傳感器轉化為電脈沖信號，以此計算播種的速度。通過霍爾元件獲取拖拉機的行進速度，再根據(jù)播種的速度計算出播種的密度，并與預設值比較；然后，根據(jù)二者數(shù)據(jù)的差異發(fā)出指令，啟動步進電機正反轉動，調整排種輪上的凹坑長度，使其容納的種子數(shù)目改變，從而達到控制播種密度的目的。若出現(xiàn)卡種等意外情況，導致無法達到設置的播種密度，則啟動報警裝置，提醒人工排除故障。

2 系統(tǒng)組成

整個水稻直播控制系統(tǒng)主要由播種量采集裝置、速度檢測裝置、播種量調節(jié)裝置和報警裝置4個部分組成。

1)播種量采集裝置為ST188型紅外光電傳感器，用于檢測單位時間內經(jīng)過排種管的種子數(shù)量。種子經(jīng)過排種管播到田間時，被紅外光電傳感器捕捉，轉化為1個電脈沖信號，經(jīng)過放大和過濾后傳輸?shù)叫盘柼幚砟K中。

2)速度檢測裝置是安裝在拖拉機上的YS41F型霍爾元件，用來采集離合器輸出軸轉動時產(chǎn)生的脈沖信號，然后輸入信號處理模塊中，計算行進速度。信號處理模塊是AT89C51型單片機，用來接收采集的播種量和速度信息，計算分析實際播種速度與設定值的差異，然后向調節(jié)裝置發(fā)出指令。

3)播種量調節(jié)裝置是森創(chuàng)110BYG250C型步進電機，其驅動一根螺絲桿來調節(jié)排種管凹坑長度，從而調節(jié)播種量。

4)報警裝置在實際播種速度的偏離值超出允許的誤差范圍時發(fā)出警報，通過單片機輸出，采用聲音加指示燈閃爍報警。拖拉機上裝載的操作顯示屏用于顯示和設定實時播種速度及其它相關數(shù)據(jù)。

3 田間試驗與結果

3.1 水稻材料

試驗于2015年在重慶市梁平縣進行，所用水稻品種為連粳3號。該品種為中熟中粳稻，苗期耐寒，早生快發(fā)，分蘗力強，適合在中上等肥力條件下種植。種子經(jīng)過前處理，然后進行干谷的旱直播。

3.2 試驗設計

試驗田塊位于平原區(qū)，灌溉設施完善，面積為0.3km2，前作物為油菜，耕深18cm，用大型機械整理平整。

安裝自動控制系統(tǒng)的拖拉機牽引條播機在試驗田中沿直線行駛，同時進行水稻播種作業(yè)。播種深度3cm，株距分別設定為1.5、1.7、1.9cm；每個深度重復作業(yè)3次，每次的行駛距離為50m，行進過程中適當改變速度但維持在0.8～1.0m/s之間。最后，改為手動控制的狀態(tài)，同樣重復作業(yè)3次。水稻出苗后在每個重復的行駛路線上均勻地選擇6個2m的線段測量水稻株距，待水稻成熟后對不同播種方式的水稻分別收獲測產(chǎn)。

3.3 試驗結果與分析

在自動控制和手動控制條件下，拖拉機牽引的條播機播種作業(yè)后，水稻的實測株距、水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)作圖，直播機在不同株距的自動控制條件下和手動控制條件下的水稻產(chǎn)量變化如圖2所示，水稻實測株距變化如圖3所示。

表1 播種機在不同控制狀態(tài)下的播種株距和產(chǎn)量

* 相同字母表示數(shù)據(jù)間無顯著差異。

圖2 不同控制條件下的直播機實測株距變化

圖3 不同控制條件下的水稻產(chǎn)量變化

由表1和圖2可以看出：條播機在自動控制狀態(tài)下，即使拖拉機的行進速度發(fā)生變化，水稻的株距都符合設定值，株距的范圍也很集中，表現(xiàn)出較高的精確度。從田間狀況來看，水稻植株分布均勻，沒有出現(xiàn)稻苗過度集中或者空缺的田塊，水稻生長態(tài)勢較均一。在手動控制狀態(tài)下，播種株距雖然能被控制在2.0cm左右，但是一致性較差，株距的變化范圍達到0.25cm，與自動控制狀態(tài)相比精確度較低，田間出現(xiàn)了少數(shù)稻苗過于集中或者空缺的田塊，水稻生長態(tài)勢不均一。

由表1和圖3可以看出:條播機在自動控制狀態(tài)下，水稻產(chǎn)量符合預期，3種株距播種的水稻產(chǎn)量之間沒有顯著的差異；而手動控制狀態(tài)下水稻產(chǎn)量與自動控制相比有所降低，達到了顯著差異水平。

4 結論

后續(xù)的產(chǎn)量測定結果表明：采用該直播自動控制系統(tǒng)后，直播稻的產(chǎn)量比其它田塊中有所提高，可能是精確播種的水稻植株分布均勻，通風透光性更好，土壤中營養(yǎng)成分得到充分利用，使得水稻整體得到了充分的生長空間和營養(yǎng)，從而實現(xiàn)了增產(chǎn)。該試驗中用的水稻品種連粳3號粒型大，呈橢圓形，直播機的排種輪凹坑容納的種子粒數(shù)較少。若改播粒型較小的秈稻品種時，凹坑的容量會增加，因此需要更改系統(tǒng)相應的設置。

我國水稻種植面積廣闊，實現(xiàn)水稻播種機械化，有利于減少水稻生產(chǎn)上投入的人力和時間，降低生產(chǎn)成本，并達到水稻增產(chǎn)的目的。當前，水稻的機耕面積和機收面積在逐年增加。若要實現(xiàn)水稻生產(chǎn)的全程機械化，因地制宜地推進機械化直播已是刻不容緩。本文設計的水稻直播自動控制系統(tǒng)，改善了直播機播種精確度這一重要的性能，使其能更好地滿足水稻生產(chǎn)要求，具有較廣闊的應用前景。

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Abstract： Rice production in the country occupies an important position in the agricultural economy, with the accelerated process of urbanization, the rural labor force and to reduce the increasing scarcity of fresh water resources, rice direct seeding technology came into being. For the current domestic rice direct seeding machine can not achieve uniform sowing problem, a seeding system for the automatic control of rice direct seeding machine, the system consists of sowing rate acquisition means, speed detecting device, the seeding rate adjustment means and alarm means four parts, used within ST188 infrared photoelectric sensor to detect the unit time after seeding number of seed tube, calculate the traveling speed of the tractor by YS41F Hall element, receiving the seeding rate and velocity information collected by AT89C51 microcontroller to calculate the speed and analysis of the actual planting setting the difference value, and then issued a directive to the regulator woods create 110BYG250C stepping point machine. Alarm when the actual value deviates from sowing speed exceeds the allowable error range, the microcontroller output by using sound plus lights flashing alarm. The system of automatic control drilling machine dry direct seeding field research on rice spacing after sowing, spacing range, the rice yield data analysis found that compared with manual control, automatic control systems that seeding at different tractor traveling speed, precision seeding rice a high degree of uniform distribution of rice plants, and the rice yield is higer than the automatic control.

ID:1003-188X(2017)10-0153-EA

Rice Direct seeding Automatic Control System Design and Application

Lang Lang, Feng Xiaorong

(Chongqing Three Gorges Polytechnic College, Wanzhou 404100, China)

rice; live machine; automatic control

2016-09-22

重慶市教委科學技術研究項目(KJ1503401)

郎 朗(1983-)，男，重慶萬州人，講師，碩士，(E-mial)langlang0606@163.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)10-0153-03