单行玉米电动播种控制系统的设计

匡丽红，赵雪，张博，石磊，王淞，张蕊

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.中国农业大学信息与电气工程学院）

在我国南方，由于受地理环境、耕地条件等因素影响，农户耕地分散，作业面积较小，通常采用小型拖拉机牵引单行播种机具进行播种生产作业，造成压实面积过大；受作业面积影响，机车作业行动不便；缺乏有效的监测手段，易造成漏播、断条等情况；同时，由于传统播种机地轮与排种器之间通过链条进行动力传递[1]，作业中的地轮打滑会严重影响播种均匀性[2]。因此，针对上述情况，研究一种具有小型牵引机构、自动监测工况的全电驱动播种机具具有重要意义。

目前，国外在电动播种机方面的研究比较成熟，已商品化，可以实现电动播种、施肥和工作状态监测等功能，功能齐全，作业效果良好，作业灵活性和效率高。日本研究了一种排种电控系统[3]，针对圆盘式排种器，按照落种周期设计驱动电路，驱动电磁调节装置控制种子的运动，驱动周期和落种时间要保持一致，才能保证正常播种作业，适合于低速播种作业。日本还研究了依据地轮转速实时调节播种量的自动控制系统[4]，通过速度传感器实时获取作业速度，按照输入作业参数、获取的作业速度，调整排种轴转速，通过试验数据对比发现，在播种株距变异系数方面，该系统优于传统地轮驱动的排种器。美国Precision Planting 公司以SeedSense 20/20 为核心，开发了变量播种控制系统[5-6]，每个播种单体可独立工作，由SeedSense 向单体控制模块下发作业速度、播种量等信息，单体控制模块根据指令信息计算电机理论转速，并将转速信息发送至电机驱动模块，电机驱动模块根据反馈速度，准确调节电机转速，功能完善，价格较高。美国Trimble 公司研发的Field-IQ 变量播种控制系统[7]，使用控制器通过CAN 总线发送播种转速指令，Rawson 播种单体驱动模块接收指令后，控制排种电机实施播种作业。

国内在播种状态监测方面的研究比较成熟，多数采用的是光电监测的方法[8-16]，而在电动播种作业方面的研究起步较晚，目前多处于实验室研究阶段。李剑峰等[17]研究的小麦播种机变量控制系统能够完成变量播种，可以实现数据的采集与处理，完成排种器转速的控制，在转速控制精度上有待提高。张国梁等[18]研究了播种机变量控制系统，电脑通过RS232通信将播种参数传送给单片机，并通过反射式光电传感器检测播种机的作业速度，单片机根据播种参数与作业速度调节步进电机转速，实现变量播种。娄秀华[19]研制的一种以单片机为核心的播种智能控制器，提前给单片机输入地块需要的播量，控制器计算出排种器转速与播种机前进速度之间的函数关系式，根据测量的机车作业速度对步进电机的转速进行实时调节，减少了地轮打滑对播种质量的影响，提高了播种均匀性。赵雪等[20]研究的气吸式玉米播种智能电控系统，以工控机为核心，单片机为控制器，根据机车速度实时调节排种直流电机，实现变量播种。

综上所述，国外的电动播种控制系统技术成熟，但引进成本高，而且适用性上有偏差，国内目前有少量引进，但功能不能全部适用，性价比降低。国内的研究主要是针对由机车牵引的多行作业机具的自动化问题，对于南方小地块的单行作业机具应用，具有局限性，而且牵引机车的作业不便，未能解决。因此，课题组提出了一种交流电机作为机具行进动力源、直流电机驱动排种器的单行电动播种机的方案，通过试验证明，其作业效果较好。

1 单行电动播种机的总体结构及原理

单行电动播种机结构及实物如图1 所示。系统包括了机具部分和动力源部分。机具部分有开沟器、覆土器、行走轮、排种器、液肥罐以及播种监控系统等；动力源部分包括牵引电机、卷盘、行走导轨及电机控制系统等。动力源部分安装在作业地块两端的工字钢上，可以移动，由两端的牵引电机作为机具动力源，一放一收，通过卷盘和钢丝牵引机具移动，整个机具四角下安装有万向轮，为保证其行走轨迹不发生偏移，要求释放钢丝电机和收卷钢丝电机要同步，保持机具前后受到一定的牵引力，才能保证其直线行走轨迹。根据南方作业地块特点，钢丝长度定为100 m，采用单相交流电机带动卷盘，卷盘通过钢丝牵引机具做直线运动，卷盘收放速度为12 m·min-1，作业速度小于1 km·h-1。

排种器选用的是毛刷式大豆、玉米排种器，排种器受同轴直流电机旋转驱动，播种控制系统通过一个专用的测速轮采集机具作业速度，根据机具速度调节直流电机转速，使播种株距达到要求，每次到达地头，机具需要横向移动一条作业带时，测速轮抬起锁住，以免误认为是机具处于作业状态。

