膜上精量播种机光纤实时监测装置的设计

张定良，于永良，臧象臣，王堆金，卢玉刚，谢小强，饶志强，阿布都热合曼·艾买尔

（新疆天诚农机具制造有限公司，新疆 库尔勒 841005）

0 引言

棉花、玉米是新疆主要农作物。而播种作业是棉花、玉米生产中最基本、最重要的一环，在农业机械迅速发展的今天，新疆棉花、玉米的机械化精量播种技术的发展已成熟并大面积推广。机械式精量播种机和其它播种机结构相似，工作过程全封闭，无法观察其工作状况。由于田间的工作环境比较恶劣，会出现种箱排空、导种管堵塞等故障，如果无法及时发现故障并解决，会造成大面积漏播，影响经济效益，造成粮食减产等[1]。目前新疆市场上主要推广使用的配有型孔式精量穴播器的机械精量播种机，但这机械式精量播种机械实现不了对其下种性能的实时监测，当型孔式精量穴播器工作过程中出现种子大小不一、型孔堵塞、拐臂、扭簧断裂、棘爪不回位，甚至种管堵塞、种箱排空的情况，均会出现机械精量穴播器不能正常下种，由于不能直观显示穴播器下种的情况，不能及时发现问题并进行解决，就会产生大面积空穴、多籽、断条、断垄现象，而解决此现象的办法一是花费大量人工时时挖种查种，二是后期出苗后花费人工补种、定苗，费工、费时、增加成本，严重影响了棉花、玉米产量。因此研究开发一种具有实时监测精量穴播器下种性能的播种机是必要的，它可以节约劳动力、提高正产效率、增产增效，对推动新疆棉花、玉米精量播种技术自动化有着重要意义。

1 系统组成方案

针对目前天诚农机设计制造的夹持式精量播种机[2]使用情况，设计开发一种新型的穴播器以及安装在该穴播器上的实时监测装置,该穴播器能实现对棉花种子玉米种子的精量穴播，并且保证穴播器下种的空穴率、一籽率、多籽率等指标均符合国家质量技术监督局的要求，该穴播器还具有穴播株距可调、穴播鸭子嘴可更换、下种精度与种子大小、种子形状没影响的特点（图1、图2）。实时监测装置采用Cortex-M3内核处理器，能完成对点型探测器测量的数据进行汇总与分析，并将分析到的异常信号传递给显示屏和语音输出、喇叭输出信号，再由语音输出喇叭发出警报，显示屏显示穴播器存在的故障。

图1 夹持式精量穴播器定盘

图2 夹持式精量穴播器内部结构

穴播器检测点型探测器，采用光纤植入线对射原理。解决了传统光电检测以点为中心，检测面窄的问题，并将模拟量转换为数字量通过总线将数据汇总到Cortex-M3内核处理器进行分析。并增加霍尔传感器对穴位进行检测，使测量数据有了参考对象，数据分析准确性有了判断的依据。

穴播器检测点型探测器采用总线形式与Cortex-M3内核处理器进行数据通讯。穴播器检测点型探测器拥有独立的ID号，可以单个或多个与Cortex-M3内核处理器进行通讯，数据互不串扰。

穴播器检测点型探测器与Cortex-M3内核处理器组成一套集采集、统计、高分辨率触摸显示、声光报警于一体的检测系统。检测系统可以将测试数据导出，也可生成相关柱状图或饼图等数据格式，使数据分析统计更加简单、便捷、直观，工作原理如图3。穴播器光纤植入感应的新型传感器，该传感器具有体积小、精度高、防震、防尘的特点，便于安装在夹持式精量穴播器上并且能适应该穴播器在田间土壤中作业时伴随的剧烈抖动和大量灰尘的恶劣条件。

图3 检测系统工作原理

2 实时监测装置的设计

2.1 光纤介绍

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（lightemittingdiode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

2.2 霍尔传感器介绍

霍尔原理：当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。霍尔开关就属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。

霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度（如 B1）时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转输出端一般采用晶体管输出，和接近开关类似有 NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型(双极性)、双信号输出之分。霍尔开关具有无触点、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。

2.3 精量穴数计数原理[6]

