鄭雯璐，衣淑娟，李抒昊，劉 坤，戈天劍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

在農(nóng)業(yè)高度機(jī)械化的今天，精密播種機(jī)作為主要的農(nóng)器具被廣泛應(yīng)用；但因?yàn)槠錁?gòu)造的封閉性使得人們無(wú)法在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中直觀并及時(shí)監(jiān)測(cè)播種狀態(tài)，一旦發(fā)生漏播、重播等排種故障將會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量造成極大損失[1]。因此，為播種機(jī)配備排種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為精量播種技術(shù)研究的重中之重[2]。

排種器是精密播種機(jī)的核心部件，高精度的播種過(guò)程是確保玉米高產(chǎn)量的重要保障。目前，播種機(jī)排種性能檢測(cè)常用方法有電容信號(hào)、壓電信號(hào)、激光信號(hào)及光電信號(hào)幾大類。就實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，因光電傳感器具有成本低、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，以往研究人員多利用光電法對(duì)排種器排種性能進(jìn)行檢測(cè)[3]。以排種過(guò)程中下落的種粒為監(jiān)測(cè)對(duì)象，當(dāng)種子下落時(shí),種粒受管壁的碰撞、摩擦等因素的影響出現(xiàn)漏播或多粒重播，若傳感器只能產(chǎn)生1個(gè)脈沖, 檢測(cè)重播的誤差較大。

因此，本文設(shè)計(jì)了一套基于光電法的玉米精量播種機(jī)排種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器安放在排種管中部，將3對(duì)射光電傳感器交叉擺放在排種管兩端，目的在于提高排種性能檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)排種管內(nèi)排種監(jiān)測(cè)無(wú)盲區(qū)，對(duì)重播、漏播和堵塞等排種性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與常規(guī)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，得出結(jié)論。

1 主要功能及原理

1.1 種子排種量監(jiān)測(cè)

單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0設(shè)置為計(jì)數(shù)器模式，可實(shí)現(xiàn)播種機(jī)排種量計(jì)數(shù)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1設(shè)置為定時(shí)器模式，用來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警定時(shí)。當(dāng)種子從排種管落下經(jīng)過(guò)種管上安裝的光電傳感器，光敏三極管產(chǎn)生高低電平的變化，接收端每返回一次高電平，計(jì)數(shù)器加1，在顯示屏顯示排種數(shù)量；利用高低電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行邏輯判斷來(lái)監(jiān)測(cè)播種機(jī)是否出現(xiàn)故障。

1.2 漏播和重播警報(bào)

排種器正常工作時(shí)，種子從種箱內(nèi)有序碼入種盤(pán)后下落至排種管內(nèi)，在播種現(xiàn)場(chǎng)由于工況很差，導(dǎo)致出現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象[4]，安裝在排種管中部的傳感器對(duì)種子經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的脈沖變化情況判斷是否發(fā)生漏播和重播[5]。因此，本文利用蜂鳴器對(duì)播種過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行報(bào)警，其受外界影響因素較小，可以在惡劣的環(huán)境中使用，聲光報(bào)警電路如圖1所示。

1.3 作業(yè)工況監(jiān)測(cè)

播種機(jī)上安裝GPS定位系統(tǒng)，按照播種機(jī)的行進(jìn)距離和作業(yè)幅寬，來(lái)計(jì)算播種機(jī)的作業(yè)面積。8～10km/h為播種機(jī)的限定速度，根據(jù)GPS發(fā)出的指令可測(cè)出播種機(jī)的作業(yè)速度是否超速。

1.4 種箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

種箱排空如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則會(huì)導(dǎo)致種子漏播的情況發(fā)生。利用壓敏電阻監(jiān)測(cè)種箱內(nèi)種子情況，安裝在種箱內(nèi)的壓敏電阻阻值受其周?chē)N子量影響，將壓敏電阻安放在種箱中下部，種量充足輸出高電平，種子和壓敏電阻的距離大于9mm標(biāo)準(zhǔn)距離時(shí)，則輸出低電平，持續(xù)低電平2s以上時(shí)，向上位機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，微處理器通過(guò)其電平的變化就可以判斷種箱內(nèi)的狀態(tài)。

圖1 聲光報(bào)警電路圖Fig.1 Sound and light alarm circuit diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

在排種性能檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上，要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的采集、整形濾波、傳輸及顯示和報(bào)警[6]，包括光電傳感器信號(hào)采集處理電路、顯示終端硬件設(shè)計(jì)兩大部分，應(yīng)采用分模塊的方式解決。光電傳感器檢測(cè)到的光電信號(hào)通過(guò)接受調(diào)理電路把數(shù)據(jù)上傳給單片機(jī)，由單片機(jī)通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊傳送給上位機(jī)并進(jìn)行顯示。

