胡雪花

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能智造系，河北 石家莊 050091）

播種質(zhì)量的好壞直接影響農(nóng)作物的后期生長(zhǎng)與最終產(chǎn)量，高質(zhì)量的播種機(jī)械是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然選擇[1-5]。點(diǎn)式播種法常用于鋪設(shè)好地膜后再打孔種植，地膜可以為種子保溫保濕，幼苗長(zhǎng)出后又可以直接露出地膜，防止幼苗在地膜下曬枯，且種植時(shí)秧苗距離可控，避免秧苗過于稠密不利于生長(zhǎng)[6-10]。此外，點(diǎn)式播種法配合澆水工序既可以保證種子發(fā)芽所需要的水分，又不用漫灌式澆灌，能極大地節(jié)約水資源。然而，目前點(diǎn)式播種法卻沒有非常合適的自動(dòng)播種設(shè)備，大型的點(diǎn)式播種機(jī)價(jià)格昂貴且沒有澆水工序。部分可以完整實(shí)施打坑、澆水、播種、填土4個(gè)工序的點(diǎn)式播種機(jī)械仍需要人工完成，種植速率低，費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，無法充分發(fā)揮點(diǎn)式播種方式的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)目前點(diǎn)式播種機(jī)存在的技術(shù)問題，筆者設(shè)計(jì)了一種小型自動(dòng)打穴點(diǎn)播機(jī)，設(shè)計(jì)了各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制，并通過仿真驗(yàn)證了電氣控制的可行性。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的點(diǎn)式播種機(jī)能夠一鍵式完成點(diǎn)式播種的打坑、澆水、播種和填土4個(gè)工序，不僅提高了點(diǎn)式播種的效率，而且極大地節(jié)省了人力，對(duì)新型點(diǎn)式播種機(jī)的研發(fā)也具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

1 點(diǎn)式播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的點(diǎn)式播種機(jī)將打坑、澆水、播種和填土等功能安裝于一輛能夠自動(dòng)行駛的小車上，通過控制器協(xié)調(diào)小車啟停、打坑、澆水、播種和填土工序的執(zhí)行順序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)式播種，整體設(shè)計(jì)如圖1所示。自動(dòng)點(diǎn)式播種機(jī)整體上是四輪小車，小車上設(shè)置扶手支架，用于人工把控小車的行進(jìn)方向；在扶手上設(shè)置系統(tǒng)電源開關(guān)，用于控制點(diǎn)式播種機(jī)的啟動(dòng)和停止；小車后兩輪為萬(wàn)向輪，前兩輪為定向輪，且前車輪裝有電機(jī)；小車上設(shè)置了一個(gè)車載平臺(tái)，用于固定和安裝各個(gè)功能部分。點(diǎn)式播種機(jī)播種主體部分的切面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)圖

圖2 播種機(jī)播種主體部分切面結(jié)構(gòu)圖

1）打坑功能部分由打坑裝置、打坑裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)圓盤和連桿組成。打坑裝置用一個(gè)下端堅(jiān)韌、邊緣鋒利、形狀上寬下窄的金屬圓筒來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)打坑裝置陷入地面時(shí)，泥土卡入打坑裝置，待抬出地面后，帶出卡入其內(nèi)的泥土，從而打出種植農(nóng)作物的種坑。為了實(shí)現(xiàn)打坑裝置的自動(dòng)電氣控制，將打坑裝置通過兩根連桿固定于旋轉(zhuǎn)圓盤的邊緣位置，而旋轉(zhuǎn)圓盤固定在步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，因此驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周即可帶動(dòng)打坑裝置上下移動(dòng)一輪，完成一次打坑操作。

2）澆水功能部分包括儲(chǔ)水箱、澆水管道和控制澆水的電磁閥，澆水管道出口連接支撐架上的專設(shè)孔，需要澆水時(shí)，控制器控制電磁閥打開進(jìn)行澆水，通過控制電磁閥打開的時(shí)間長(zhǎng)短來控制澆水量，儲(chǔ)水箱端還設(shè)置有進(jìn)水孔和溢水孔。

3）播種功能部分包括儲(chǔ)種箱和旋轉(zhuǎn)擋板，儲(chǔ)種箱設(shè)置為底部稍尖的結(jié)構(gòu)，使種子始終填滿在播種孔的位置；旋轉(zhuǎn)擋板設(shè)計(jì)為十字交叉的扇葉結(jié)構(gòu)，通過控制旋轉(zhuǎn)擋板的轉(zhuǎn)數(shù)控制播種量，其安裝在儲(chǔ)種箱內(nèi)播種口的位置。將旋轉(zhuǎn)擋板安裝在步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上，通過控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和轉(zhuǎn)數(shù)控制播種量。

