馬波濤,張晉國

(河北農業(yè)大學 機電工程學院,河北 保定 071001)

0 引言

玉米是世界上重要的糧食作物之一,除了食用外還用作飼料、工業(yè)加工、生產淀粉、糖和進行發(fā)酵等。2017年,我國玉米種植面積為35 445.2khm2,總產量為21 589.1萬t,無論從種植面積還是總產量來說都已成為我國第一大糧食作物。玉米生產全程需水量較大,而我國是一個干旱缺水嚴重的國家,人均水資源量只有2 300m3,僅為世界平均水平的28%。按世界公認標準,人均水資源低于500 m3為極度缺水,而2016年河北省人均水資源為279m3/人,且農業(yè)用水量巨大,2016年農業(yè)用水116.99億m3,占全省總用水量的64.1%。由此可以看出:農業(yè)用水量巨大,而玉米苗期需水量小,但有些農田澆水仍采用大水漫灌方式,造成大量水資源浪費[1-2]。為此,設計了一款在播種同時進行施水作業(yè),以此減少一次大水漫灌式澆地的施水播種機。該機既可以大大節(jié)省用水量,又不會影響玉米苗期正常生長,且實現(xiàn)農機與農藝相結合,對于節(jié)約水資源意義重大[3]。

目前,大多施水播種機的施水控制為機械結構,受機體振動、裝配誤差等因素影響較大[4],施水量精確度難以保證。各型施水播種機有的靠棘輪轉動實現(xiàn)出水的開閉,通過更換不同尺寸的棘輪來改變施水量,部件磨損嚴重;且棘輪運轉是通過地輪鏈傳動,當地輪打滑時對施水效果有嚴重影響。更重要的是,該類型施水播種機難以滿足高速作業(yè)要求,限制了生產效率。有的施水播種機是定量出水,其儲水槽容量固定,播種速度快慢,每次施水量為定量,難以實現(xiàn)在播種作業(yè)中實時改變施水量[5-6]?；诖?設計了一款基于單片機的玉米變量施水播種機,可根據播種作業(yè)速度實時調節(jié)施水量大小,具有工作穩(wěn)定及可中高速作業(yè)等優(yōu)點[7]。

1 總體方案

該變量施水播種機以STC89C52單片機為控制核心,配合測速模塊、施水執(zhí)行模塊等構成。STC89C52型單片機執(zhí)行速度快、穩(wěn)定性好,它將測速模塊和施水執(zhí)行模塊有機結合起來,實現(xiàn)了系統(tǒng)的良好運行,且有LED實時顯示播種機作業(yè)速度及低水位聲光報警功能。玉米變量施水播種機控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)程序包括主程序和施水執(zhí)行程序(舵機)兩部分。為保證單片機高性能運行,舵機程序和主程序由副機和主機單獨執(zhí)行。程序執(zhí)行時,測速模塊將播種機作業(yè)速度信息實時傳輸給主機,主機根據速度快慢決定施水模塊出水量大小。當速度改變時,出水量同步變化。系統(tǒng)具有抗抖動、可中高速作業(yè)等優(yōu)點。

2 硬件設計

2.1 STC89C52單片機

單片機是在芯片上集成了CPU、內存及時鐘等器件構成的一個微型計算機系統(tǒng),廣泛應用于智能檢測、自動化控制、通信及儀表等領域。本系統(tǒng)選用的STC89C52單片機具有高速運算、強抗干擾能力,其內部擁有1個8kB的Flash程序存儲器和1臺高速5kB的EEPROM,存儲空間大,運行效率高;同時,片內集成3個定時器和2個DPTR指針,多任務處理能力強。

2.2 測速模塊

編碼器是把角位移或直線位移轉換成電信號的一種裝置。本系統(tǒng)采用旋轉式編碼器,編碼器轉動時每經過1次內部的敏感元件便輸出1個脈沖信號。播種機作業(yè)速度信息由OMRON E6B2-CWZ6C旋轉編碼器檢測。編碼器與計米輪同軸連接,計米輪直徑60cm,輪子外側有防止打滑的鉚釘,在免耕地實際作業(yè)中防纏草效果良好。編碼器每轉1圈向單片機發(fā)出100個脈沖信號,單片機根據單位時間內接受到的脈沖數計算出實時作業(yè)速度,依據該速度決定舵機打開角度,從而改變出水量大小。編碼器信號發(fā)送端直接與單片機預定義的信號接收端連接,不需要額外轉換器,接線、安裝方便。E6B2型編碼器為集電極開路輸出(NPN輸出),電壓范圍寬、信號輸出穩(wěn)定,計數分辨率為1.89mm/脈沖。編碼器輸入輸出原理圖如圖2所示。其允許輸入電壓直流5～24V,信號發(fā)送端直接接入單片機預先定義的信號接收端P3.7引腳。開始工作后,單片機初始化,準備接收編碼器發(fā)來的脈沖信號,此時單片機并不需要對編碼器下達任何指令;當播種機開始作業(yè)時,編碼器自發(fā)地源源不斷地向單片機發(fā)送脈沖信號,單片機通過LED屏將速度信息實時顯示。

