播种监测（精选五篇）
播种监测 篇1
随着精密播种技术的大面积推广,对精密播种机械的需求和要求也越来越高,精播机以其作业高效、优质等特点而得到生产者青睐。但是,精播机由于机械故障等原因,尤其是在原茬地作业会发生卡种、种肥管堵塞或种肥箱排空等情况。对于大型宽幅精播机,一旦发生上述情况,就会出现大面积漏播,造成作物大量减产。
目前,精密播种机电子测量系统的研究方法主要采用光电检测的方法[1,2,3]。光电元件采用光敏电阻、光电二极管或光电三极管等,利用种子下落遮挡光,将持续光信号调制成脉冲光,光电元件将脉冲光转换为电脉冲,再进行报警处理。但是,检测的关键是传感器,如果传感器检测信号不准确,很容易发生误报警情况。常用的光电元件半值角通常在10°以上,随着发射距离增加,光的散射越来越严重。如果在输种管和输肥管上安装一对光电元件,容易形成光电检测的死角,造成种子漏检,发生误报警;如果安装多对光电元件,由于光的散射,易引起光电元件之间的相互干扰,而且作业现场灰尘大,光电元件极易因蒙尘而灵敏度下降。
本文采用半值角小的光电元件并列安装的方法,避免了光电元件间的相互干扰和漏检的发生。在安装结构上进行精心设计,采用易于安装和拆卸的结构,便于操作人员随时拆下传感头, 并对其进行擦拭。
1 系统总体设计
种肥监测系统原理框图如图1所示。单片机是系统的核心,由它统一指挥系统中各个部件的协调一致工作,通过键盘电路可以启动和停止测量。由光电元件构成种肥流监测传感器阵列,发光二极管发出的光被种子流调制成脉冲光,照射到光敏三极管表面,有光照时,光敏三极管导通,输出高电平,反之输出低电平。当输种管堵塞时,光路被遮断,光敏三极管持续输出低电平;而当种箱或肥箱排空时,光敏三极管持续受到光照射,保持输出高电平。对于施固态肥,其流动与种子流动状态不同:有肥时持续输出低电平;输肥管堵塞或肥箱排空时,输出高电平。因此,可以根据输出电平的变化,判断种肥堵或空的情况。由于种肥流监测传感器输出的电脉冲信号不规整,经过信号调理电路处理,将规整的电脉冲送单片机处理。单片机依次循环检测各个种肥管的输出信号,并根据脉冲电平的变化,判定种肥流动状态,一旦发生种肥管堵塞或种肥箱排空,单片机将驱动系统中的扬声器以1kHz频率持续响1min,并且驱动红色发光二极管以1Hz频率连续闪烁,提醒操作人员注意,同时驱动LCD显示器显示故障行号,便于机车手进行维修。
2 种肥监测电路及结构设计
种肥防堵/排空监测中最重要的是传感器的性能,它应该能够准确检测种子和肥的流动情况,减少漏检和误报警。常用的方法是光电检测法,由光电元件将种子和肥的流动信息转换为电脉冲,然后再进行电脉冲的处理及显示,但是该方法容易引起漏检及灵敏度下降。
根据前人的经验和对机械系统的分析,系统采用了半值角小的发射和接收光电元件,即EL-1KL5发光二极管和ST-1KL3A光敏三极管。EL-1KL5是大功率的红外发光管,发射半值角±5°,ST-1KL3A是高灵敏度的红外硅光敏晶体管,接收半值角±6°。根据发射半值角±5°和光传输距离(40~50mm),发射光到达光电晶体管的散射范围是以光电晶体管为中心的直径为7~8.8mm圆形区域。根据豆种平均直径(5.5mm以上)和输种管宽度(35mm),在输种管和输肥管上并排安装3对光电元件[4],形成间距5mm的并行光束均匀分布整个管截面,既可以避免种肥漏检情况发生,又可以避免光电元件之间的相互干扰。试验表明,光电元件间无影响,并且漏检率低,但是该元件对日光较为敏感,田间测量时,在种肥管外包裹黑色遮光物。为了防止光电元件长期在灰尘中使用会蒙尘而灵敏度降低,将光电管固定在环形绝缘带上,绝缘带做成便于安装和拆卸的系扣结构,安装时只要将光电元件板放入输种管和输肥管上的开口,即可对准发光管和光敏管,清理非常方便。