2.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

光電傳感器的選型種類繁多，普通發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度不夠，激光二極管發(fā)光強(qiáng)度大，但成本高；加之播種機(jī)在田間作業(yè)期間，環(huán)境十分惡劣，塵土?xí)苋菀走M(jìn)入到導(dǎo)種管內(nèi)部，進(jìn)而將傳感器擋住，嚴(yán)重影響光信號(hào)的傳遞[7]。因此，本系統(tǒng)采用波長(zhǎng)940nm,其光線平行性好，重要的是使用時(shí)不需要外加透鏡。同時(shí)，其體積小、穩(wěn)定性好，能夠滿足在戶外使用。接收端選用ST-1KL3A型光敏三極管、EL-1KL5型紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光源，該光源波的有效感光波長(zhǎng)范圍為400～1 050nm，對(duì)EL-1KL5所發(fā)射光波長(zhǎng)度敏感[8-9]。播種機(jī)排種管直徑為25～30mm，玉米種子直徑一般不超過(guò)排種管直徑的1/3?？紤]到1對(duì)光電傳感器的覆蓋面積有限，且種子從排種器出來(lái)時(shí)具有一定的初速度，會(huì)在導(dǎo)種管內(nèi)發(fā)生彈跳現(xiàn)象并產(chǎn)生檢測(cè)盲區(qū)，因此設(shè)計(jì)將3對(duì)光電傳感器發(fā)射端和接收端交叉嵌入在排種管內(nèi)部。這種傳感器的擺放方式使得排種管內(nèi)基本無(wú)盲區(qū)，如圖2所示。

圖2 傳感器檢測(cè)無(wú)盲區(qū)示意圖Fig.2 Sensor detection of blind zone schematic

種子通過(guò)光電檢測(cè)區(qū)產(chǎn)生高電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路進(jìn)行整形、濾波、邏輯門(mén)后進(jìn)行顯示。光電傳感器連接圖如圖3所示。

圖3 光電傳感器連接圖Fig.3 Photoelectric sensor connection diagram

2.2 信號(hào)調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

由于光電傳感器輸出波形不規(guī)整，會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)對(duì)光電信號(hào)產(chǎn)生誤判，需對(duì)光電傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行整形[10]，提高傳感器采集數(shù)據(jù)精度，本文采用了C-D40106B施密特觸發(fā)器；由于采用3對(duì)光電傳感器會(huì)輸出3組脈沖信號(hào)，施密特觸發(fā)器在設(shè)計(jì)中相當(dāng)于“非門(mén)”，對(duì)下位機(jī)采集的脈沖信號(hào)進(jìn)行了整形濾波。兩個(gè)電脈沖信號(hào)的時(shí)差就是種子下落時(shí)間差，當(dāng)輸種管中有種子流動(dòng)時(shí)傳感器有脈沖輸入到判別電路,則判別電路輸出為“1”態(tài)；當(dāng)輸種管無(wú)種子流動(dòng)時(shí),傳感器無(wú)脈沖輸出,則判別電路無(wú)脈沖輸入,其輸出為“0“態(tài)[11]。

本文將3對(duì)光電傳感器采用“與”電路和“或”門(mén)電路進(jìn)行整形，是考慮到當(dāng)種粒下落經(jīng)過(guò)此處時(shí)一定會(huì)遮蓋住這3對(duì)光電傳感器的任意1對(duì)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)(圖4)，因此3對(duì)傳感器的信號(hào)端選擇了與門(mén)和或門(mén)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空、堵及重播的報(bào)警。

圖4 整形電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of plastic circuit

2.3 無(wú)線模塊電路

本試驗(yàn)采用nRF24L01芯片組成的無(wú)線收發(fā)模塊，其優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)以下幾點(diǎn)：傳輸速率最高可達(dá) 2Mbps，工作效率快；抗干擾能力強(qiáng)；功耗低，掉電模式下電流僅為 1μA；可軟件設(shè)置地址，能夠直連各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便；由于無(wú)線模塊的工作電壓是 1.9～3.6V，因此可以將無(wú)線模塊直接連接單片機(jī)的電源輸出端，給其提供 3.3V 電壓就可以正常工作。nRF24L01+的模式選擇控制引腳 CE 置為 1 時(shí)，芯片工作在接收模式；IRQ 引腳是中斷信號(hào)輸出端，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完畢后，IRQ 端口會(huì)發(fā)出中斷信號(hào)，通知單片機(jī)及時(shí)對(duì)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.4 報(bào)警電路

