印 祥，解春季，李玉環(huán)，何 珂，孟鵬祥，耿端陽

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

智能化排種器性能檢測試驗(yàn)臺研制

印 祥，解春季，李玉環(huán)，何 珂，孟鵬祥，耿端陽

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

針對目前排種器性能檢測試驗(yàn)臺存在的成本高、檢測精度差和檢測不全面等問題，設(shè)計(jì)了可移動智能化排種器性能檢測試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺由直流電機(jī)驅(qū)動、msp430單片機(jī)控制、紅外傳感器檢測及編碼器測速等系統(tǒng)組成，液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示排種器的播種量、漏播率及重播率等性能參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)排種器檢測指標(biāo)的在線、精準(zhǔn)檢測。利用指夾式排種器對該試驗(yàn)臺的工作性能和傳統(tǒng)帶式試驗(yàn)臺進(jìn)行了檢測對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：播種量統(tǒng)計(jì)檢測的誤差值小于1.4%，漏播率的檢測結(jié)果相對誤差小于2.6%，重播率檢測結(jié)果相對誤差小于2.0%。對比試驗(yàn)表明，試驗(yàn)臺具有很好的可靠性和準(zhǔn)確性，為其使用與推廣提供了保障。

排種器；試驗(yàn)臺；智能化；紅外傳感器；編碼器

0 引言

排種器性能檢測試驗(yàn)臺作為檢測排種器性能的專用裝置，其精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性對排種器的檢測具有重要的意義[1]。目前，其形式有兩種，即仿制前蘇聯(lián)的帶式排種器性能試驗(yàn)臺[2-3]和計(jì)算機(jī)控制排種器檢測試驗(yàn)臺[4-7]。其中，帶式排種器性能檢測試驗(yàn)臺由北京市農(nóng)機(jī)所研制，采用光電掃描采樣和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，具有較高的檢測精度和效率；計(jì)算機(jī)控制排種器檢測試驗(yàn)臺是黑龍江農(nóng)機(jī)院和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位都有研制，采用壓電、聲電傳感器，通過惠斯登電橋和比較放大器進(jìn)行信號變換，代表落粒脈沖的電壓矩形波被送到單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)和計(jì)數(shù)器，可檢測每兩次落種之間的時(shí)間，并通過軟件設(shè)計(jì)檢測單粒排種器排種的重播率、漏播率等性能參數(shù)，最后將結(jié)果從顯示器顯示出來。但這些試驗(yàn)臺普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、測試過程繁瑣及檢測指標(biāo)不全面等問題，對其推廣有一定的影響。

針對上述問題，借助當(dāng)前的光電傳感器檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[8-10]，設(shè)計(jì)了價(jià)格低廉、測試方便及精準(zhǔn)高效的可移動簡易智能化排種器性能檢測試驗(yàn)臺。

1 試驗(yàn)臺構(gòu)成

結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外排種器檢測裝置的研究現(xiàn)狀，開發(fā)了如圖1所示的智能排種器性能檢測試驗(yàn)臺，其主要由MSP430單片機(jī)、紅外檢測單元、排種器、調(diào)速器、液晶顯示屏及編碼器等組成。試驗(yàn)臺由直流電機(jī)驅(qū)動待檢排種器，通過紅外傳感器對其播種量進(jìn)行檢測，編碼器測速，再經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理得到重播、漏播等指標(biāo)，并將結(jié)果在液晶顯示屏實(shí)時(shí)在線顯示。

1．剎車輪 2.機(jī)架 3.紅外檢測裝置 4.排種器 5.調(diào)速器 6.種箱 7.液晶顯示屏 8.編碼器 9.調(diào)速電機(jī) 10.集種箱圖1 智能化排種器性能檢測試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Intelligent performance test bench of seed-metering device

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片的選型與電路設(shè)計(jì)

依據(jù)本檢測系統(tǒng)的功能要求，結(jié)合當(dāng)前單片機(jī)的發(fā)展趨勢及性價(jià)比等要求，本研究選擇了MSP430單片機(jī)為主控制芯片。該芯片主要由驅(qū)動模塊、時(shí)鐘源模塊、影像模塊和數(shù)據(jù)計(jì)算模塊等組成，其系統(tǒng)模塊電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of single chip microcomputer system

