批次式种子清选机自动控制系统设计

李永磊，万里鹏程，徐泽昕，袁 昊，陈海军，宋建农

批次式种子清选机自动控制系统设计

李永磊1，万里鹏程1，徐泽昕1，袁 昊1，陈海军2,3※，宋建农1

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；3. 农业农村部农产品产后处理重点实验室，北京 100125）

批次式种子清选机是为满足试验小区种子特殊加工要求而研制的专用装备。为解决种子批次处理过程中操作工序多、劳动强度大、作业效率低等问题，该研究基于ARM（Advanced RISC Machine）嵌入式系统设计了批次式种子清选机自动控制系统。该系统由给料余量监测、筛面变频振动、激振清筛控制、筛面倾角调节等功能模块组成，以物料位置和状态信息为主要控制条件，采用优先控制策略及变频控制优化模型，明确了给料速度、振动频率、激振频率、筛面倾角的控制方法，实现物料位置特征信息精准提取、工作参数动态调整、作业过程自动控制及筛面高效清理。控制系统运行准确性试验结果表明，筛面倾角、给料速度、振动频率变异系数均小于3.19%，满足使用要求。在前期研究基础上开展批次式清选机作业性能试验，综合考察清选机自动控制下的作业质量。试验结果表明：设定工况下自动控制系统运行正常、工作可靠，净度、种子获选率、批次作业时长、作业效率变异系数分别为0.15%、0.26% 、2.2%和2.19%，实现了批次式种子清选机的自动化作业。研究结果可为种子及其他颗粒物料的批次处理装备自动化设计提供参考，为智能装备的研发奠定基础。

试验；设计；小区；种子清选；自动控制；变频振动

0 引 言

农作物品种选育田间试验是现代种业的重要内容，是新品种选育及推广应用的基础和关键。田间试验通常以试验小区为基本种植单位[1-3]，其种植农艺和试验要求具有种植品种多、单品面积小、间隔种植、重复试验、同步试验等特殊性，田间试验机械化已发展成为相对独立的、特殊的机械化技术体系。中国田间试验机械研究起步较晚，投放市场的适用技术装备缺乏，田间试验机械化已成为种业机械化发展的瓶颈[4-6]。

随着现代商业化育种体系建立和发展，国内外种业公司新品种选育试验规模不断增大，品种选育田间试验安排数百上千乃至上万个试验小区已成常态。试验小区面积多为5～20 m2，收获种子约5～15 kg，甚至更少[7-10]。通常人工或机械收获后的种子中含有碎秸秆、不成熟粒、不完善粒及灰尘等杂质（含杂率约为4%～10%），需进行基本清选处理后方可入库存储或开展后续试验研究[11-13]。为避免混杂，每个小区收获后的种子采用尼龙网袋独立包装并做好标记。目前，试验小区种子处理多用简易工具辅助清选或采用小型通用筛选机或风筛清选机简单清选，普遍存在劳动强度大、作业效率低，通用设备种子易残留及清机不便耗时长等问题[14-16]，迫切需要研发适用于试验小区种子处理的专用装备。陆荣等[17]为满足试验小区花生脱壳与清选作业需要研制了立锥式小区花生脱壳机及三通道横流气吸清选装置；王升升等[18]设计了用于大白菜种子收获的由内流式圆筒筛、横流吸杂风机等组成的分离清选装置。针对试验小区种子品种数量多、每份种子质量少、分批次非连续作业、种子不能混杂及作业效率较高等特殊需求，作者团队研制了批次式种子清选装置[19]，系统集成了批次供种、风选除杂、筛选分级、筛面清理等作业工序，基本实现了试验小区种子批次处理作业。但是该装置采用简易电控系统和手动操作作业方式，存在操作工序多、劳动强度大、作业效率低等问题，亟需提高作业自动化程度。