播種機作業(yè)速度與脈沖數的對應關系為

式中V—作業(yè)速度;

N—每秒內發(fā)送脈沖數;

d—計米輪直徑,d=0.6m。

圖2 編碼器輸入輸出原理圖

2.3 施水控制模塊

施水控制部分主要由DH-03X舵機與閥門構成,24V供電時該舵機扭矩為3 648N/cm,角速度為2.09rad/s,接收脈寬為0.5～2.5ms標準舵機控制信號。舵機由舵盤、位置反饋電位器、減速齒輪組、直流電機和控制電路組成。減速齒輪組由直流電機驅動,其輸出軸帶動一個具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測?？刂齐娐犯鶕娢黄鞯姆答侂妷?與外部輸入控制脈沖進行比較,產生糾正脈沖,控制并驅動直流電機正轉或反轉,使減速齒輪輸出的位置與期望值相復合,從而達到精確控制轉向角度的目的。舵機的控制脈沖周期為20ms,脈寬為0.5～2.5ms。當脈寬在0.5～2.5ms之間變化時,便對應舵機轉動不同的角度。舵機信號收發(fā)端直接與單片機已預定義的P2.6引腳連接即可進行信息傳輸,不需額外轉換器。舵機工作原理如圖3所示。

圖3 舵機工作原理

舵機輸出軸通過頂絲與閥門轉軸牢固聯(lián)接在一起。單片機依據速度信息對舵機下達相應的角度轉動信息:當作業(yè)速度快時,單片機控制閥門打開角度大;當速度減小時,閥門打開角度減小,舵機輸出軸帶動閥門開閉。本施水控制系統(tǒng)為常閉型[8-9]。

2.4 低水位報警模塊

水箱液位由XKC-Y26型液位傳感器檢測。該傳感器本質上是電容式檢測,其工作原理為:水和空氣的介電常數不同(一般為81和1),當水位下降至傳感器高度以下時,由于介電常數的改變引起電容值的改變,專用的ada電容檢測芯片把電容值變化轉化為輸出電壓脈沖寬度的變化。當電壓脈寬低于設定值時,即發(fā)出報警信號,由此完成了水位高度變化向電壓脈寬變化的轉變。XKC-Y26信號端直接與單片機P3.6引腳連接,進行信息傳輸,通過編寫報警程序實現(xiàn)了當檢測到低水位時同時伴有傳感器指示燈閃爍和蜂鳴器聲音報警功能。

3 軟件設計

玉米變量施水播種機軟件設計主要包括兩部分,即主程序和舵機控制程序。程序基于keilμVision5開發(fā),采用C語言模塊化編程。

為保證系統(tǒng)高性能穩(wěn)定運行,主程序和舵機程序分別由主機和副機單獨執(zhí)行。從模塊上劃分,可分為單片機主控制模塊、編碼器測速模塊、水位監(jiān)測模塊和舵機施水模塊。其中,測速模塊又包含LED顯示模塊,水位監(jiān)測模塊包含聲光報警模塊。系統(tǒng)模塊劃分如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模塊劃分

玉米變量施水播種機開始工作時,單片機準備接收來自旋轉編碼器的脈沖信號;當播種機開始行走時,編碼器隨計米輪轉動向單片機輸出脈沖信號;編碼器通過聯(lián)軸器與計米輪聯(lián)接在一起,編碼器每轉1圈輸出100個脈沖,單片機根據每秒內接收脈沖數,對應出作業(yè)速度,并通過LED顯示速度信息,控制舵機開閉角度;當速度變化至另一區(qū)間時,單片機控制舵機角度相應變化。水位監(jiān)測由XKC-Y26型液位傳感器執(zhí)行,當水位低于設定高度時,啟動報警,蜂鳴器鳴笛,指示燈閃爍,提醒機手加水。此時,若有手動復位,則水位監(jiān)測系統(tǒng)與報警系統(tǒng)被關閉,單片機正常讀取速度信息并控制舵機工作;若沒有進行手動復位,則在報警10s后自動結束測速等工作。系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