图1 单行电动播种机结构框图及机具实物图Fig.1 The structure diagram of single-row motor-driven seeder

2 电动播种监控系统结构设计

电动播种监控系统结构如图2 所示。系统包括微处理器、作业速度传感器、作业工况传感器、作物类型选择输入、步进电机控制电路、声光报警电路等。

控制单片机根据作业速度传感器或者GPS 模块获取的机具速度，通过驱动电路实时调节排种电机转速，在播种起始和结束时电机转速变化较大，正常播种时电机转速变化较小，同时，监测单片机实时监视导种管中种子下落情况，一旦发生异常，立刻驱动声光报警电路，同时通知控制单片机停止播种作业。

图2 电动播种监控系统结构图Fig.2 The schematic diagram of motor-driven seeder control system

根据排种器选择合适的电机是保证播种合格率的重要因素。结合系统重量、体积、成本等因素考虑，系统选用了哈尔滨双福农机公司生产的毛刷式排种器，玉米盘型孔数为15，省去了风机的成本，降低整机重量和功耗。为确定排种器转动扭矩，将排种器中充满实验玉米种子，采用精度为0.1 N.m、量程为0~135 N.m 的开拓扭力测试仪进行测量，得到扭矩为4.5 N.m，考虑到排种过程可能会存在卡种等情况，驱动扭矩至少为转动扭矩的2 倍。根据需求和现场条件，作业速度需控制在1 km·h-1以下，机架下四个万向轮轮径为200 mm，株距为250 mm，根据表达式（1），计算最大转速为4.45 rpm。

式中，n 为转速（rpm），v 为机具前进速度（km·h-1），k 为排种盘的型孔数，s 为株距（m）。该排种器要求驱动电机应具有低转速、大扭矩的特点。如果采用普通的775 型直流减速电机，虽然功耗低，但是在低速下电机抖动，并且一旦卡种，电机就会损坏。因此，系统选用了57 步进电机配二级减速器的方法，输出扭矩最大可以达到30 N.m，步距角1.8 °，电源范围24~48 VDC，实验测试，低速下电机无抖动。

准确获得机具的实时速度，根据行进速度及时调节排种电机的转速，是保证合格粒距的重要前提。因此，设计了两套测速装置。一是预留的GPS 模块接口，在没有差分基站和低速作业的情况下，GPS 模块输出速度波动大，无法作为电机调速依据，如果当地具备了差分基站，可以利用GPS 模块获取准确的作业速度和位置信息，用于统计作业量等信息。二是在机具上装配了一个可伸缩的测速胶轮，直径200 mm，可根据机具运动方向调节其升降，通过安装在测速轮上的光电码盘，码元数为200，实时采集机具前进速度；微处理器根据获得的脉冲数，由表达式（2）计算出机具速度：

式中，v 为机具作业速度m·s-1，N 为编码器输出的脉冲数，d 为测速地轮直径mm，K 为光电码盘码元数，t 为采集周期s。由于测速地轮存在打滑现象，根据现场土质，将表达式（2）计算的速度乘以打滑率0.9，该系数可根据土质条件进行修改。微处理器根据作业速度计算出当前排种器的理论转速，调节步进脉冲，使排种器达到理论转速，保证播种株距。

由于播种作物可以是玉米和大豆，通过两位开关作为作物类型输入选择，以便于根据播种株距计算电机转速。为防止出现漏播情况，采用工况监测传感器，实时监测导种筒中种子流运动情况，一旦发生漏播，驱动警示灯，发出声光报警信息。避免电线过长、干扰机械运动，播种监控系统电源采用36 V 100 AH的锂电池供电，充满电为42 V，完全能够满足一天的作业用电量。

3 电动播种监控系统电路设计

电动播种监控系统是由三个微处理器单元构成的集散控制系统，微处理器均采用STC15W401，具有一个串口、两个定时器，程序存储器1KB，SRAM 容量256 B，2.4～5.5 V 的宽电源电压范围，在蓄电池供电情况下，也能稳定工作。微处理器1 的部分电路如图3 所示，主要完成与GPS 模块的通信，GPS 模块采用的是GS-216，每秒传输一次位置坐标和速度信息，价格低，但是精度不高，尤其是速度采集误差较大，需要建立差分基站，以提高定位和速度精度，微处理器1 通过MAX232 与GPS 模块通信，获取速度信息后，通过SPI 接口，将速度信息传输给微处理器2 和微处理器3。

