播种机播种质量检测预警系统

播种机播种质量检测预警系统
O 引言
随着农业机械化作业水平的提高，精播机在农业生产中得到了越来越广泛的应用。

精量播种具有节约良种、减少拔苗对留苗的伤害；且省去了间、定苗等工序等优点。

但是，现有的精量播种机在播种作业过程往往会出现重播、漏播现象以及粒距均匀性较差等问题，直接影响作物的产量。

因此，有必要设计一种播种质量监控系统，以确保作业质量符合农艺技术要求。

目前，精播机的检测系统主要有光电型、电容型和基于机器视觉型3种，并以光电型应用居多。

现有的检测系统虽做到了重播、漏播报警，但对播种均匀性研究较少，功能也相对单一。

为此，以89C52单片机为核心、以光电传感器和霍尔开关传感器构成一个小型微机系统，当精播机出现排种器卡种、开沟器堵塞或者种子箱内无种时，显示故障位置并启动声光报警通知驾驶员；正常工作时，当某一行连续出现不合格粒距时，显示不合格的行数并声光报警；并可提供播种面积统计和应收费用服务信息。

1 设计思路
根据国标GB6973- 86《单粒（精密播种机试验方法）》的规定。

按照不同作物的农艺要求，对行距进行设定。

开始工作时，利用光电传感器检测下种时间间隔￡i，速度传感器获取播种机工作速度，根据设定的行距值及速度传感器检测工作速度值，计算得到种子平均落粒时间间隔￡。

当￡i在IO.75t-1.25tI区间内，为合格粒距所对应的时间，当fi在IO-O.75tl和I1.25￡一∞]区间内，为不均匀播种所对应的时间。

2 系统的总体结构
本系统总体结构如图1所示，主要由主机、数据采集装置、显示和报警装置、键盘电路和传输电缆等组成。

主机主要承担数据的采集、处理以及发出控制命令信号，当
播种机发生排种故障，显示故障位置并发出声光报警以提醒驾驶员。

将主机和报警器安装在驾驶室内，便于驾驶员查看。

传感器的功能是监测输种管中种子的流动状况，安装在开沟器上方的输种管外侧，距开沟器铲尖80ram处。

3 系统的硬件设计
3.1传感器系统
将导种管中种子流信号准确地转变为可被单片机接受的信号，是传感器的首要任务，其性能的好坏直接影响着整个系统的整体性能。

光电传感器其结构简单、价格低廉、抗电磁干扰能力强，并且不会对种子的运动产生任何影响。

因此，目前该应用最为广泛和成熟。

本系统选用光波波长为890μm砷化镓红外发光二极管和接收波长在0.88 -0.951μm的红外光敏二极管。

由于精播机在田间工作，灰尘在一定程度上会减弱可见光发光二极管的光强，并且弥漫在空气中的灰尘有一定的散光作用，因此选用穿透能力比普通发光二极管好且受灰尘影响较小的红外发光二极管。

而受光器件则选择线性好、响应速度快，与红外发光二极管波长相对应的红外光敏二极管。

一般播种机输种管的直径在25 - 40mm之间，而红外发光二极管和红外光敏二极管的管径为 5 mm，传感器安装数量比较示意图如图2所示。

由图2可知，仅安装1组传感器时，当玉米粒在1区时，可完全遮挡住光敏二极管，切断发光二极管和光敏二极管之间的红外光线；但当玉米粒在2区时，玉米粒无法切断红外光线，造成检测盲区，引起漏检。