2.2 紅外檢測單元

為了能夠準(zhǔn)確監(jiān)測排種器排種的數(shù)量，本系統(tǒng)采用紅外發(fā)光二極管(選用波長為940nm紅外線發(fā)射管)和紅外接收管作為監(jiān)測元件，以種子通過光線作為監(jiān)測電信號，實(shí)現(xiàn)物理信號和電信號的轉(zhuǎn)換。為了提高系統(tǒng)檢測的抗干擾性，本系統(tǒng)對所用紅外光線進(jìn)行脈寬調(diào)制，即將發(fā)光二極管按照脈寬8μs，脈沖周期130μs，有效提高了監(jiān)測精度和對外光線的抗干擾能力。其紅外發(fā)射管與接收管電路連接如圖3所示。

圖3 播量檢測傳感器電路圖Fig.3 Seeding amount detection sensor circuit diagram

2.3 編碼器測速單元

為了實(shí)現(xiàn)排種器在不同作業(yè)速度下性能的穩(wěn)定性檢測，本系統(tǒng)增設(shè)了以編碼器測速為基礎(chǔ)的控速系統(tǒng)，對作業(yè)速度進(jìn)行控制。系統(tǒng)選擇增量式編碼器作為測速裝置。即利用光電碼盤對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試，然后經(jīng)過發(fā)光二極管等電子元器件組成的檢測裝置可以檢測輸出若干個(gè)脈沖信號，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)光電編碼器輸出脈沖數(shù)測得電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)排種器轉(zhuǎn)速的控制。其硬件電路連接圖如圖4所示，控速系統(tǒng)的速度輸入界面如圖5所示。該試驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)速度的精確模擬，達(dá)到對排種器不同作業(yè)速度的性能檢測。

圖4 編碼器電路連接圖Fig.4 Encoder circuit connection diagram

圖5 速度輸入界面圖Fig.5 Speed input interface diagram

3 控制流程與系統(tǒng)功能

依據(jù)排種器的檢測要求，本系統(tǒng)開發(fā)了播種量、重播率、漏播率等檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)為主控設(shè)備，利用CCS編寫程序，以顯示屏為輸入、輸出設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。系統(tǒng)初始化開始工作，種子經(jīng)過紅外檢測裝置實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)功能；編碼器實(shí)現(xiàn)測速并由控速系統(tǒng)模擬不同速度的工作狀態(tài)，經(jīng)過單片機(jī)主控單元的計(jì)算分析，最終由液晶顯示屏對檢測結(jié)果進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)在線檢測。

3.1 播種量統(tǒng)計(jì)

播種量的統(tǒng)計(jì)是通過種子經(jīng)過紅外傳感器時(shí)遮擋光線的次數(shù)來統(tǒng)計(jì)。即當(dāng)種子經(jīng)過紅外光線，傳感器發(fā)出的光束受到種子的遮擋發(fā)出電信號，接收管返回低電平，沒有種子經(jīng)過時(shí)，返回值為高電平，單電機(jī)通過比較電平的高低判斷種子是否經(jīng)過，完成計(jì)數(shù)。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 System work flow chart

3.2 漏播率、重播率、株距統(tǒng)計(jì)

當(dāng)排種器工作時(shí)，由安裝在排種口的紅外檢測裝置對種子通過傳感器的時(shí)間序列進(jìn)行檢測，如圖7所示。

圖7 時(shí)間序列圖Fig.7 Time series chart

依據(jù)相鄰兩粒種子的時(shí)間間隔，可得

Δti=tn,i-tn-1,i

(1)

由該時(shí)間間隔與該速度下種子的理論間隔時(shí)間t進(jìn)行比較，當(dāng)Δti<1/2t時(shí)，表示出現(xiàn)了漏播，則

Nn1=Nn1-1+1

(2)

式中Nn1-1—漏播初始值。

Nn—漏播總數(shù)。

漏播率為

(3)

式中Nn—排種量。

當(dāng)Δti>(1+1/2)t時(shí)，表示出現(xiàn)了重播，則

Nn2=Nn2-1+1

(4)

式中Nn2-1—重播初始值；

Nn—重播總數(shù)。

重播率為

(5)

式中Nn—排種量。

最終，所有的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)的處理，在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，測試方便，結(jié)果直觀可靠。