系统是针对7行气吸式精密播种机设计的,播种机每个输种管和输肥管上都安装3对光电元件,共需要84对光电管。如果每个光敏晶体管的输出信号都送给单片机处理,就会造成单片机外扩资源太多,系统庞大,而且单片机的巡检时间过长,引起报警延时。虽然每个管子上有3对光电管,但是每个光敏管产生的信号都是代表种子和肥料流动的信号。种子和肥料在流动中可能会遮挡住其中的1个或2个光束,被挡住的光敏管输出低电平,有光照的光敏管输出高电平。对于输种管,要检测高低脉冲的变化,只要有光束被挡住就会有低电平输出;对于输肥管,要检测电平的变化,只要有肥流动就会有光束被挡住,其中的光敏管就会输出低电平。因此,系统将3个光敏晶体管的输出相与,电路如图2所示。有低电平输入就会产生低电平输出,代表了种子和肥料的流动,这样可以减少占用单片机的I/O口线,减少巡检时间,提高系统的实时性,简化电路和减小系统体积。如果播种机作业行数增加,可以在与门输出之后接数据选择器,以增加巡检路数。
由于光敏晶体管输出电平存在抖动,为了减少电平抖动对测量的影响,在光敏晶体管的输出端加施密特整形电路。为了减小信号长线传输损耗,将一行2个输种管的信号处理电路整合在一块电路板上,相近的2个输肥管的信号调理电路合成在一块电路板上,安装在种肥管附近。因此,1个信号调理模块上选用了1片六反相施密特触发器CD40106B。
每个种或肥管上3个光敏管的输出,经过整形处理后,送双2输入与门74LVC2G08相与,运算结果送给单片机;每个输种管和输肥管应用一片74LVC2G08,共使用了28片,每片74LVC2G08与整形电路制在一个电路板,装入塑封小盒,固定在防雨的机械结构下,如链轮盒盖下或肥箱下部等。
3 监测系统电路设计及软件流程
单片机主要负责监测输种管和输肥管的工作情况,发出声光报警信号和显示故障管号。根据其功能和外部输入输出信号的数量,采用1片STC89S52就能完全满足功能要求。STC89S52是宏晶科技推出的高速、低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统51单片机,内含8kB Flash存储器和512B RAM,在系统可编程(ISP)和在应用可编程(IAP),3个16位定时器/计数器。STC89S52丰富的片上资源,完全能够满足种肥监测系统的要求。
根据系统显示内容的要求,选择了内置汉字库的JM12864F液晶显示模块,显示分辨率为128×64,可以显示8×4行16×16点阵的汉字,低电压,低功耗,采用并行接口通讯方式,显示模块15脚PSB接高电平,17脚复位端接高电平,内部复位电路不工作。为进行对比度调整,在3脚VO端接10kΩ可变电阻做上拉电阻,P2.0~P2.2通过一片锁存器74HC373为显示模块提供控制信号,分别对应控制显示数据/显示指令数据端RS、读/写控制端和使能控制端E,由P0口提供显示数据和显示指令数据。
种肥防堵/排空监测电路如图3所示。图3中只画出P1.2口上的一个光电检测模块,其他同样。键盘采用独立按键键盘电路,由P3.0和P3.1口查询按键[5],用来启动和停止测量。P0口和P1.2~P1.7口用于种子流光电检测模块的输入;P2口和P3.2~P3.7用于肥料光电检测模块。单片机依次循环检测各个种管和肥管,并根据电平信号确定种肥管工作状况,一旦发生堵塞或排空情况,P1.0口产生1kHz方波脉冲。通过2级放大驱动扬声器,P1.1口输出1Hz方波脉冲通过开关管驱动LED闪亮,提醒操作人员注意。同时,通过P2口和P0口将故障输种管和排肥管号发送给显示器,显示故障路号,便于操作人员进行检修。系统循环检测最大周期为0.6s,能够满足实际应用需要。经过试验,该电路误报率低,且可靠性高。
种肥防堵/排空监测系统软件流程如图4所示。系统开机后,单片机上电初始化,并循环检测各个光电管的功能。如果发现损坏的光电晶体管,系统会发出报警声,并显示损坏行的行号,便于维修;如果自检没有问题,则查询键盘,等待输入启动测量命令,接到检测命令后,单片机依次循环检测各个接有光电检测模块的I/O口。在P0口和P1口上,100ms内持续收到低电平,则认为输种管堵塞;如果持续收到高电平,则认为种箱排空。在P2口和P3口上,100ms内持续收到高电平,则认为输肥管堵塞或肥箱排空;一旦发现工作异常,单片机驱动P1.0和P1.1口的声光报警电路工作,并显示故障行号及故障内容。