為了改善播種機(jī)播種工況，提高播種機(jī)作業(yè)性能，在作業(yè)過(guò)程中播種機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，避免大面積缺苗、斷壟等情況的發(fā)生[12]。為此，本文設(shè)計(jì)了故障報(bào)警電路，與主單片機(jī)的 P1.2 口連接。當(dāng)輸出的高低電平發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)判斷故障類型并發(fā)送給主機(jī)，進(jìn)而控制蜂鳴器報(bào)警；同時(shí)，液晶屏同步顯示故障信息，提醒機(jī)手及時(shí)對(duì)故障做出處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件程序包括程序初始化、數(shù)據(jù)采集子程序、無(wú)線發(fā)射子程序、報(bào)警子程序和顯示子程序。對(duì) STC12C5A60S2 單片機(jī)及各控制芯片進(jìn)行初始化，保證控制系統(tǒng)做好工作準(zhǔn)備；調(diào)用信息采集及數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算子程序，調(diào)用無(wú)線傳輸子程序，當(dāng)有信息需要發(fā)送或接收時(shí)，無(wú)線模塊便會(huì)調(diào)整工作模式完成數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)；調(diào)用報(bào)警子程序，在播種機(jī)工作過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生漏播情況時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)能夠及時(shí)報(bào)警；調(diào)用顯示子程序，實(shí)時(shí)對(duì)播種參數(shù)進(jìn)行顯示，當(dāng)發(fā)生漏播故障時(shí)，顯示屏?xí)詣?dòng)跳轉(zhuǎn)到故障頁(yè)面顯示相關(guān)故障信息。系統(tǒng)的總程序框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Master program flow diagram

4 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果分析

4.1 排種量檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)播種機(jī)進(jìn)行，選擇整理好的平整地面作為試驗(yàn)地。玉米種子型號(hào)為金山8號(hào)，種子直徑6mm。選擇3 000粒玉米種子進(jìn)行排種量檢測(cè)試驗(yàn)，將3 000粒種子隨機(jī)分為15組，依次將各組種子進(jìn)行試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。種子從排種箱勻速下落，經(jīng)過(guò)安裝在排種管內(nèi)部的光電傳感器，上位機(jī)得出種子下落的數(shù)目，將其與實(shí)際值進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 排種量檢測(cè)結(jié)果Table 1 The results of the detection of seed volume

試驗(yàn)表明：該排種器監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)排種量檢測(cè)精度可以達(dá)到97.5%，達(dá)到工況要求，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)排種量。

4.2 漏播和重播異常報(bào)警試驗(yàn)

在對(duì)漏播量和重播量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，取適量金山8號(hào)玉米種子隨機(jī)分為3組，投入排種管內(nèi)，為增加漏播重播種粒樣本數(shù)量，在排種器與導(dǎo)種管之間加裝了小擋板，種粒下落時(shí)有一部分會(huì)撞擊擋板，相鄰種粒的下落時(shí)間差將會(huì)改變，從而模擬排種異常狀況。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

在做異常警報(bào)試驗(yàn)時(shí)，采取人為制造異常的方法，來(lái)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的靈敏度。報(bào)警試驗(yàn)時(shí)，在種子下落過(guò)程中將調(diào)速器關(guān)閉，人為地使兩粒種子下落的時(shí)間間隔超過(guò)定時(shí)器警報(bào)時(shí)間t，用秒表記錄多長(zhǎng)時(shí)間上位機(jī)發(fā)出警報(bào)、顯示屏顯示故障信息。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在模擬漏播和排種堵塞的情況下，異常發(fā)生到傳給上位機(jī)報(bào)警延時(shí)時(shí)間為2s，漏播和重播報(bào)警監(jiān)測(cè)精度達(dá)到要求；排種器漏播報(bào)警可靠率100%，報(bào)警系統(tǒng)可靠率100%。

表2 監(jiān)測(cè)精度試驗(yàn)Table 2 Monitoring accuracy test

5 結(jié)論

對(duì)排種器性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的綜合測(cè)試表明：設(shè)計(jì)的交叉擺放光電傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)排種過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能對(duì)種箱排空和輸種管堵塞等異常情況發(fā)出實(shí)時(shí)報(bào)警信號(hào)。該排種器監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)排種量檢測(cè)精度可以達(dá)到97.5%，對(duì)漏播量和重播量的監(jiān)測(cè)精度分別為93.8%和94.2%，滿足工況要求。