劉亞明 邢劍飛 王 龍

(塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300)

新疆是我國最大的優(yōu)質棉生產(chǎn)基地，截至2 018年新疆已連續(xù)24 年實現(xiàn)棉花單產(chǎn)、總產(chǎn)和調出量全國第一。播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中很重要的環(huán)節(jié)之一，由于受播種的時間、天氣、季節(jié)等因素影響，農(nóng)作物的播種時間較短，因此，播種過程中對穴播器的排種性能要求非常高，排種性能直接影響播種的效果，并且會影響到來年的收成。

保持棉花高產(chǎn)量的前提是要保證棉花的播種效率，因此需要進行精量播種，但是目前棉花播種的機械效率不夠高，播種數(shù)目不夠精確［1］，需要通過精量播種的穴播器來彌補這一不足。針對以上問題需要對穴播器排種性能進行檢測［2］，尤其是穴播器在出廠前和維修后，確保穴播器能達到排種要求。由于人工檢測需要耗費大量的時間和精力，因此運用機器和高新技術對穴播器進行排種檢測是目前研究的趨勢［3］。利用光電傳感器和旋轉編碼器技術對穴播器進行排種檢測［4］，不但節(jié)省了大量的人力和物力，而且檢測裝置和人工檢測的效果基本一致。

1 裝置的設計

1.1 排種檢測裝置設計原理

本裝置是在現(xiàn)有的穴播器基礎上對穴播器出廠前或維修后的排種性能進行檢測而設計的，設計光控制電路和旋轉檢測電路對排種率進行檢測和計算，來實現(xiàn)穴播器排種性能的檢測。通過光電傳感器模塊來檢測排種信號，當有種子通過光電傳感器時，傳感器將被測量的信號轉換成光信號，然后通過光電模塊進一步將光信號轉換成電信號，單片機收到一個信號之后控制1 602 顯示屏上PE 數(shù)字加1。與此同時，旋轉編碼器模塊也會轉動一定角度，產(chǎn)生一個電信號，單片機控制1 602 顯示屏上RE 數(shù)字加1，當顯示PE值小于RE值，單片機計算PE/RE值得到排種率通過顯示器顯示，反之，顯示屏上則不顯示排種率。

1.2 裝置的組成部分

裝置是由齒輪、旋轉編碼器、單片機顯示器、電機、穴播器［5］、光電傳感器等部分組成。通過調節(jié)裝置的位置使得棉花種子能夠通過穴播器口順利落下，穿過光電傳感器，使光電傳感器檢測到信號，旋轉編碼器對穴播器轉速進行檢測，支架是用來固定裝置的位置，同時也可以便于裝置的調節(jié)。測量排種器距離傳送帶的高度，確定光電裝置的安裝范圍大約60 mm 左右，設計漏斗裝置安裝在離傳輸帶60 mm 的位置，最終確定漏斗裝置的厚度為25 mm。首先保證漏斗最大的口徑能通過和識別種子，通過測量種子的大小，計算出來漏斗下方的孔徑為10 mm，種子平均的大小不會超過10 mm，這樣能夠確保在漏斗里面不會有種子的殘留。排種檢測裝置如圖1 所示。

圖1 穴播器排種檢測裝置結構

2 排種檢測裝置工作原理

2.1 單片機系統(tǒng)程序設計流程圖

本裝置是運用光電傳感器和旋轉編碼器對穴播器進行排種數(shù)據(jù)信號統(tǒng)計，將得到的試驗數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)中，單片機系統(tǒng)會分別對這兩種信號進行處理，內部處理器處理好的光電信號轉化為實際排種次數(shù)信號M1,旋轉信號轉為理論落種次數(shù)M2,進行計算M1/M2得出排種率傳輸?shù)斤@示器上進行顯示，就可以實現(xiàn)自動檢測穴播器的排種性能。如圖2為單片機系統(tǒng)流程圖。

圖2 單片機系統(tǒng)流程圖

2.2 光電傳感器的工作原理

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般分為三部分，它們分為:發(fā)射器、接收器和檢測電路。發(fā)射器是針對目標發(fā)出光信號，發(fā)出的光一般來自半導體光源、LED、激光二極管及紅外發(fā)射二極管［6］。接收器由發(fā)光二極管、光電二極管和光電管組成。本設計采用一種漫反射式光電開關，發(fā)光裝置和接收光裝置在開關的檢測頭里面［7］，都在同一側的位置。正常情況下，發(fā)射器前面沒有物體通過，接收器收不到信號。當有物體通過時，探測器會將部分光反射回來，接收器接收光信號并轉化為電信號。

2.3 旋轉編碼器的工作原理

旋轉編碼器是一種可以將旋轉運動轉換為一連串數(shù)字脈沖信號的旋轉式傳感器。旋轉編碼器能夠通過正反方向上的旋轉運動計數(shù)，同時旋轉計數(shù)跟電位器計數(shù)方式不同，這樣轉動計數(shù)是沒有任何次數(shù)限制［8］。計數(shù)完成后通過電源開關復位到初始狀態(tài)，又可以從0開始計數(shù)。