近年来，嵌入式系统[20-22]、光电传感[23-27]等现代信息技术在农业装备领域得到广泛应用[28-31]。针对批次式种子清选机工作特性与自动化控制要求，本文基于ARM（Advanced RISC Machine）嵌入式系统研发了自动控制系统，具有物料状态信息精准获取、工作参数动态调整、筛面高效清理和作业过程稳定控制等功能，并进行样机试验，以实现清选机作业过程自动化。

1 系统结构与工作原理

1.1 批次式种子清选机结构

清选机结构如图1所示，由机架、供料系统、风选系统、筛分装置、驱动装置及控制系统等组成。

供料系统、筛分装置、驱动装置安装在机架上，供料系统采用直线电磁振动给料器供料；驱动装置采用变频电机驱动偏心轴连杆装置提供动力；筛分装置采用开放式框架结构和双层组合筛片，在驱动装置带动下近似往复直线运动完成筛选作业；风选系统由清选风道和旋风分离器组成，清选风道安装在供料系统与筛分装置之间，旋风分离器安装在可移动支架上。控制系统包括STM32主控制系统、终端显示模块、给料余量监测模块、筛面倾角调节模块、筛面变频振动模块、激振清筛控制模块、适配电源模块等功能模块，完成清选机工作参数监测与作业过程控制。

1.2 工作原理

批次式种子清选机主要通过风选、筛选完成试验小区种子的基本清选除杂和尺寸分级，其清选作业过程主要包括参数设置、供料筛分、振动清机、工况复位4个步骤。参数设置：在终端显示模块中选择种子类型，确认筛片规格尺寸，设定适用给料速度、振动频率、筛面倾角、风选风速等工作参数，启动自动运行程序。供料筛分：人工放入料斗的一个批次种子（1个试验小区种子）通过供料系统直线电磁振动给料器向清选风道均匀供料，物料在清选风道中完成风选除杂后进入筛分装置，筛分装置根据外形尺寸将物料筛分为大杂、合格种子、小杂3级，并由各层出口流入收集器中。振动清机：筛分后期适度增加筛面振动频率并适时启动激振清筛电机，通过提高筛面抛掷强度和额外增加高频激振力，提高筛面清理效率和清筛效果；及时检查筛面，防止筛孔卡种和种子残留。工况复位：每批次种子清选作业完成后，将相关工作参数恢复至初始设定值，准备进行后续作业。批次式种子清选机作业过程相较于通用型风筛清选机作业的特殊性在于采用物料状态监测和各变频振动清机等技术措施，确保筛面无种子残留，防止批次间种子混杂。

1.3 控制方案

控制系统结构如图2所示。控制系统以STM32（型号为F407ZGT6）微控制器为处理核心，完成传感信号的及时处理及作业过程控制；终端显示模块采用DGUS串口屏（型号为DMT80600T104），在DGUS ToolV5.04环境下开发软件实现人机交互界面与微处理器数据双向、高效传输；给料余量监测模块采用的1号对射型光电传感器获得料斗物料料位信息，根据控制策略动态调整料速度；筛面变频振动模块采用2号、3号两组对射光电传感器获得下层筛片前端和末端物料状态信息，根据控制策略调整筛面驱动电机转速，从而实现振动频率动态调整；激振清筛控制模块，基于2号、3号传感器返回信号，采用间断触发方式启动驱动清筛振动电机（型号为PUTA30）产生间歇高频激振力辅助完成筛面清理作业。筛面倾角调节模块采动态倾角传感器（型号为BW-VG227）获取筛面倾角实时数据，驱动步进电机（型号为57HS22）带动倾角调节装置实现筛面倾角精准调控；适配电源模块分别提供AC220 V、DC24 V、DC12 V、DC5 V电源。采用角度传感器倾角信息反馈和辅助位移限位开关实现筛分装置安全限位和系统复位。

表1 清选机工作状态与控制策略

2 控制系统硬件设计

2.1 总体设计

以STM32F407ZGT6微控制器为处理核心，以迪文DGUS串口屏为显示终端，采用TTL串口通讯/RS485通讯，通过采集光电传感器通断信号、倾角传感器角度信息并执行系统控制策略，完成电磁振动给料器、筛面驱动电机、清筛振动电机、倾角调节电机、风选风机等部件的运动控制，实现振动给料、物料筛分、变频振动清机、高频振动清筛、筛面倾角调整功能。控制系统硬件组成如图3所示。