由实验统计知，安装1组传感器，其检测准确率仅为12% -21%。

为了提高检测的准确率，将4组传感器水平均匀地安装在导种管外侧，并且保证每组直线安装，其检测准确率可达95% - 100%。

4组传感器经4个输入电压比较器接人中断系统，当下落的种子挡住任何一路传感器，都会引起中断，获取下种信息。

3.2单片机系统
单片机是整个控制系统的核心部件，软件的储存、数据的处理、组件控制命令的发出等都要经过单片机。

本系
统处理的数据量不是很大，控制方案相对简单，因此选用A tmel公司生产的89C52单片机。

由于本系统需要监控6路排种管，而单片机仅有2个外部中断口，因此利用1片825 9A扩展出6个中断口，利用2片8253扩展6个定时器。

3.3转速采集系统
为了准确地获取播种作业速度，采用霍尔传感器以配套磁钢构成转速采集系统，将霍尔传感器安装在与地轮有传动关系比的链轮上。

当霍尔传感器检测到有脉冲时，计时器开始计时，计时时间为Is，经过换算得到地轮的行走速度，即为播种作业速度。

为了减小外界干扰因素的影响，连续测量多次取平均值。

3.4液晶显示器
液晶显示器选用12864点阵液晶显示器，具有显示内容丰富、实时性好、低电压和低功耗等优点；具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库，内置8192个16x16点汉字，和128个16x8点ASCII字符集。

该模块具有良好的人机交流功能，并可使得硬件电路和软件程序简洁。

3.5计亩器
作业面积是一个非常关键的作业信息数据，决定了最终作业工作量和作业收益，也可验证播种作业时种子、肥料的使用量是否达到农艺要求。

本系统利用地轮旋转的圈数和作业幅宽得到作业面积。

首先，利用霍尔传感器测量与地轮有传动关系比的链轮的旋转周数：已知地轮直径，累计脉冲数即可得到地轮的行走距离；在已知作业幅宽和收费标准条件下，即可获知作业面积和应收作业费。

计算公式为
4 系统的软件设计
单片机以外部中断方式对下落种子信号进行处理，通过8259A扩展外部中断口，8259A连接单片机的外部中断口。

单片机循环对各输种管中的种子流信号进行检测，当有种子下落时，光电传感器将种子的下落信号转化为脉冲信号；
单片机以检测到的脉冲信号进行计数，并产生中断，进入中断服务程序；同时，计时器计算相邻下落种子的时间间隔t1，并与标准时间t进行比较，根据公式判断是否有不均匀播种，并进入下一次处理。

其软件设计流程如图3所示。

5 系统性能试验及结果分析
试验分为播种粒数监测精度试验、播种均匀性试验以及收费信息实验，材料均为普通玉米种子。

5.1 播种粒数监测精度试验
试验方法：播种粒数精度监测试验是将传感器按工作位置置于波形排种管的外侧，并且保证每对光电传感器直线对射，形成一个红外光平面。

为了模拟室外工作环境，设定株距为30cm，播种机工作速度为 1 m/s，即正常播种速率是300ms/粒。

试验记录监测系统所统计的播种粒数和人工统计粒数，共分为10组，其中一组结果如表1所示。

由表1数据可以看出，所设计的播种粒数传感器，具有较高的检测精度，平均检测精度达到96%以上，可以满足生产需要。

5.2播种均匀性试验
播种均匀性试验是在专门的播种机排种器试验台上进行的，首先将播种装置以及下种检测传感器安装在播种机排种器试验台传送带之上，通过人为改变播种器的充种，改变下种均匀性，记录实际的报警次数；并与实际测量的输送带上种间距比较，以验证其报警的准确性。

通过10组试验表明，报警准确率达到100%。

图4显示再次按下2键时，工作结束，LCD显示工作播种均匀性的测试实验图。

5.3 作业面积与收费信息试验
收费信息试验是在播种机工作结束后进行的驾驶员按键盘上的功能键，按照屏幕上的提示要求，输入每公顷作业的单价，系统根据面积换算公式，得出作业面积。

此时，屏幕显示作业面积和应收费用信息。

该功能经调试测试后得以实现。

图5显示驾驶员按照提示输入单价后，显示的收费信息情况。

6结束语
1)设计的播种机播种质量检测预警系统将田间作业可能出现的各种作业情况进一步细分，对播种均匀性这一影响作物生长播种质量参数进行了检测，有利于进一步提高作业质量。

2)在播种质量检测预警系统中增加作业面积统计和作业收费信息显示，方便了使用者。

3)试验表明，系统实现了预期目标，具有较高的检测精度和使用推广价值。

吴艳艳，朱瑞祥，常芳（西北农林科技大学机电学院，陕西杨凌712100）。