楊 柳 ， 楊 莎 ， 楊瓔珞

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000）

隨著玉米、大豆等糧食作物種植面積的增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者普遍借助化肥實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)。黑龍江省是我國(guó)玉米和大豆的主要產(chǎn)區(qū)之一，在我國(guó)玉米和大豆產(chǎn)業(yè)中占重要地位[1-3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥與糧食產(chǎn)量有著緊密的聯(lián)系，科學(xué)有效施肥可達(dá)到增產(chǎn)的效果，但部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者缺少科學(xué)施肥的意識(shí)[4]，為了增加產(chǎn)量，大量施用化肥[5]。過(guò)量的化肥不僅不能被農(nóng)作物吸收，而且會(huì)殘留在土壤里并隨雨水流入河流，對(duì)土壤以及生態(tài)環(huán)境的破壞不容小覷。所以，開(kāi)發(fā)和研制符合農(nóng)藝要求的玉米等中耕作物精密播種施肥機(jī)械，加強(qiáng)在玉米精量播種機(jī)肥料施播狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障報(bào)警信息監(jiān)測(cè)等控制系統(tǒng)方面的研究，對(duì)推動(dòng)精密播種施肥機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展及指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。基于此，課題小組在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，根據(jù)黑龍江省玉米種植特點(diǎn)以及土地地塊信息，利用GPS、人機(jī)交互、無(wú)線通信、智能控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)玉米精量播種機(jī)的施肥裝置以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)肥量監(jiān)測(cè)、肥管空堵報(bào)警以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與顯示。

1 關(guān)鍵部件機(jī)械結(jié)構(gòu)

電動(dòng)玉米精量播種機(jī)施肥裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)由電動(dòng)外槽輪排肥器、排肥管、機(jī)架、肥箱等組成。排肥器用于播種機(jī)和中耕機(jī)上施固體化肥、菌肥等。要求播量均勻穩(wěn)定，排肥量調(diào)節(jié)范圍大，通用性好，零件耐腐蝕，檢查方便[7-8]。

施肥控制以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)排肥電機(jī)進(jìn)行控制，其中電動(dòng)外槽輪排肥器的電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為功率50 W，扭矩10 N·m。外槽輪排肥器在傳統(tǒng)外槽輪排肥器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將阻塞輪改為與槽輪相配合的擋圈形式，同時(shí)配擰手進(jìn)行調(diào)節(jié)，在槽輪一端增加電機(jī)直接控制排肥器轉(zhuǎn)速，大大提升了自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)的工作性能與方便程度[9]。主要通過(guò)控制排肥器的排肥槽輪工作長(zhǎng)度以及排肥軸的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)肥量大小，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

圖1 電動(dòng)外槽輪排肥器

排肥裝置所配肥箱按播種機(jī)作業(yè)12行考慮[10]，該機(jī)設(shè)置兩個(gè)肥箱，按最大施肥量、整幅作業(yè)，播種機(jī)每作業(yè)1 000 m加一次肥為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)肥箱容積如下：

式中，V為肥箱容積，L；L為作業(yè)幅寬，L=6.2 m；F為施肥距離，F(xiàn)=1 000 m；Q為最大施肥量，Q=500 kg；q為容重，q=0.7 t。

由公式得：

整機(jī)施化肥作業(yè)1 000 m肥箱最小容積為442.9 L，結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)肥箱為540 L，基本滿足整機(jī)作業(yè)性能要求。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)主要由上位機(jī)（信息上傳存儲(chǔ)）和下位機(jī)（GPS、編碼測(cè)速器、光電編碼器等）組成[11-14]。上位機(jī)提供系統(tǒng)用戶界面，發(fā)送和接收各種信號(hào)指令，可通過(guò)上位機(jī)設(shè)置所需施肥量進(jìn)行排肥軸施肥量的計(jì)算、肥量的調(diào)控等；下位機(jī)主要以單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)完成數(shù)字信號(hào)采集處理，監(jiān)測(cè)肥量信息、肥管空堵等情況，通過(guò)無(wú)線通信模塊將監(jiān)測(cè)處理結(jié)果發(fā)送到無(wú)線控制終端，實(shí)現(xiàn)報(bào)警與信息存儲(chǔ)。