2.2 STM32主控制系统

STM32F407ZGT6微控制器具有12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA 控制器、3个IIC、6个串口、2个USB、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC以及112个通用IO口等，能够满足系统搭建需求。

自动控制系统主体电路如图4所示，PF9为控制筛面振动频率的PWM1脉冲输出端口，通过MOS管放大作用控制交流电机转速；PF6为控制筛面倾角的PWM2脉冲输出端口，改变定时器使能与非使能模式控制倾角调节电机启停，PF2端口置1时正转、置0时反转；PF7为控制电磁振动给料器的PWM3脉冲输出端口，通过MOS管连接到数字变压调速器上，通过改变给料器输入电压实时调节给料速度。

2.3 终端显示模块

终端显示模块选用迪文DGUS串口电阻触摸屏，能够搭建丰富的GUI解决方案，满足控制系统人机交互设计需求。串口屏10.4寸面板，485通讯数据传输，工作电压5～15 V，工作温度-20～70 ℃。

2.4 给料余量监测模块

光电传感器工作电压DC12～24 V，响应时间25s～2 ms、最大环境亮度30 000 lux、耐受振频10～55 Hz。SDVC31-M型调速器，最大输出功率660 W，许用电压范围AC85～260 V；SKD140型电磁振动给料器振幅0.5～1 mm、功率25 W、适用电压范围170～195 V。

2.5 筛面变频振动模块

采用SCA-3C交流电机调速器调控筛面驱动电机转速实现振动频率调整。筛面驱动电机工作电压220 V，最大转速500 r/min。

2.6 激振清筛控制模块

2.7 筛面倾角调节模块

筛面倾角是影响物料筛分质量和效率的重要因素。本文采用动态倾角传感器实时获取筛面倾角数值，采用DM542驱动器根据控制要求驱动倾角调节电机正反转，带动X型支架升起或降落，进而实现倾角精准调控（4°～7°）。

倾角调节电机扭矩2.3 N·m，许用电流1～4.2 A，驱动器支持3.3、5和24 V脉冲信号。动态倾角传感器工作电压DC12 V，动态测量精度1°，系统启动时间<50 ms，俯仰角读取范围为±90°，抗冲击性能优良。

3 控制系统软件设计

3.1 控制流程

为解决顺序作业流程中3组光电传感器信号的时序冲突、意外信号干扰等问题，调用外部中断资源，根据控制需要设置4个不同优先级的标志位，1级为最高优先等级，当多个标志位同时启用时执行高优先级。通过设定许用和禁用功能进一步提高控制系统稳定性。标志位优先级及功能设置如表2所示。

表2 标志位优先级及功能设置

控制系统以Keil uVision5软件为开发环境，根据控制要求，控制器接收串口显示屏交互数据，解析传感器信息，判定清选机工作状态，然后依据制定的控制策略执行相应的控制动作。控制系统工作流程如图5所示。

3.2 人机交互界面

控制系统基于迪文DGUS串口屏开发人机交互界面。人机交互界面包括入口页面、菜单页面、参数设置界面（匹配玉米、水稻、小麦等不同作物种子），具备系统操作信息、工作参数设置、筛片规格提示信息等功能。

控制器采用TTL串口通信与人机交互界面进行双向、高效数据传输。参数设置模块支持工作参数实时输入，各主要参数调节范围及步长分别设置为：风速3.5～8.5 m/s，步长0.1 m/s；给料速度34～68 g/s，步长1 g/s；振动频率5.5～8.3 Hz，步长0.1 Hz；筛面倾角4°～7°，步长0.1°，修改后的参数自动存储并置为系统初始值。