4 系统试验及结果分析
系统性能试验分别在黑龙江八一农垦大学工程训练中心和黑龙江垦丰种业有限公司九三分公司进行了实验室试验和田间试验。播种作物为大豆,试验地块已经做过整地。播种机械是由黑龙江八一农垦大学研制的2BJM-7型大功率气吸式原茬精密播种机,作业拖拉机为纽荷兰M160,垄宽为60cm,同期试验的内容还有播种量、排肥量、作业面积以及地面液压仿形试验。
播种排肥防堵及排空性能试验采用人为设置故障的方法,将种肥管顺序编号为1~28,前14号为输种管,后14号为输肥管。试验目标是在作业速度为6km/h条件下分别进行5组试验,观察种肥管报警显示是否正确以及报警延时时间。排空检测的试验方法:先后取3,5,8,10,13号种管作为检测对象,将上述各种箱中放置少量的豆种,观察显示排空行号是否正确。报警延时时间采用武汉国高电气有限公司生产的LY705毫秒表计量,分辨率为0.01ms;再取15,18,19,21,28号肥管作为检测对象,试验方法同种排空检测。防堵检测试验方法与排空检测方法所选择的管号和方法基本相同,不同点是人为堵塞种肥管。
播种施肥防堵和排空试验中,10组试验显示的堵和空号均与实际情况相一致,误报率为0,报警最大响应时间为0.6s,即堵塞或排空第28号肥管从1号种管循检开始到发出报警时间。由于种子和肥流动状态不同,所以相对种子检测时间远大于肥检测时间。
5 结束语
精播机种肥作业智能监测系统采用半值角小的光电元件构成传感器阵列, 在输种管和输肥管中并行分布光束,避免了种肥漏检情况的发生和光电元件间的相互干扰,降低了误报警率;同时采用易于安装和拆卸的结构,解决了由于光电元件蒙尘而灵敏度降低的问题,能够显示故障元件的位置和堵塞或排空的行号,报警最大响应时间为0.6s,误报率为0,系统性能能够满足实际生产要求。该系统目前已经通过黑龙江农垦检测站的检测,并达到项目规定要求。目前,精播机种肥作业智能监测系统需要进一步解决的问题如下:
1) 传感器到系统之间的通信问题。目前,系统采用的是有线通信方式,成本低,但是布线多,易受到机械损伤。下一步准备改善系统通信方式,减少布线。
2) 种肥防堵排空传感器的抗灰尘及去灰尘方法有待进一步提高和解决。目前采用便捷的安装方式,定期擦拭传感器表面灰尘,增加了操作人员的工作量,使用不便。因此,如何从电路和结构上进一步改善传感器抗灰尘能力以及自动除尘方法是下一步待解决的问题。
摘要：大型宽幅精密播种机作业中一旦发生种肥堵塞或种肥箱排空问题,就会造成巨大经济损失。为此,采用了一种半值角较小的光电元件构成光电阵列的方法,检测种子和肥料流动情况,解决了以往研究中漏检和光电元件间相互干扰的问题,传感结构易于拆卸,便于维护,系统能够及时发出声光报警信号,并显示故障行号。通过田间试验表明,该系统误报率低,故障播报准确。
关键词：播种机,监视,光电传感器,单片机
参考文献
[1]周建锋,李昱,卢博友.精密播种机监控系统综述[J].农机化研究,2006(6):37-39.
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[3]王振龙,范红钢.气吸式精密播种机智能检测装置的研制[J].农机化研究,2005(1):168-169.
[4]赵百通.精密播种机自动补偿式监控系统的研制[D].泰安:山东农业大学,2004.
精密播种机排种器自动监测系统设计 篇2
精密播种机排种器自动监测系统设计
本文根据精密播种机的`工作状况,设计出了系统检测框图.并进一步完成了光电传感器电路和PLC控制系统原理图.从而达到对排种器排种状况的监测.