為防止由于機具振動導致速度在兩個區(qū)間極值出來回跳變,特加入防抖程序。只有當速度跳變至另一區(qū)間且維持0.5s以上時,單片機才會對舵機下達控制指令;若速度跳變不足0.5s,舵機維持原角度。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 室內實驗

本實驗探究了水龍頭開閉角度與出水量(打開10s出水量)的關系,如圖6所示。通過SPSS軟件進行數據分析,找出了水龍頭(舵機)打開角度與出水量擬合曲線的表達式。圖7為擬合曲線R2值,圖8為水龍頭(舵機)打開角度與出水量擬合曲線。

設角度變量為x,10s內出水量為y,則舵機打開角度與出水量的關系表達式為

y=0.232x-1.319

R為復相關系數;R2反映回歸方程能夠解釋的方差占因變量差的百分比,用來評價模型的擬合效果,R2方取值范圍介于0～1之間,越接近1表明擬合效果越好,一般認為R2>0.5即有較好的擬合效果。F檢驗是表明模型中因變量與所有自變量之間線性關系在總體上是否顯著的判斷。F檢驗的Sig值小于0.05,表明模型中因變量與自變量的線性關系極為顯著,該擬合曲線有較強說服力。

5 田間試驗

5.1 試驗條件

本次試驗于2018年6月16日在河北省辛集市保高豐農場進行。試驗面積0.45hm2,土壤耕層為輕壤質潮土,土壤容重為1.24～1.70g/cm3,氣總孔隙度為53.9～35.9%,pH值為7.8～8.4,屬微咸性土壤。為測試施水播種對玉米苗期影響,進行施水播種和傳統(tǒng)播種對比試驗,前者比后者除多了1項施水功能外,其余均保持相同。試驗用播種機為農哈哈2BYJF-4型玉米免耕施肥精播機。該播種機參數如表1所示,作業(yè)圖如圖9所示。

表1 2BYJF-4型玉米免耕施肥精播機參數

圖9 作業(yè)圖

5.2 試驗方法

將試驗區(qū)分成A塊和B塊,A塊為施水播種,B塊為傳統(tǒng)播種。試驗開始前,測得A、B在0～10cm地表土壤含水率分別為9.882%和13.693%,B塊土壤含水率高于A。A地塊又依據施水量多少分為A1、A2、A3。其中,A1施水量為670mL/m,A2施水量為300mL/m,A3施水量為240mL/m。播種后,在7月1日、5日、6日分別有6、7、7mm降水。播種后5天發(fā)芽率如圖10所示,具體數據如表2所示;播種后5h、5天、23天土壤含水率變化如圖11所示。

施水播種作業(yè)后,A地塊含水率有了明顯提升,在23天左右逐漸與B地塊土壤含水率接近。由此可以看出:播種后5天,A1組發(fā)芽率最高,在相鄰4行中已有3行發(fā)芽率達到100%;其次是A2和A3。播種期間施水作業(yè)對種子發(fā)芽及苗期生長有顯著良好影響,傳統(tǒng)播種5天發(fā)芽率明顯低于施水播種,且施水作業(yè)的玉米苗期長勢明顯好于傳統(tǒng)播種。播種10天后,施水作業(yè)玉米長勢和傳統(tǒng)無施水作業(yè)長勢分別如圖12、圖13所示。

圖12 施水作業(yè)長勢(播種后10天)

圖13 傳統(tǒng)無施水長勢(播種后10天)

6 結論

1)設計了一種基于單片機的變量施水播種機,可在播種作業(yè)時同步施水。采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)控制核心,采用大扭矩舵機作為出水控制機構,編碼器檢測播種機作業(yè)速度。該機可實現(xiàn)在播種時同步施水,并可根據播種機作業(yè)速度的快慢自主實時改變出水量的大小。播種5天后,A1、A2、A3、B組發(fā)芽率分別為95%、89%、86%和48%。施水播種的玉米種子發(fā)芽明顯早于傳統(tǒng)播種玉米,且施水作業(yè)的玉米苗長勢明顯好于傳統(tǒng)播種的玉米。

2)設計的玉米變量施水播種機可根據播種機作業(yè)速度自主實時改變出水量,運行穩(wěn)定。施水播種有利于種子發(fā)芽,提高了土壤含水率,在約23天后含水率降至未施水作業(yè)地塊水平。此時,正接上華北雨季,并不會影響玉米后期生長,從而減少了一次傳統(tǒng)地表漫灌式澆水,在一定程度上緩解了農民排隊澆水延誤農時的問題,并大大節(jié)省用水量,節(jié)水意義重大。