旋轉編碼器的輸出脈沖寬度隨著旋轉速度而變化，即轉速越高其脈沖寬度越窄［9］。通常每圈的計數(shù)脈沖有360個、500個和1 000個等。本設計的模塊每一圈的計數(shù)脈沖只有20 個，相對精度也會相對低一些。

2.4 控制計數(shù)的實現(xiàn)

由AT89C52 單片機做主導，基本原理為當紅外檢測部分檢測到物體引起的光線變化時，紅外接收電路輸出口將產(chǎn)生一個低電平信號［10］，這個信號將傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理，同理旋轉編碼器也是將產(chǎn)生旋轉信號傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)進行處理，顯示部分是通過P1和P3口實現(xiàn)。

計數(shù)控制部分是將計數(shù)脈沖送入AT89C52 單片機中的INTO 入口，經(jīng)過單片機內部對這個中斷信號進行計數(shù)編程處理［12］。AT89C52 單片機與MCS-52指令系統(tǒng)完全兼容。提供以下標準功能: 4 K 字節(jié)FLASH 閃爍存儲器、128 字節(jié)內部RAM、32 個1/0 口線、三個16 位定時/計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷、片內振蕩器及時鐘電路［9］。同時AT89552 可降至01 的靜態(tài)邏輯操作，支持兩個軟件工作并禁止其他所有部件工作，直到下一個硬件復位到節(jié)電工作模式。不計數(shù)模式是停止CPU 的工作，但允許RAM 定時/計數(shù)器及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，斷電后仍然可以保存RAM中的內容［11］。

本裝置的排種測量的方法為：

式中：w1-為人工檢測的實際排種率；

m-為實際排種個數(shù)；

m1-為空穴個數(shù)；

m2-為實際排種次數(shù)。

式中：2w -為傳感器顯示的排種率；

M1-為光電傳感器記種數(shù)；

M2-為旋轉編碼器記種數(shù)。

試驗測得的光電信號和旋轉信號傳入到單片機的系統(tǒng)中，單片機內部進行計數(shù)編程處理，分別將光電信號L1轉為實際排種次數(shù)排種次數(shù)M1，旋轉信號L2轉化為理論落種次數(shù)信號M2，通過單片機內部計算得出M1/M2，再將得出的數(shù)值輸送到顯示器上顯示，就得出檢測裝置檢測的排種率。

3 裝置排種試驗

3.1 種子形狀參數(shù)

分別選取了新陸中82 號、新陸中66 號和新豐9號3種不同型號的棉花種子進行測試，種子的實物圖如圖3所示。

圖3 棉花種子實物圖

對3種型號的棉花種子進行了隨機取樣，每種取10顆，測得形狀參數(shù)如下：

表1 三種棉花種子形狀參數(shù)對比

表2 新陸中66號排種試驗數(shù)據(jù)

表3 新陸中82號排種試驗數(shù)據(jù)

表4 新豐9號排種試驗數(shù)據(jù)

圖4 速度對排種率的影響

首先排種試驗采用的是13 穴的窩眼式穴播器，分別測得在轉速為5 r/min、10 r/min 和15 r/min，3 種不同速度下的穴播器的排種率。由表2、表3 和表4可以得出在速度為5 r/min下新陸中66號棉花種子的排種率為90%,新陸中82 號棉花種子的排種率為94%，新豐9 號棉花種子的排種率為91%。當速度為10 r/min 時新陸中66 號棉花種子的排種率平均值為88%,新陸中82 號棉花種子的排種率為92%，新豐9號種子的排種率為89%。當速度為15 r/min 時，這三種棉花種子的平均排種率為85%、89%和86%，如圖4所示。

以上是通過人工進行統(tǒng)計得出的試驗結果，檢測裝置在人工試驗的基礎上進行了驗證試驗，通過單片機系統(tǒng)對不同速度下三種棉花種子排種率及逆行計算，可以得出在速度為5 r/min時，新陸中66號棉花種子、新陸中82 號種子和新豐9 號種子的平均排種率為88%、92%和90%。在速度為10 r/min 時，三種棉花的平均排種率為85%、90%和87%。在速度為15 r/min時，三種棉花種子的平均排種率為84%、87%和85%。通過在不同速度下的排種率對比，無論人工統(tǒng)計還是檢測裝置的檢測結果都表明當速度越快，棉花種子的排種率越低。