传统技术缺陷：（1）调试繁琐。不同农作物及株距的监测灵敏度设置按下种子或者肥料监测行数的设置按钮不要松开。当种子或者肥料指示灯快速闪动时，松开按钮，每按下一次按钮就会增加 0.5 s的灵敏度时间。主机监测的灵敏度时间可以是0.5～10 s不等的时间段，以适应不同农作物及株距。（2）显示方式过于呆板。数码管显示、显示信息不够直观，数据不便于统计；相关数据抓取不方便，耗费人力。（3）计数没有统一标准。计数以时间为单位，对播种机手要求高。

比对计数原理：采用一个标准计数与一个未知计数之间的差值来判断计数的准确性。在穴播器芯盘的每个射出口前安装一个磁性元件，在穴播器的定子上安装一个霍尔传感器，穴播器在高速运转时做为标准计数。在穴播器种子加速射出方向前安装一路光纤，当种子从光纤之间经过时产生计数信号判断种子是否射出，并抓出相关数据。当检测到一个标准信号后下一个标准信号到来之前应有一次种子射出计数的相关记录，如果没有则说明射空。利用这个原理可以准确的计算出穴播器射击成功率。

数据导出：数据导出便于统计与管理导出的数据以天为单位或以小时为单位，可以打印播种机开始播种到播种结束的相关数据。

触摸彩屏显示：触摸输入可以根据生产需要设置报警极限、采集路数等。显示屏可以显示驾驶室内温湿度、播种人、每路统计数据等相关信息，可以设置报警极限，声光提示播种手进行相应的处理。

3 结合夹持式穴播器实施方案

（1）光纤安装位置，如图4所示。

图4 光纤安装位置

（2）霍尔传感器安装位置，如图5所示。

图5 霍尔传感器安装位置

（3）除尘导管安装，如图6所示。

图6 除尘导管安装位置

4 探测器数据处理模块

（1）采用高速处理器。点播穴播器探测器采用高速处理器来计数，将数据在本地存储并使其掉电数据不遗失，保证统计数据的准确性与时效性。

（2）点型穴播器探测器通讯。采用两线制M_BUS通信连接连接更方便，连接不分正负极。安装方式简单易懂，非专业人员参照安装说明既可现场操作使用。

（3）数据显示与处理系统。采用高清彩屏显示，显示登陆界面、播种机手信息各个通道采集数据与报警状况。

（4）整个监测控制流程图如图7。

图7 监测控制流程

5 安装使用与维护

安装：（1）将各个穴播器点型探测器安装到位，将其连接电缆连接到主机，航空插头连接固定。（2）确认连接无误后，接通电源开关，电源指示灯亮起。系统自检开始。自检测试完成后可投入使用。

维护：产品使用1个周期（每天结束时）检测电缆是否松动。

6 试验及数据分析

选取3 000粒种子玉峰9号作为试验用种，种子外观大、圆，粒饱满状。按每600粒种子为1组，做5组试验，监测结果如表1所示。

表1 排种量监测结果

取2 500粒种子KX3564号作为试验用种，种子外观扁长瘦小。按每500粒种子为1组，做5组试验，监测结果如表2所示。

表2 排种量监测结果

7 结果分析及存在问题

监测系统采用光纤植入感应的新型传感器，该传感器具有体积小、精度高、防震、防尘的特点，方便安装在新式夹持式精量穴播器上并且能适应该穴播器在田间土壤中作业时伴随的剧烈抖动和大量灰尘的恶劣条件。针对田间工作噪音较大的情况，加装了声光报警器，便于及时发现故障。试验表明：该监测系统在监测形状较大、圆度饱满的大种子时性能稳定、报警及时准确，误报率为0.1%左右，对排种量监测平均精度达98.56%，有效提高了播种监测效率和播种质量。但对于外观扁平瘦的小种子监测性能不太稳定，误报率为0.3%左右，排种精度平均96.35%。

通过初步台架试验，由于实时监测装置的传感器通过连接信号线给控制器输送信号，因此安装在穴播器外定盘的光纤传感器应固定在外定盘某一位置，应解决如何防止外定盘倒转时发生信号线缠绕扯断的问题。光纤检测传感器靠阻断信号来检测下种情况，如何防止灰尘、包衣剂掩盖光电检测传感器检测信号，也是急需重点试验解决的问题。