3.3 给料速度控制方法

清选机采用SKD140型直线电磁振动给料器进行批次供料，给料速度通过调整配套SDVC31-M型数字变压调速器输出电压调控。

控制器调用TIM11通道1的PWM（Pulse-Width Modulation）波，通过调整比较捕获寄存器赋值改变PWM波占空比，在PF7端口输出可调节电压值。PF7端口输出电压值与比较捕获寄存器赋值之间关系如式1所示。

PF7端口电压值经过MOS管（MOSFET）电压放大后输入SDVC31-M调速器驱动电磁振动给料器给料。受机械结构、工作负载等影响，PF7端口输出电压与给料器给料速度呈现非线性关系。PF7端口电压与给料速度对应关系如表3所示。

PF7端口电压与给料速度二次多项式拟合方程如式（2）所示。

表3 PF7端口电压与给料速度对应关系

3.4 振动频率控制方法

筛分装置在筛面驱动电机、偏心轴连杆装置带动下近似往复直线运动，振动频率通过改变筛面驱动电机转速进行调节。

STM32调用定时器TIM10通道1产生的PWM波，通过调整比较捕获寄存器赋值改变PWM波占空比，在PF9端口输出可调节电压值。PF9端口电压经MOS管放大后形成控制电压，接入SCA-3C交流电机调速器电压输入端口后调控6GU3K-C15交流电机转速。MOS管输出电压由式（3）计算。

由于电路存在电压损失，对振动频率与比较捕获寄存器赋值进行标定。根据前期研究结果[19]，选择振动筛分适用频率为6.12～7.4 Hz，最高振动频率8.3 Hz，TIM10比较捕获寄存器赋值分别为105～150，92。标定数据详见表4。

3.5 激振频率控制方法

清筛振动电机高频间歇振动（时长约3 s、间隔1 s）3～5次能够有效清除筛孔卡种和筛面残留种子。

清筛振动电机PUTA30输入电压为0～24 V，可以通过继电器通断直接控制电机启停，根据前期试验选择适用电压值为20 V。控制器设置PF0推挽输出模式，由PF0端口输出电平控制继电器常开开关的开闭；通过设置高低电平输出时序能够控制清筛振动电机间歇启停。

表4 振动频率-TIM10赋值标定数据

注：1~8为标定点。

Note: 1-8 calibration points.

3.6 筛面倾角控制方法

倾角调节装置以BWD-VG227动态倾角传感器角度返回值为控制信号通过DM542驱动器驱动倾角调节电机，进而带动X型支架升起或降落实现筛面倾角调节。

控制器采用RS485通讯方式实时读取倾角传感器返回值并与设置的角度阈值进行比较，达到设置值后关闭定时器，倾角调节电机停止工作。控制器调用TIM14通道1的PWM波，驱动器驱动步进电机转动；PF2端口与驱动器DIR+输入口相连，通过高低电平控制倾角调节电机正反转。

4 控制系统准确性试验

4.1 筛面倾角控制准确性试验

采用BB-180A型角度传感器测量筛面倾角实际角度值并与系统设定值相较计算其变异系数，倾角调节范围4°～7°，调节步长0.5°，每组试验重复5次。试验指标变异系数CV由式（5）计算。

试验结果如表5所示，各角度实测值与设定值的最大误差为0.11°～0.18°，变异系数为1.58%～2.74%。

表5 倾角控制准确性试验结果

4.2 给料速度控制准确性试验

以3 kg玉米种子为对象测定给料速度准确性，根据振动给料器输送能力选取40、45、50、55、60、65 g/s共6个水平，使用ULTRAK-DT459计时器记录批次给料时长，每组试验重复5次，计算给料速度变异系数。

试验结果如表6所示，各工况给料速度最大误差为1.2～2.2 g/s，变异系数为1.61%～3.19%，均满足使用要求。

表6 给料速度控制准确性试验结果

4.3 振动频率控制准确性试验

使用UT372非接触电机转速测速仪采集筛面驱动电机转速并转换为振动频率。根据种子筛分所需振动频率选取5.5、6、6.5、7、7.5、8 Hz共6个水平，每组试验重复5次，由式（5）计算变异系数。