图3 微处理器1 与GPS 模块接口电路Fig.3 The interface circuit of MCU 1# with GPS module

微处理器2 为整个系统的核心，它完成采集机具速度、排种器速度控制和电池电压监测等功能，部分电路如图4 所示。由于试验现场无差分基站，GPS模块采集的速度误差相对较大，因此，利用安装在测速轮上的光电码盘测量机具速度，利用单片机的两个16 位定时器，累计相邻两个脉冲间隔时间，根据表达式（2），计算机具行进速度。根据机具速度、作物类型和株距要求，使用表达式（1）计算得到电机理论转速，利用1 个16 位定时器和1 个I/O 口产生所需步进脉冲，控制排种器的转速，使其达到播种株距要求。由于播种控制系统采用锂电池供电，需要保证锂电池不能亏电而影响播种作业，同时避免其过放电，缩短电池寿命，因此，采用DSC_CN302 监测锂电池电压，CN302 是一款可调整迟滞的低功耗电压检测集成电路，如果FTH 管脚电压低于CN302 下行阈值，在短暂延时（典型值13 μs）后，5 脚输出低电平，CN302 特别适合检测单节或多节锂离子电池；通过其外围的三个电阻匹配，构成其上行和下行阈值，即可完成锂电池电压监测。在系统设计中，当电池电压低于31 V 时，5 脚输出低电平，引起微处理器2 产生外部中断，微处理器2 点亮电量指示灯，提示操作人员注意。

图4 微处理器2 与电池电量监测电路图Fig.4 The circuit of MCU 2# and battery level monitor

微处理器3 主要完成播种状况监测功能，当收到机具工作信息时，开始循环检测种管中种子流情况，一旦发生堵塞或者排空，立即启动24 V 高分贝旋转式声光报警器工作，并将故障信息发送给微处理器2。

4 电动播种监控系统软件流程

电动播种监控系统微处理器2 的软件流程如图5 所示。系统开机后，单片机上电初始化，读取播种作物类型，检测机具是否运动，如果未做移动，则处于待机状态，如果机具移动，则判定为机具开始工作，获取机具速度信息，并将开始工作信息发送给微处理器3，使其开始检测种管中种子流情况，根据获取的速度信息和作物类型信息，确定排种器当前的理论转速，输出转速调节脉冲，一旦微处理器3 监测到播种异常信息，立即向微处理器2 发出报警信息，并发出声光报警，微处理器2 停止电机工作，直到机具再次移动，恢复正常工作状态。三个微处理器之间采用SPI 通信，利用中断方式工作，提高每个单片机的工作效率。电池电量监测采用的是外部中断方式，一旦电池电压低于31 V，在微处理器2 的外部中断引脚产生低电平，触发中断，在中断处理中，点亮低电量指示灯。

图5 微处理器2 软件流程Fig.5 The software flowchart of MCU 2#

5 系统试验

系统性能试验于2018 年7 月在黑龙江八一农垦大学土槽实验室进行，2019 年5 月于湛江市热带植物研究所完成了田间试验。试验作物为千粒质量为313.8 g 的德美亚1 号玉米种子，株距设定为250 mm，测速轮直径200 mm，作业距离为50 m，作业速度小于1 km·h-1，主要进行了株距合格率、重播率和漏播率测试，检验电动播种是否满足国标要求，株距检验使用量程30 cm、精度1 mm 的钢尺，人工数种校对。进行了20 组实验，重复5 次。统计试验结果如表1 所示。

表1 播种均匀性测试Table 1 Uniformity test of the seeder

国家在《JB/T10293-2001 单粒（精密）播种机技术条件》对精密播种机要求的作业指标中规定：当株距≥20 cm 时，精密播种机作业性能指标应达到粒距合格指数≥80%，重播指数≤15%，漏播指数≤8%。表1 中结果表明，单行电动播种机各项指标符合上述规定，试验中重播指数较高的原因是：种子筛选不严格，导致小粒种子在同穴重复下落。漏播指数较高的原因是：在部分地块不平整，机具速度有突变，排种电机转速调节延迟，导致出现漏播。另外，机具在启动和停止阶段，速度变化较为剧烈，造成排种器速度不能及时跟随机具速度，从而引起作业地块两端的株距合格率降低。因此，针对速度突变情况，如何调节电机转速仍需深入研究。

作业状况监测试验，通过人为设置排种管堵塞或排空故障，检查响应时间和误报警情况。进行了10组试验，分别设置在作业地块的起始段、中间段和停止段，观察其报警正确率、报警响应时间、排种电机是否停转、是否正常启动工作等。通过试验得到，误报警率达到2%，报警响应时间＜0.3 s，每次故障时排种电机都能正常停止，当机具再次移动时，能够正常转动。误报警率高的原因在于：毛刷排种器经过了改造，转动不顺畅，导致电机偶尔出现脉动，对种管监测探头形成干扰，需要提高其抗干扰能力。

6 结论

针对南方小地块作业的特点，设计了一种全电驱动的单行玉米播种机，由交流电机作为动力源，带动排种单体移动，采用直流电机作为排种器动力源，去除链传动，减轻作业负荷，对种管工作状态进行实施监测，避免出现漏播、断条情况。实验结果表明，播种株距合格指数＞95.3%，重播指数＜3%，漏播指数＜2.7%，满足国标要求，误报警率2%，响应时间＜0.3 s。该套机具及控制系统能够大大减轻小地块作业对机车的要求，减少人力投入，提高作业效率。当然，系统在随动控制和误报警率方面，有待于进一步提高。