气吸式排种器监测系统设计

安 霆，杨旭海，邓赞石，程 悦，王 军，罗小龙

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

随着中国农业装备以及播种技术的迅速发展，玉米精量播种机已经广泛应用于农业生产中。由于气吸式排种器与机械式相比具有通用性好及对种子尺寸要求低等优点被农户广泛应用。但是，气吸式排种器关键部件大部分是在密闭的空间内进行的，凭人的视觉和听觉无法知晓其作业的质量[1]，往往等到出苗时，才能发现漏播的情况，在这个时候采取补苗措施不能及时弥补经济损失。

目前，人们常采用抽样调查的方法，这样的方法过于被动，不仅消耗了人力物力，监测效率也低。因此，可以通过一套能够在田间进行实时监测的系统，对田间玉米的漏播进行监测，将经济损失降到最小。目前，常用的监测方法有图像监测法、光电监测法及电容监测法[2-6]等。周利明等[7]提出一种基于微电容信号获取与分析的玉米播种机性能监测方法，通过相邻种子的电容脉冲峰值间隔和脉冲积分面积来获取播种作业状况下的播种量、漏播量及重播量等参数。

马旭、廖庆喜等使用机器视觉方法对精密播种机排种情况进行检测。但是，此类研究因其较高的成本和较低的抗干扰性，只适合在实验室进行科研，不适合在田间进行实时监测；而对于电容监测法而言，种子的体积和导电率都是田间监测影响的因素，所以不适于田间实时监测。

针对上述问题，本文利用光电传感器进行信息采集，经放大电路将电压放大，再由A/D转换器将模拟信号转换为数值信号，通过单片机进行编程，对有无种子进行判断，最后通过执行模块进行报警，降低漏播造成的经济损失。

1 系统总体方案设计

1.1 系统总体结构

气吸式排种器监测系统主要包括由传感器、放大电路、A/D转换器构成的信息采集模块、以STC89C52RC单片机作为核心的主控制模块，以及由LED灯和风鸣器组成的执行模块构成。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

1.2 气吸式排种器工作原理

作为免耕播种机关键部件之一，气吸式排种器主要由铸造挡盘、压盘、腰带总成、中空穴播器轴、气吸取种盘、分种盘及穴播器壳等组成，如图2所示。

1.铸造挡盘 2.压盘 3.腰带总成 4.挡种盘 5.穴播器轴 6.取种盘 7.刷种器 8.分种盘 9.刮种器 10.断气装置 11.穴播器壳图2 气吸式排种器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of gas suction type arrangement

其工作过程主要包括吸种、清种、一次投种、种道分离及二次投种等过程。在风机作用下，吸气口通过中空穴播器轴使气吸式排种器的气室中形成负压。此时，取种盘随着气吸式排种器同步转动，由种子层通过，在气室形成负压的情况下，吸种孔将种子吸起。当种子在负压作用下，与吸种孔一起运动到刷种器的位置时，刷种器与吸种孔上吸起的种子发生碰撞，从而产生一定频率和振幅的振动，使吸种孔多吸的种子落回种层中。当种子达到投种的位置时，经过断气块将吸种孔与种子的联系切断，投入分种盘中；进入分种盘的种子继续随气吸式排种器移动，当种子达到二次投种的位置时，种子在重力的作用下投入进种道，经过鸭嘴到达地面。

1.3 传感器安装方案确定

本设计将传感器安装固定在以吸种孔到气吸式排种器中心轴的距离为半径圆型壳体上。传感器不随工作时排种器的转动而转动。当排种器工作时，传感器固定于排种器的壳体上，监测各个吸种孔是否有种子，其安装方案如图3所示。

由于传感器与取种盘之间的距离约为12mm, 且玉米种子的厚度在1～2mm之间，传感器会根据吸种孔是否有种子，反馈给单片机不同的电压值。但是，由于玉米种子的厚度较小，传感器返回电压值也不明显，为减小误差，本设计采用在传感器后接放大电路以及A/D转换器的方式，先将传感器监测到的两种电压值进行放大，再通过A/D转换器将电压信号转换为数字信号，通过多次测量，取有种信号的平均值与方差，从而确定吸种孔吸附种子时，电压值的范围，达到漏播监测的目的。

图3 传感器安装方案Fig.3 Sensor installation scheme

2 硬件系统设计

2.1 传感器

由于光电传感器价格便宜、电路简单，且可以红外光满足对田间灰尘抗干扰的要求，所以本设计选用以发光二极管作为发光元件的光电传感器。由于红外发光二极管在性能与价格方面优于普通发光二极管及激光二极管，本设计选用EL-1KL5红外发光二极管，其光管直径为4.65mm，发出波长为940nm,工作电压为5V。对于受光元件，由于光敏三极管与光敏二极管和硅光电池相比，其可靠性、响应速度及抗干扰能力都要优于后两者，因此选用ST-1KL3B光敏三极管作为受光元件[8]。其光管直径为4.65mm，受光波长为500～1 050nm，工作电流为1.5～15mA。

2.2 A/D转换器

针对需要将传感器传输的电压值转换为数字信号，从而区分吸种孔有种与无种，减小测量误差的情况，本设计针对ADS1210、MS3110、AD7799、TLC5510 4种类型的A/D转换器特点进行分析与对比，从而确定适合本设计的A/D转换器。