4 對比試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為了檢測該智能檢測試驗(yàn)臺的精度，對其進(jìn)行了以指夾式排種器為性能檢測對象和傳統(tǒng)帶式試驗(yàn)臺的對比試驗(yàn)，以驗(yàn)證其檢測性能的可靠性及準(zhǔn)確性。

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1)試驗(yàn)時(shí)間：2016年10月20日-25日。

2)試驗(yàn)地點(diǎn)：山東理工大學(xué)農(nóng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)室。

3)試驗(yàn)裝置：本研究所開發(fā)的智能化排種器性能檢測試驗(yàn)臺，如圖8所示。

4)試驗(yàn)對象：指夾式排種器。

5)試驗(yàn)指標(biāo)：按照GB/T6937-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，包括排種量Nn、漏播率m和重播率n。

4.2 試驗(yàn)方案

分別在本智能化排種器性能檢測試驗(yàn)臺和傳統(tǒng)帶式試驗(yàn)臺上對同一指夾式排種器在相同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行檢測試驗(yàn)，每20s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)，對排種器的排種量、漏播率和重播率等性能指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 播種量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

播種量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 播種量統(tǒng)計(jì)對比試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)可知，本試驗(yàn)臺播種量統(tǒng)計(jì)檢測系統(tǒng)的誤差值小于1.4%，而傳統(tǒng)帶式檢測試驗(yàn)臺檢測誤差基本大于本試驗(yàn)臺的檢測誤差，表明本試驗(yàn)臺的播種量統(tǒng)計(jì)更為精準(zhǔn)可靠。

4.3.2 漏播率、重播率統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

排種器的漏播率、重播率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 漏播率的對比試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

表3 重播率的對比試驗(yàn)結(jié)果

對比試驗(yàn)可知，本試驗(yàn)臺對排種器的漏播率的檢測結(jié)果相對誤差小于2.6%，重播率的檢測結(jié)果相對誤差小于2.0%。這表明，本試驗(yàn)臺與傳統(tǒng)帶式試驗(yàn)臺的檢測結(jié)果基本一致，所得數(shù)據(jù)可靠，可用于對排種器的性能檢測。

5 結(jié)論

1) 研制了能夠快速、準(zhǔn)確地檢測排種器性能的智能化排種器性能檢測試驗(yàn)臺。

2) 該試驗(yàn)臺可以實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的在線顯示，其檢測指標(biāo)包括排種器排種量、重播、漏播等性能指標(biāo)，精度可以到達(dá)準(zhǔn)確率>97%，誤報(bào)率<3.0%，提高了檢測結(jié)果的直觀性和準(zhǔn)確性。

3) 檢測系統(tǒng)借助當(dāng)前的光電傳感器檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，較傳統(tǒng)的帶式檢測試驗(yàn)臺降低成本70%以上，更具有推廣價(jià)值。

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Development of Intelligent Testing Device for Performance of Seed Metering Device

Yin Xiang, Xie Chunji, Li Yuhuan, He Ke, Meng Pengxiang, Geng Duanyang

(Agricultural Engineering and the Institute of Food Science, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China)

Aiming at solving the problems of high cost，poor detection precision and the incomprehensive detection of the current seed metering device performance test-bed, a portable intelligent seed metering device performance test platform was designed. The test platform consists of a DC motor driving system, an msp430 microprocessor-based controlling system, an infrared sensor detecting system and an encoder speed-testing system with an LED screen displaying seeding quantity, missing seeding rate, replay rate and planting distance in real-time, which ensures the on-line precise test of the detection index. The serviceability of this test platform was compared with that of the traditional one in comparison test with finger clip-on seed metering device. Results showed that the error of statistical detection of the seeding quantity was less than 1.4%. The relative error of the detection result of miss seeding rate was less than 2.6%, and the relative error of the detection result of the replay rate was less than 2.0%. The result of comparison test indicates that the test platform was of high reliability and accuracy, which ensured the use and publicity of the test platform.

seed metering device; test platform; intelligent control; infrared sensor; encoder

2016-12-27

山東省農(nóng)機(jī)化裝備研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目(NGJJ201502)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610433060)

印 祥(1982-)，男，山東東營人，講師，(E-mail)666513@163.com。

耿端陽(1969-)，男，山東淄博人，教授，(E-mail)dygxt@sdut.edu.cn。

S223.2；S237

A

1003-188X(2018)02-00119-05