试验结果如表7所示，各工况振动频率最大误差为0.14～0.23 Hz，变异系数为1.38%～2.55%，均满足使用要求。

表7 振动频率控制准确性试验结果

5 样机性能试验

为了验证自动控制系统稳定性和可靠性，评估控制系统的作业效果，在批次式种子清选机试验样机上加装研制的自动控制系统，开展样机性能试验。

5.1 试验方案

5.1.1 试验条件

根据前期试验结果[19]，确定清选机控制系统存储优选工作参数为风选风速4.2 m/s、筛面倾角5.6°、给料速度52 g/s、振动频率6.4 Hz、振幅5 mm；在该参数条件下进行10次重复试验。试验装置如图6所示。

5.1.2 试验方法

将3 kg玉米种子倒入供料系统后，启动自动控制程序开始清选作业。采用秒表统计作业时间，包括供料筛分时长、振动清机时长、工况复位时长；采用电子秤分别称量合格种子质量、合格种子中杂质质量，进行10次重复。

5.1.3 试验指标

5.2 结果与分析

试验过程中自动控制系统运行正常，每批次的清选作业过程顺畅、无故障或意外停机。

表8 性能试验结果表

采用上述玉米种子试验方法和试验指标开展水稻、小麦、白菜种子清选加工适应性试验。试验场景如图7所示，清选作业后水稻种子净度99.3%，种子获选率98.8%，作业效率41.7 g/s；小麦种子净度99.5%，种子获选率99.3%，作业效率52.5 g/s；白菜种子净度98.5%，种子获选率98.6%，作业效率33.4 g/s。试验结果表明，批次式清选机对水稻、小麦、白菜种子具有较好的适应性，清选质量合格。

6 结 论

1）设计了批次式种子清选机自动控制系统，包括STM32主控制系统、终端显示、给料余量监测、筛面变频振动、激振清筛控制、筛面倾角调节等功能模块，具备参数设置、振动给料、物料筛分、变频振动清机、高频振动清筛、筛面倾角调整等功能，实现了作业过程自动控制。

2）自动控制系统以STM32单片机为控制核心，以物料位置和状态信息为主要控制条件，通过引入优先标志位优化清选机顺序作业控制流程；提出了筛面倾角、给料速度、振动频率等关键参数的控制方法，制定了作业过程优化控制策略，实现了种子清选机准确控制。

3）清选机试验样机性能试验结果表明：玉米种子清选作业过程流畅、自动控制系统运行正常；在设定工况下净度、种子获选率、批次作业时长、作业效率的变异系数分别为0.15%、0.26%、2.2%和2.19%，清选机作业质量满足使用要求。

[1]尚书旗，杨然兵，殷元元，等. 国际田间试验机械的发展现状及展望[J]. 农业工程学报，2010，26(增刊1)：5-8. Shang Shuqi, Yang Ranbing, Yin Yuanyuan, et al. Current situation and development trend of mechanization of field experiments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010(Supp. 1): 5-8. (in Chinese with English abstract)

[2]周新，王育红，王正方，等. 2019年黄淮海区玉米品种筛选试验[J]. 现代农业科技，2020(17)：24-27. Zhou Xin, Wang Yuhong, Wang Zhengfang, et al. Maize variety screening test in the Huanghuai Sea area in 2019[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2020(17): 24-27. (in Chinese with English abstract)

[3]杨薇，李建东，方宪法，等. 玉米育种播种机械化国内外现状及发展趋势[J]. 农业工程，2018，8(6)：9-15. Yang Wei, Li Jiandong, Fang Xianfa, et al. Domestic and foreign current situation and developent trend of seeding mechanization in maze breeding[J]. Agricultural Engineering, 2018, 8(6): 9-15. (in Chinese with English abstract)