4）填土功能部分是一個(gè)兩段的連桿，安裝在打坑功能部分的旋轉(zhuǎn)圓盤上，填土連桿與打坑連桿在旋轉(zhuǎn)圓盤上的安裝位置可間隔180°，完成打坑和填土操作過程時(shí)，兩個(gè)連桿相對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。圖3（a）為初始狀態(tài)，此時(shí)填土連桿的末端在打坑圓筒的上端；當(dāng)圓盤向右旋轉(zhuǎn)90°至圖3（b）所示位置時(shí)，打坑連桿處于最底端，此時(shí)打坑圓筒深入泥土；當(dāng)圓盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°到圖3（c）所示位置時(shí)，打坑圓筒抬起，將泥土卡入筒中，完成在地面打坑的操作；當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)至圖3（d）所示位置時(shí)，填土連桿向下運(yùn)動(dòng)，打坑連桿向上運(yùn)動(dòng)，填土連桿將打坑圓筒中的泥土推出，使泥土墜入種坑，從而完成填土操作。

圖3 填土連桿和打坑連桿安裝及結(jié)構(gòu)圖

2 點(diǎn)式播種機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的點(diǎn)式播種機(jī)控制系統(tǒng)包括單片機(jī)、小車行進(jìn)步進(jìn)電機(jī)、打坑和填土控制步進(jìn)電機(jī)、撒種控制步進(jìn)電機(jī)、澆水控制電磁閥等部分?？刂坪诵牟捎肧TC15W4K32S4單片機(jī)，3個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別采用一個(gè)高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列ULN2003芯片和單片機(jī)的一組I/O口的低四位引腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中，小車行進(jìn)步進(jìn)電機(jī)連接在P7口，打坑和填土控制步進(jìn)電機(jī)連接在P6口，撒種控制步進(jìn)電機(jī)連接在P5口。模擬澆水的電磁閥采用一個(gè)NPN型放大電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電磁閥輸入端用P4.0引腳進(jìn)行控制，輸出端連接一個(gè)發(fā)光二極管，當(dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，代表澆水操作，反之表示停止?jié)菜疇顟B(tài)。同時(shí)，采用LCD1602液晶顯示屏顯示播種機(jī)的工作狀態(tài)，具體播種機(jī)控制電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 播種機(jī)控制電路設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的點(diǎn)式播種機(jī)采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，控制小車依序執(zhí)行打坑、澆水、播種、填土4個(gè)動(dòng)作，完成高質(zhì)量的點(diǎn)式播種任務(wù)。

第一步：采用步進(jìn)電機(jī)1模擬小車行進(jìn)，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定小車行進(jìn)距離；當(dāng)小車行駛到指定位置后，停止行駛。

第二步：采用步進(jìn)電機(jī)2模擬旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)小車停止后，控制步進(jìn)電機(jī)2向右旋轉(zhuǎn)90°，使打坑連桿上連接的打坑圓筒伸入泥土，再次使步進(jìn)電機(jī)2向右旋轉(zhuǎn)90°，使打坑連桿抬起，打坑圓筒中的泥土被帶出，停止轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2。

第三步：P4.0引腳輸出高電平，使得繼電器吸合，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，此時(shí)相當(dāng)于執(zhí)行澆水操作；啟動(dòng)定時(shí)器設(shè)定特定的時(shí)間，時(shí)間到了以后，將P4.0引腳置于低電平，停止?jié)菜?/p>

第四步：轉(zhuǎn)動(dòng)播種控制步進(jìn)電機(jī)3，使得播種箱內(nèi)的旋轉(zhuǎn)擋板旋轉(zhuǎn)，通過控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，設(shè)定播種量，然后停止轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3。

第五步：控制步進(jìn)電機(jī)2繼續(xù)向右轉(zhuǎn)動(dòng)180°，完成填土操作并使打坑連桿復(fù)位。

具體來說，在控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的程序中，通過定時(shí)器控制步進(jìn)電機(jī)的節(jié)拍，一方面可以更加準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；另一方面可以通過啟停定時(shí)器控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和停轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是“三農(nóng)”改革的重要內(nèi)容，在農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件越來越好和較為普及的散耕農(nóng)業(yè)模式下，小型農(nóng)用機(jī)械成本低、自動(dòng)化水平高、使用便利，在農(nóng)業(yè)市場(chǎng)前景廣闊，發(fā)展空間大?；诖耍P者設(shè)計(jì)了一種小型自動(dòng)點(diǎn)式播種機(jī)，將打坑、澆水、播種和填土等功能集成于一個(gè)電驅(qū)行駛的小車上。將各功能部分與小車通過一個(gè)控制器進(jìn)行控制，通過控制小車的啟?？刂蒲砻玳g距，當(dāng)小車停止前進(jìn)時(shí)，依次執(zhí)行打坑、澆水、播種和填土功能，通過控制器協(xié)調(diào)控制該設(shè)備自動(dòng)完成點(diǎn)式播種的4個(gè)工序，能夠極大地提高點(diǎn)式播種的效率。為了驗(yàn)證點(diǎn)式播種機(jī)自動(dòng)控制的可行性，筆者以STC15W4K32S4單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，通過步進(jìn)電機(jī)模擬小車的運(yùn)動(dòng)和停止，利用步進(jìn)電機(jī)模擬打坑、播種和填土操作，通過繼電器控制點(diǎn)亮LED燈，模擬控制電磁閥執(zhí)行澆水操作，再利用Proteus和Keil軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與功能仿真。仿真結(jié)果表明，筆者設(shè)計(jì)的自動(dòng)點(diǎn)式播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，有利于產(chǎn)品市場(chǎng)化、普及化，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。