玉米精量播种机排种性能检测系统研究—基于光电法

郑雯璐，衣淑娟，李抒昊，刘 坤，戈天剑

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

在农业高度机械化的今天，精密播种机作为主要的农器具被广泛应用；但因为其构造的封闭性使得人们无法在机器运行过程中直观并及时监测播种状态，一旦发生漏播、重播等排种故障将会对作物产量造成极大损失[1]。因此，为播种机配备排种质量监测系统已成为精量播种技术研究的重中之重[2]。

排种器是精密播种机的核心部件，高精度的播种过程是确保玉米高产量的重要保障。目前，播种机排种性能检测常用方法有电容信号、压电信号、激光信号及光电信号几大类。就实际应用来看，因光电传感器具有成本低、响应速度快等诸多优点，以往研究人员多利用光电法对排种器排种性能进行检测[3]。以排种过程中下落的种粒为监测对象，当种子下落时,种粒受管壁的碰撞、摩擦等因素的影响出现漏播或多粒重播，若传感器只能产生1个脉冲, 检测重播的误差较大。

因此，本文设计了一套基于光电法的玉米精量播种机排种性能监测系统，传感器安放在排种管中部，将3对射光电传感器交叉摆放在排种管两端，目的在于提高排种性能检测的稳定性和可靠性，实现排种管内排种监测无盲区，对重播、漏播和堵塞等排种性能进行监测，并与常规监测装置进行数据对比，得出结论。

1 主要功能及原理

1.1 种子排种量监测

单片机的定时/计数器T0设置为计数器模式，可实现播种机排种量计数，定时/计数器T1设置为定时器模式，用来实现报警定时。当种子从排种管落下经过种管上安装的光电传感器，光敏三极管产生高低电平的变化，接收端每返回一次高电平，计数器加1，在显示屏显示排种数量；利用高低电平持续时间进行逻辑判断来监测播种机是否出现故障。

1.2 漏播和重播警报

排种器正常工作时，种子从种箱内有序码入种盘后下落至排种管内，在播种现场由于工况很差，导致出现重播和漏播现象[4]，安装在排种管中部的传感器对种子经过时产生的脉冲变化情况判断是否发生漏播和重播[5]。因此，本文利用蜂鸣器对播种过程中出现的故障进行报警，其受外界影响因素较小，可以在恶劣的环境中使用，声光报警电路如图1所示。

1.3 作业工况监测

播种机上安装GPS定位系统，按照播种机的行进距离和作业幅宽，来计算播种机的作业面积。8～10km/h为播种机的限定速度，根据GPS发出的指令可测出播种机的作业速度是否超速。

1.4 种箱状态监测装置设计

种箱排空如果不能及时发现，则会导致种子漏播的情况发生。利用压敏电阻监测种箱内种子情况，安装在种箱内的压敏电阻阻值受其周围种子量影响，将压敏电阻安放在种箱中下部，种量充足输出高电平，种子和压敏电阻的距离大于9mm标准距离时，则输出低电平，持续低电平2s以上时，向上位机发送报警信息，微处理器通过其电平的变化就可以判断种箱内的状态。

图1 声光报警电路图Fig.1 Sound and light alarm circuit diagram

2 硬件设计

在排种性能检测系统硬件设计上，要实现对脉冲信号的采集、整形滤波、传输及显示和报警[6]，包括光电传感器信号采集处理电路、显示终端硬件设计两大部分，应采用分模块的方式解决。光电传感器检测到的光电信号通过接受调理电路把数据上传给单片机，由单片机通过ZigBee无线模块传送给上位机并进行显示。

2.1 传感器电路设计

光电传感器的选型种类繁多，普通发光二极管发光强度不够，激光二极管发光强度大，但成本高；加之播种机在田间作业期间，环境十分恶劣，尘土会很容易进入到导种管内部，进而将传感器挡住，严重影响光信号的传递[7]。因此，本系统采用波长940nm,其光线平行性好，重要的是使用时不需要外加透镜。同时，其体积小、稳定性好，能够满足在户外使用。接收端选用ST-1KL3A型光敏三极管、EL-1KL5型红外发光二极管作为发光源，该光源波的有效感光波长范围为400～1 050nm，对EL-1KL5所发射光波长度敏感[8-9]。播种机排种管直径为25～30mm，玉米种子直径一般不超过排种管直径的1/3。考虑到1对光电传感器的覆盖面积有限，且种子从排种器出来时具有一定的初速度，会在导种管内发生弹跳现象并产生检测盲区，因此设计将3对光电传感器发射端和接收端交叉嵌入在排种管内部。这种传感器的摆放方式使得排种管内基本无盲区，如图2所示。