[4]朱明，陈海军，李永磊. 中国种业机械化现状调研与发展分析[J]. 农业工程学报，2015，31(14)：1-7. Zhu Ming, Chen Haijun, Li Yonglei. Investigation and development analysis of seed industry mechanization in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[5]常建国，刘兴博，叶彤，等. 农业小区田间育种试验机械的现状及发展[J]. 农机化研究，2011，33(2)：238-241. Chang Jianguo, Liu Xingbo, Ye Tong, et al. Agricultural plot field trial breeding status and development of machinery[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(2): 238-241. (in Chinese with English abstract)

[6]王浩，唐勇伟，董振振，等. 基于小区育种路径自对齐的小麦小区播种机改进[J]. 浙江农业学报，2019，31(10)：1709-1716. Wang Hao, Tang Yongwei, Dong Zhenzhen, et al. Self-alignment algorithm of wheat plot breeding path based on Beidou satellite positioning[J], Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2019, 31(10): 1709-1716. (in Chinese with English abstract)

[7]王明湖，翟婧，王淼，等. 水稻品种田间小区种植鉴定程序与技术要点[J]. 中国稻米，2019，25(5)：105-107. Wang Minghu, Zhai Jing, Wang Miao, et al. Identification procedures and technical points of rice varieties in field plots[J]. China rice, 2019, 25(5): 105-107. (in Chinese with English abstract)

[8]中华人民共和国农业部. 农作物品种区域试验技术规程小麦：NY/T 1301-2007[S]. 北京：中国农业出版社，2007.

[9]中华人民共和国农业部. 农作物品种区域试验技术规范水稻：NY/T 1300-2007[S]. 北京：中国农业出版社，2007.

[10]中华人民共和国农业部. 农作物品种试验技术规程玉米：NY/T 1209-2006[S]. 北京：中国农业出版社，2006.

[11]王家胜，王东伟，尚书旗，等. 4LZZ-1. 0型小区稻麦联合收割机的研制及试验[J]. 农业工程学报，2016，32(18)：19-25. Wang Jiasheng, Wang Dongwei, Shang Shuqi, et al. Development and experiment on 4LZZ-1. 0 type plot grain combine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 19-25. (in Chinese with English abstract)

[12]魏丽娟，戴飞，韩正晟，等. 小区小麦育种联合收获机试验研究[J]. 浙江农业学报，2016，28(6)：1082-1088. Wei Lijuan, Dai Fei, Han Zhengsheng, et al. Experiment on plot wheat breeding combine harvester[J]. Acta Agriculturae Zhejianggensis, 2016, 28(6): 1082-1088. (in Chinese with English abstract)

[13]孙钦华，李国莹，王勇，等. 稻麦繁育收获机研究现状及展望[J]. 农业工程，2020，10(3)：7-11. Sun Qinhua, Li Guoying, Wang Yong, et al. Research situation and prospect of rice and wheat breeding harvesters[J]. Agricultural Engineering, 2020, 10(3): 7-11. (in Chinese with English abstract)

[14]周涧楠. 种子清选机的设计与试验[D]. 合肥：安徽农业大学，2017. Zhou Jiannan. Design and Experimental Study on the Seed Cleaning Machine[D]. Hefei: Anhui Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[15]金诚谦，李庆伦，倪有亮，等. 小麦联合收获机双出风口多风道清选作业试验[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：26-34. Jin Chengqian, Li Qinglun, Ni Youliang, et al. Experimental study on double air outlet multi-ducts cleaning device of wheat combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 26-34. (in Chinese with English abstract)

[16]冷峻，栗晓宇，杜岳峰，等. 单纵轴流谷物联合收获机清选装置内部流场分析与优化[J]. 农业工程学报，2020，36(11)：39-48. Leng Jun, Li Xiaoyu, Du Yuefeng, et al. Analysis and optimization of internal flow field of cleaning device of single longtitudinal axial flow grain combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(11): 39-48. (in Chinese with English abstract)

[17]陆荣，刘志侠，高连兴，等. 立锥式小区花生脱壳机气吸清选装置研制[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：23-30. Lu Rong, Liu Zhixia, Gao Lianxing, et al. Development of air suction and cleaning device of vertical cone type peanut sheller in small area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 23-30. (in Chinese with English abstract)