ADS1210与MS3110都属于精度较高的A/D转换器，从减小监测误差的角度都是可取的；但是MS3110输出的是模拟信号， 不能满足判断有种时与

无种时数值信号大小的要求。ADS1210虽然精度较高，但是其价格比较昂贵，所以不选用作为排种监测系统的A/D转换器。TLC5510与AD7799相比，前者8位精度转换器，后者为24位精度转换器；且后者具有反应时间短、灵敏度高、功耗低等优点，从性价比方面考虑，本设计选用AD7799作为监测系统的AD转换芯片。其内部结构如图4所示。

图4 AD7799内部结构图Fig.4 Internal structure diagram of AD7799

数字接口有4条线，即片选信号CS、串行同步时钟SCLK、数据输入线DIN及数据输出DOUT/RDY。DOUT/RDY 的第二个功能是 AD 转换结束的通知信号，可以接单片机的外部中断口，当没有转换结束时，DOUT/RDY为高电平，一旦转换结束DOUT/RDY 为低电平，触发中断。进入中断服务程序，首先禁止外中断，然后通过对单片机的IO口编程读写AD7799中各个寄存器的数据，读写过程CS为低电平。

单片机读数过程为：单片机发SCLK 的下降沿 AD7799 输出一位数据，STC89C52RC单片机读入。写数过程为：单片机发DIN，再发SCLK 的上升沿，则DIN的上1位数据移入AD7799，多个AD7799的DIN、DOUT/RDY、SCLK线可以公用。 其内部的可编程增益放大器的放大倍数可以设定为1～128，滤波器可以提高ADC的转换精度和分辨率，随着其建立时间的增加，转换精度也随之提高。通过AD7799转换器，可以将从传感器传出的电压信号转换为数值信号，再由单片机对经过放大电路和AD转换器转换的数值信号进行有种或无种的判断，从而达到田间实时监测的目的。

2.3 控制器

STC89C52RC型单片机具有低功耗、高性能、高可靠性的特性。由于其在芯片上做出了改进，所以它具备其他51单片机没有的功能，可以以更加高效、 灵活

的方式解决问题。因此，本设计选用STC89C52RC单片机。

STC89C52RC单片机需要+5V的直流电来保证单片机本身正常运作[9]。但是，排种监测系统需要安装在气吸式排种器上在田间进行播种作业的监测,通过转换电网中220V电源为STC89C52RC单片机供电的措施是不可取的。因此，需要用气吸式排种器自带的电源进行供电,由于STC89C52RC单片机需要5V的直流电进行供电才能正常运行，本文设计了基于LM7805开关电压调节器的单片机供电电源。

在LM7805开关电压调节器中，容量较大的电解电容可以实现低频虑波，但对具有高频交流成分的滤波效果较差。为了改善滤波电路的高频抑制特性，在大电容旁并联具有较强高频滤波性能的小电容，有效地改善了滤波电路高频抑制特性不足的缺点[10]。

本设计以STC89C52RC单片机为控制核心，通过红外传感器对信息进行采集，再将传感器采集到的电压信号经放大电路传入到A/D转换器种，通过其转换的数值信号，判断出吸种孔有种子时，反馈的电压值范围，再根据其范围判断是否出现漏播现象。若出现漏播现象，3粒缺种黄灯报警，5粒缺种红灯报警，7粒缺种蜂鸣器与红灯同时示警。监测系统电路如图5所示。

3 系统软件设计

本软件系统实现的功能主要是对系统硬件系统的驱动，系统程序采用C语言编写，易于移植，可读性强。软件系统通过控制单片机，控制监测系统，达到漏播报警的目的。其具体工作原理：首先，通过光电传感器采集红外光打到种子时与红外光打到吸种盘上时的电压信号。由于种子厚度较小，所以受光元件接收到来自种子上的光与来自吸种盘上的光所反映出的电压值会非常接近。为减小此类误差，本设计将传感器传出的电压信号经放大电路放大，再通过AD7799转换器，将电压信号转换为数值信号，通过多次测量，计算有种时和无种时AD转换器转换出数值的平均值与方差，从而确定出有种与无种时，电压值波动的范围。当连续3粒出现缺种时，黄色灯进行示警；当连续5粒出现缺种时，红色灯进行示警；当连续7粒出现缺种时，红色灯与蜂鸣器同时示警，提醒操作人员及时检查种箱是否排空或者是否出现机械故障，避免不必要的经济损失。其流程图如图6所示。

图5 系统电路总图Fig.5 General view of system circuit

图6 系统流程图Fig.6 System flow diagram

4 试验与结果分析

监测系统在实验室进行测试如图7所示。系统可通过传感器监测电压信号，再由A/D转换器将电压信号转换为数值信号，最后由单片机根据不同的数值信号判断是否漏播；控制执行模块实现了连续3粒漏播进行黄灯报警，连续5粒漏播进行红灯示警，连续7粒漏播进行红灯与蜂鸣器同时示警的功能。

图7 漏播示警实验图Fig.7 Leakage warning experiment Figure

应用本监测系统，对2BQM-8气吸式免耕精量播种机进行田间试验，其连续3粒漏播的示警率可达97%，连续5粒的示警率可达99%，连续漏播7粒的示警率可达100%，符合2BQM-8气吸式免耕精量播种机的监测要求。

5 结论

1)设计了以STC89C52RC单片机为控制核心的监测系统，运用红外发光二极管为发光元件的光电传感器进行信息采集，通过判断传出电压是否在确定有种或无种的范围内，进行相应的声光示警，从而避免不必要的经济损失。

2)试验测试与结果表明：连续漏播种子多于7粒能够100%报警，连续漏播种子多于5粒少于7粒能够99%报警，连续漏播种子多于3粒少于5粒能够97%报警。系统性能稳定可靠，能够有效地实现玉米播种质量的监测。