圖2 施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）GPS模塊。如圖3所示，選用GPS外置接收器，負(fù)責(zé)獲取播種機(jī)所在的經(jīng)度、緯度、機(jī)車(chē)行進(jìn)方向和速度等信息，通過(guò)無(wú)線通信模塊將信息傳遞給下位機(jī)。

圖3 GPS外置接收器

2）數(shù)據(jù)采集模塊。如圖4所示，一端為脈沖發(fā)射器，另一端為信號(hào)接收器，當(dāng)有化肥落下時(shí)，發(fā)射管發(fā)射的紅外光被肥料遮斷，接收側(cè)無(wú)信號(hào)輸出，產(chǎn)生持續(xù)高電平脈沖信號(hào)；而當(dāng)肥管內(nèi)處于空或堵的狀態(tài)時(shí)，紅外光由于始終沒(méi)有被遮擋或始終被遮擋，信號(hào)接收器的接收側(cè)始終接收到發(fā)射管發(fā)出的紅外光或始終接收不到紅外光，則不會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的檢測(cè)，將脈沖信號(hào)信息傳遞給上位機(jī)，進(jìn)行信息存儲(chǔ)、計(jì)數(shù)和顯示，實(shí)現(xiàn)肥管的空堵報(bào)警監(jiān)測(cè)[15-16]。

圖4 紅外光電對(duì)管

3）光電編碼器。如圖5所示，排肥軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)選用光電編碼器，當(dāng)機(jī)器作業(yè)時(shí)，光電編碼器隨排肥軸一起旋轉(zhuǎn)，編碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)無(wú)線通信模塊傳遞給上位機(jī)，經(jīng)預(yù)設(shè)程序計(jì)算排肥量，并將其顯示和存儲(chǔ)在上位機(jī)中。

圖5 光電編碼器

3 試驗(yàn)

1）排肥量試驗(yàn)：在試驗(yàn)播種機(jī)的排肥軸上安裝光電編碼器，用3個(gè)塑料袋分別封住3根肥管出口。選取槽輪工作長(zhǎng)度為30 mm，在該刻度值下玉米播種機(jī)以拖拉機(jī)二擋速度盡量穩(wěn)速行進(jìn)100 m、200 m、300 m、400 m、500 m和600 m的距離，用電子秤稱量獲取的實(shí)際施肥量。將其與系統(tǒng)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，獲得相對(duì)系統(tǒng)誤差值。排肥量誤差試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 排肥量誤差試驗(yàn)

2）肥管空堵試驗(yàn)：玉米播種機(jī)田間作業(yè)時(shí)，人為設(shè)置3根肥管進(jìn)行空和堵試驗(yàn)，共進(jìn)行6組，驗(yàn)證其報(bào)警顯示是否正確。肥管空堵誤差試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 肥管空堵誤差試驗(yàn)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)測(cè)得肥量與實(shí)際施肥的誤差在2%以內(nèi)，系統(tǒng)肥量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)98%以上，誤差出現(xiàn)的主要原因?yàn)闄C(jī)車(chē)啟動(dòng)與結(jié)束時(shí)的不穩(wěn)定。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)次數(shù)與實(shí)際人為干預(yù)次數(shù)的誤差在2%以內(nèi)，系統(tǒng)肥量監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)98%以上，滿足精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

課題小組利用無(wú)線通信、傳感器、人機(jī)交互和智能控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)了電動(dòng)玉米精量播種機(jī)施肥監(jiān)測(cè)裝置，該裝置主要由電動(dòng)排肥機(jī)構(gòu)、肥管空堵報(bào)警裝置、肥量監(jiān)測(cè)裝置等組成；將紅外光電對(duì)管安裝在排肥口下方，利用紅外光反射產(chǎn)生的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)肥管空堵報(bào)警；利用光電編碼器以及無(wú)線通信系統(tǒng)等，將所提供的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成肥量信息，實(shí)現(xiàn)肥量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)肥管空堵等情況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。試驗(yàn)表明：該施肥監(jiān)測(cè)裝置總體精度可達(dá)到97%以上，其中施肥量的準(zhǔn)確率在98%以上，肥管空堵報(bào)警的準(zhǔn)確率在98%以上，該系統(tǒng)能夠?qū)τ衩撞シN機(jī)施肥過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，同時(shí)整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可以應(yīng)用到其他施肥機(jī)械上，通用性好。