[18]王升升，陈盼，卢梦晴，等. 大白菜种子收获分离清选装置设计与试验[J]. 农业机械报，2020，51(S2)：181- 190. Wang Shengsheng, Chen Pan, Lu Mengqing, et al. Design and experiment of separation and cleaning device for chinese cabbage seeds harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(S2): 181-190. (in Chinese with English abstract)

[19]李永磊，万里鹏程，陈海军，等. 批次式种子清选装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(23)：48-58. Li Yonglei, Wan Lipengcheng, Chen Haijun, et al. Design and experiment of batch seed cleaning device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 48-58. (in Chinese with English abstract)

[20]丁力，宋志平，徐萌萌，等. 基于STM32的嵌入式测控系统设计[J]. 中南大学学报：自然科学版，2013，44(S1)：260-265. Ding Li, Song Zhiping, Xu Mengmeng, et al. Design of embedded measurement and control system based on STM32[J]. Journal of Central South University: Natural Science Edition, 2013, 44(S1): 260-265. (in Chinese with English abstract)

[21]Letizia De Maria, Daniele Bartalesi, Roberto Luigi Brambilla, et al. Optical voltage transducer for embedded medium voltage equipment: Design and parameters optimization[J]. Proceedings, 2019, 15(1), 17.

[22]邢高勇. 小区谷物联合收获机的智能调控系统研究[D]. 镇江：江苏大学，2019. Xing Gaoyong. Study on Intelligent Control System of Grain Combine Harvester in Residential Area[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[23]王在满，裴娟，何杰，等. 水稻精量穴直播机播量监测系统研制[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：9-16. Wang Zaiman, Pei Juan, He Jie, et al. Development of rice precision hole direct seeding machine sowing monitoring system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[24]Lu Caiyun, Fu Weiqiang, Zhao Chunjiang et al. Design and experiment of real-time monitoring system for wheat sowing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 32-40.卢彩云，付卫强，赵春江，等. 小麦播种实时监控系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：32-40. (in English with Chinese abstract)

[25]贾洪雷，路云，齐江涛，等. 光电传感器结合旋转编码器检测气吸式排种器吸种性能[J]. 农业工程学报，2018，34(19)：28-39. Jia Honglei, Lu Yun, Qi Jiangtao et al. Photoelectric sensors combined with rotary encoders to detect the suction performance of suction metering devices[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 28-39. (in Chinese with English abstract)

[26]赵立新，张增辉，王成义，等. 基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统设计[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：27-34. Zhao Lixin, Zhang Zenghui, Wang Chengyi, et al. Design of integrated monitoring system for wheat precision seeding and fertilization based on variable distance photoelectric sensor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 27-34. (in Chinese with English abstract)

[27]安晓飞，付兴兰，孟志军，等. 光电信号与收割机谷物产量数据转换模型的构建与验证[J]. 农业工程学报，2017，33(S1)：36-41. An Xiaofei, Fu Xinglan, Meng Zhijun, et al. Construction and verification of photoelectric signal and harvester grain yield data conversion model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(S1): 36-41. (in Chinese with English abstract)

[28]范传辉，连瑞瑞，余永昌，等. 新型小区大豆脱粒机的设计[J]. 大豆科学，2017，36(1)：138-142. Fan Chuanhui, Lian Ruirui, Yu Yongchang, et al. Design of a new type of soybean thresher in small area[J]. Soybean Science, 2017, 36(1): 138-142. (in Chinese with English abstract)

[29]肖迎春，王霜，来旭忠. 小区收割机分离清选多杆机构设计与分析[J]. 江苏农业科学，2016，44(10)：382-386. Xiao Yingchun, Wang Shuang, Lai Xuzhong. Design and analysis of multi-bar mechanism for separation and cleaning of plot harvesters[J]. Jiangsu Agricultural Science, 2016, 44(10 ): 382-386. (in Chinese with English abstract)