同時新陸中66 號種子的實際平均排種率在89%，新陸中82 號種子的實際平均排種率為92%，新豐9 號種子平均排種率為90%?？紤]棉花種子存在的差異，分析種子的形狀參數(shù)因素，由表1 可知不同種類的棉花種子大小有些許不同，形狀也大不相同，新陸中66 號種子長平均值為8. 87 mm，寬平均值為5.06 mm，新陸中82 號種子長平均值為9.31 mm，寬平均值為5. 12 mm，新豐9 號種子長平均值為8. 98 mm，寬平均值為4.87 mm。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，新陸中82 號種子寬度與新陸中66 號種子的平均寬度相差不大，長度相差0. 44 mm，而新豐9 號種子在平均長度上和新陸中66 號種子相差不大，寬度相差0.19 mm,新陸中82 號種子和新豐9 號種子在長度和寬度上都存在差異。通過排種率的對比發(fā)現(xiàn)在任何速度下的新陸中82 號的排種率都比新陸中66 號種子和新豐9 號種子的排種率要高，而新陸中66 號棉花種子和新豐9號棉花種子由于形狀參數(shù)基本一致，排種率也大致相同。因此可以得出排種率與棉花種子形狀參數(shù)有關，如圖5所示。

圖5 種子形狀參數(shù)對排種性能的影響

由于試驗條件有限，在影響穴播器排種率的因素方面只考慮了轉速和種子形狀參數(shù)這兩個因素，并且只通過單因素試驗進行驗證，另外可能還存在一些其他因素會影響排種率。如：穴播器種類、搭配的動力設施、耕作是土壤的條件等，這些因素需要進一步討論和驗證。

3.2 檢測裝置準確率試驗

本檢測裝置主要是通過調速電機來控制穴播器的轉速，穴播器和調速電機之間通過鏈齒配合進行傳動。控制穴播器的齒輪齒數(shù)為12，控制調速電機的齒輪齒數(shù)為24，傳動比為1:2,對新陸中82 號、新陸中66 號和新豐9 號棉花種子進行100 粒種子排完后排種率的準確性試驗。

圖6 每百粒種子排完檢測準確性試驗

通過試驗發(fā)現(xiàn),新陸中82號、新陸中66號和新豐9 號棉花種子在不同的速度下人工檢測的結果和裝置檢測的結果誤差均在±3%以內。當穴播器的轉速越來越快時，人工統(tǒng)計速度跟不上機器速度，往往需要大量的時間回看和統(tǒng)計，而且在速度過快時容易出現(xiàn)統(tǒng)計錯誤，需要反復檢測。但檢測裝置不同，無論穴播器速度快慢，統(tǒng)計排種率結果都相對較快，無須反復檢測，檢測裝置可以節(jié)省大量時間，在效率上遠高于人工。在誤差允許的范圍內，檢測裝置顯示排種率的準確性和人工統(tǒng)計相比基本一致，在準確性上結果能滿足穴播器排鐘性能的檢測要求。如圖6所示。

3.3 排種穩(wěn)定性試驗

為了更好保證棉花種子在排種過程中的穩(wěn)定性，對以上三種棉花種子進行排種試驗，在速度最優(yōu)5 r/min 的條件下，進行10組試驗，測出棉花種子排種率的穩(wěn)定性。

表5 棉花種子長度方差和極差分析

圖7 三種種子排種率穩(wěn)定性分析

在排種過程中，種子的長度尺寸影響較大，因此對3種棉花種子進行長度尺寸分析，得出方差值和極差值。如表5 所示?？闯鲂玛懼?2 號棉花種子的方差為0.35，極差為1.10，相比較其他兩種棉花種子方差和極差之都是最小，因此82 號棉花種子相比于其他兩種棉花種子的均勻性較好，形狀參數(shù)差異較小。通過Oringal 軟件對3 種棉花種子在速度為5 r/min 的10組排種試驗分析，可以看出3種棉花種子中新陸中82號種子的排種率穩(wěn)定性最好。如圖7所示。

4 結論

（1）本設計采用光電傳感器和旋轉編碼器共同計數(shù)，通過單片機編寫計數(shù)程序進行信號處理，處理后的信號會在顯示器上顯示。通過試驗表明，本裝置測得的排種率與人工統(tǒng)計排種率基本吻合,設計的裝置能滿足排種檢測要求。種子長度參數(shù)的均勻性影響著穴播器排種的穩(wěn)定性，均勻程度越高，排種穩(wěn)定性越好，因此在排種時建議選取長度尺寸基本一致的棉花種子。

（2）目前市面上也有其他種類排種檢測裝置，如水稻種子、玉米種子的檢測等。他們大多是利用紅外發(fā)射二極管進行檢測，而本裝置采用的是光電傳感器，利用PLC 單片機進行數(shù)據(jù)處理，相比較其他的排種檢測裝置，在效率上更高，準確性更強，穩(wěn)定性更好。

（3）由于本設計的計數(shù)系統(tǒng)是通過傳感器模塊來進行計數(shù)，傳感器模塊精度存在一定的誤差，因此造成了最終試驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差，誤差范圍在±3%，符合穴播器工藝檢測要求。除此之外，傳感器的外部連接裝置也需要單獨設計，在這些因素的影響之下，其檢測裝置的精度不是很完美，后期期待繼續(xù)改進。