图2 传感器检测无盲区示意图Fig.2 Sensor detection of blind zone schematic

种子通过光电检测区产生高电平信号，经过调理电路进行整形、滤波、逻辑门后进行显示。光电传感器连接图如图3所示。

图3 光电传感器连接图Fig.3 Photoelectric sensor connection diagram

2.2 信号调节电路设计

由于光电传感器输出波形不规整，会导致单片机对光电信号产生误判，需对光电传感器输出信号进行整形[10]，提高传感器采集数据精度，本文采用了C-D40106B施密特触发器；由于采用3对光电传感器会输出3组脉冲信号，施密特触发器在设计中相当于“非门”，对下位机采集的脉冲信号进行了整形滤波。两个电脉冲信号的时差就是种子下落时间差，当输种管中有种子流动时传感器有脉冲输入到判别电路,则判别电路输出为“1”态；当输种管无种子流动时,传感器无脉冲输出,则判别电路无脉冲输入,其输出为“0“态[11]。

本文将3对光电传感器采用“与”电路和“或”门电路进行整形，是考虑到当种粒下落经过此处时一定会遮盖住这3对光电传感器的任意1对，产生脉冲信号(图4)，因此3对传感器的信号端选择了与门和或门操作来实现对空、堵及重播的报警。

图4 整形电路原理图Fig.4 Schematic diagram of plastic circuit

2.3 无线模块电路

本试验采用nRF24L01芯片组成的无线收发模块，其优点可总结以下几点：传输速率最高可达 2Mbps，工作效率快；抗干扰能力强；功耗低，掉电模式下电流仅为 1μA；可软件设置地址，能够直连各种单片机使用，软件编程非常方便；由于无线模块的工作电压是 1.9～3.6V，因此可以将无线模块直接连接单片机的电源输出端，给其提供 3.3V 电压就可以正常工作。nRF24L01+的模式选择控制引脚 CE 置为 1 时，芯片工作在接收模式；IRQ 引脚是中断信号输出端，当数据发送或接收完毕后，IRQ 端口会发出中断信号，通知单片机及时对寄存器中的数据进行处理。

2.4 报警电路

为了改善播种机播种工况，提高播种机作业性能，在作业过程中播种机出现故障时，要及时进行报警，避免大面积缺苗、断垄等情况的发生[12]。为此，本文设计了故障报警电路，与主单片机的 P1.2 口连接。当输出的高低电平发生变化时，单片机判断故障类型并发送给主机，进而控制蜂鸣器报警；同时，液晶屏同步显示故障信息，提醒机手及时对故障做出处理。

3 软件设计

整个软件程序包括程序初始化、数据采集子程序、无线发射子程序、报警子程序和显示子程序。对 STC12C5A60S2 单片机及各控制芯片进行初始化，保证控制系统做好工作准备；调用信息采集及数据处理、运算子程序，调用无线传输子程序，当有信息需要发送或接收时，无线模块便会调整工作模式完成数据的无线收发；调用报警子程序，在播种机工作过程中，当发生漏播情况时，报警系统能够及时报警；调用显示子程序，实时对播种参数进行显示，当发生漏播故障时，显示屏会自动跳转到故障页面显示相关故障信息。系统的总程序框图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Master program flow diagram

4 实验分析与结果分析

4.1 排种量检测试验

试验在黑龙江八一农垦大学播种机进行，选择整理好的平整地面作为试验地。玉米种子型号为金山8号，种子直径6mm。选择3 000粒玉米种子进行排种量检测试验，将3 000粒种子随机分为15组，依次将各组种子进行试验，将试验结果进行误差分析。种子从排种箱匀速下落，经过安装在排种管内部的光电传感器，上位机得出种子下落的数目，将其与实际值进行比较，如表1所示。

表1 排种量检测结果Table 1 The results of the detection of seed volume

试验表明：该排种器监测传感器对排种量检测精度可以达到97.5%，达到工况要求，能够准确地检测排种量。

4.2 漏播和重播异常报警试验

在对漏播量和重播量进行统计时，取适量金山8号玉米种子随机分为3组，投入排种管内，为增加漏播重播种粒样本数量，在排种器与导种管之间加装了小挡板，种粒下落时有一部分会撞击挡板，相邻种粒的下落时间差将会改变，从而模拟排种异常状况。试验结果如表2所示。

在做异常警报试验时，采取人为制造异常的方法，来检测报警系统的灵敏度。报警试验时，在种子下落过程中将调速器关闭，人为地使两粒种子下落的时间间隔超过定时器警报时间t，用秒表记录多长时间上位机发出警报、显示屏显示故障信息。试验结果显示：在模拟漏播和排种堵塞的情况下，异常发生到传给上位机报警延时时间为2s，漏播和重播报警监测精度达到要求；排种器漏播报警可靠率100%，报警系统可靠率100%。

表2 监测精度试验Table 2 Monitoring accuracy test

5 结论

对排种器性能监测系统的综合测试表明：设计的交叉摆放光电传感器能够实现对排种过程的实时监控，并能对种箱排空和输种管堵塞等异常情况发出实时报警信号。该排种器监测传感器对排种量检测精度可以达到97.5%，对漏播量和重播量的监测精度分别为93.8%和94.2%，满足工况要求。