[30]魏丽娟，戴飞，韩正晟，等. 小区小麦育种联合收获机试验研究[J]. 浙江农业学报，2016，28(6)：1082-1088. Wei Lijuan, Dai Fei, Han Zhengsheng, et al. Experimental study on wheat breeding combine harvester in plot[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2016, 28(6): 1082-1088. (in Chinese with English abstract)

[31]高爱民，戴飞，孙伟，等. 小区小麦育种收获机锥型脱粒滚筒性能试验[J]. 农业工程学报，2011，27(10)：22-26. Gao Aimin, Dai Fei, Sun Wei, et al. Performance test of cone-type threshing drum of wheat breeding harvester in plot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(10): 22-26. (in Chinese with English abstract)

Design of automatic control system for plot batch seed cleaning machine

Li Yonglei1, Wan Lipengcheng1, Xu Zexin1, Yuan Hao1, Chen Haijun2,3※, Song Jiannong1

(1.,,100083,; 2.,,100125,; 3.,,100125,)

Plot breeding is a very important link of seed breeding, providing for the field experimental data and breeder seed or original seed. Seed harvested from the plot is commonly processed with manual tools or cleaned by simple machines. A batch seed cleaner is a piece of special equipment to meet the specific processing of germplasm materials in the experimental area. However, there are multiple operation procedures, high labor intensity, and low efficiency in seed batch processing. Manual operation with independent electric control systems has also caused uncontrollable clean-up quality, inefficient and time consuming. This study aims to develop a novel batch seed cleaner for the specific requirements of high efficiency, no residue and easy cleaning. An automatic control system was introduced to implement automatic operation using STM32 embed programming. A variety of functional modules were included, such as feeding margin detection, variable frequency vibration, high-frequency vibration cleaning, screen tilting adjustment, and terminal display with interactive interface and STM32 main control system. Hardware and software of the control system were designed for a sequence working flow, including the feeding, winnowing, and sieving. Three groups of photoelectric sensors were installed to monitor the location and status of the seed. Specifically, the No.1 photoelectric sensor was installed in the lower part of the hopper to monitor and control the feeding and air separation system. The No.2 and the No.3 photoelectric sensors were mounted on the two ends of the lower screen to control the screening device and vibration motor. An angle sensor was used to detect the angle of the screen. The key working parameters and functions were optimized, including the feeding speed, sieving vibration frequency, clean-up vibration, and tilt angle adjustment. The priority flag bit was used to optimize the sequential operation. An optimal control strategy was achieved for a stable and reliable system. A prototype performance test was carried out for high robustness of the automatic control system, thereby systematically investigating the influence on the quality and efficiency of seed batch cleaner. The cleaning test for corn seed showed that the coefficient of variation for the seed purity, the percentage of chosen seed, batch working time and working efficiency were 0.15%, 0.26%, 2.2% and 2.19% respectively, under the set working conditions. An optimal combination was gained for the quality requirements of plot seeding, where the cleaning process was smooth, while the automatic control system operated normally, and the batch seed cleaner worked reliably. This finding can provide a sound reference for the automatic control system in the intelligent batch cleaner for seed or granular materials.

experiments; design; plots; seed cleaning; automatic control; variable-frequency vibration

李永磊，万里鹏程，徐泽昕，等. 批次式种子清选机自动控制系统设计[J]. 农业工程学报，2021，37(6)：9-17.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.002 http://www.tcsae.org

Li Yonglei, Wan Lipengcheng, Xu Zexin, et al. Design of automatic control system for plot batch seed cleaning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 9-17. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.002 http://www.tcsae.org

2021-02-19

2021-03-12

国家重点研发计划项目（2017YFD070120503）；国家重点研发计划项目（2016YFD070030202）

李永磊，副教授，博士，主要研究方向为现代农机装备设计及振动利用技术。Email：liyl0393@cau.edu.cn

陈海军，研究员，主要研究方向为种业装备及工程技术。Email：chenhj118@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.002

S226.5

A

1002-6819(2021)-06-0009-9