作 者：郑送军 杨卫民 作者单位：陕西省机电工程学校 刊 名：农机使用与维修 英文刊名：FARM MACHINERY USING & MAINTENANCE 年，卷(期)：2009 “”(2) 分类号：S2 关键词：精密播种 光电传感器 自动监控 自动控制编程器玉米精密播种机性能监测系统研究 篇3
播种是农业生产的重要环节,只有符合农业技术的要求,才能为增产打下坚实的基础。在农业机械迅速发展的今天,精密播种机具以其播种量精准和株距准确等优点引起关注[1]。国内使用的玉米精密播种机绝大多数是机械式播种机,由于播种过程为后续跟进封闭作业,所以机手无法直观地观测到播种机的作业情况[2];特别是当播种过程中出现传动故障、种箱缺种、导种管堵塞等故障时,必然导致作业质量的下降,严重时甚至导致作业的中断。显然,实时准确监测排种器的性能参数,对保证、提高播种机的作业质量具有重要意义[3]。
目前,国外与整机配套的检测技术比较完善,智能化程度及可靠性均较高[4];而国内精播机电子监测仪的研究现状是对传感器以及监测部分研究较多,其大多侧重于种子的漏播、重播现象进行的警报[5],存在一定的局限性,缺少对播种机作业过程中的其他技术参数的监测。为此,笔者开发了一套针对播种机排种性能的智能监测系统,不仅可以对重播、漏播等现象进行警报,也可以实时显示播种机作业过程中的排种量以及株距等重要指标。
1 主要功能及原理
1.1 种子排种量监测
在播种机正常工作过程,当种子通过排种管壁处安装的红外传感器时,红外传感器发出红外光束受到种子的遮挡即发出电信号,接收管返回低电平;当没有种子经过时,返回值为高电平。单片机经过比较电平值的高低即可判断是否有种子通过。当有种子通过时,计数器对低电平次数进行计数;当没有种子通过时,判断检测时间是否超过或者少于预定的时间进行报警。
1.2 播种株距及漏播、重播警报
为保证精密播种机播种株距的精确性,本文采用机器前进速度与相邻两粒种子下落的时间差相乘的方法确定种子的播种株距。该方法具有测量准确性高、即时性好等优点。其中,速度的测得采用在播种机的地轮处安装转速传感器,通过换算测得播种机前进的速度,通过单片机编程实现播种速度与种子下落间隔时间的乘积得出精准的株距L。当株距L>1.5L时表示漏播,并立即发出漏播警报;当株距L<0.5L时表明重播,并发出重播警报;当种箱种子过少或者排种器堵塞时,将没有种子落下,通过程序设定连续3个株距长度下没有种子落下,则进行声光警报。逻辑判断流程图,如图1所示。
2 硬件设计
系统的硬件是整个监测装置的基础,主要实现对信号的采集、传输及显示功能[6]。本监测装置主要由传感器电路、无线收发电路、警报电路和显示电路等部分组成。传感器电路实现监测指标的信号采集;无线收发电路实现信号的无线传输,减少播种机复杂工况对线路布置的影响,降低故障的发生,提高系统的可靠性;警报电路是对当前产生的漏播、重播等故障进行即时的播报;显示电路则是对所需监测的指标进行即时的显示,使操作者能直观地得到播种机在工作过程中各项指标的动态变化,方便及时地发现故障,并进行排除。其系统硬件框图如图2所示。
2.1 传感器电路
传感器种类繁多,按不同的方法有不同的分类,从传感器的覆盖性能、抗尘性能、光谱特性等方面考虑[7],本系统采用红外光电传感器。考虑到播种机的作业环境很恶劣,传感器在使用中的抗尘性差,本传感器模块为了改善抗尘性能,对信号放大器进行了选择比较,采用输入阻抗比较高的电压比较器进行放大,可以使抗尘性能明显提高。红外传感器发射接收端电路图如图3所示。
2.2 无线收发电路
本系统原理图如图4所示。nRF24L01芯片组成的无线收发模块,该模块由两部分组成:一部分为发射模块,当需要发射数据时,单片机先把待发送的数据写入TX_PLD寄存器,将接收方的接收通道地址写入TX_ADDR,并把CE引脚置高电平约10μs,即可发送数据;另一部分为接收模块,nRF24L01 的接收和发送状态是通过 CONFIG 寄存器的第 0 位来切换的。 当nRF24L01 处于接收状态时,它会一直监听空中的无线电波。如果有同频信号,就收下来,打开信息包提取发射地址; 如果发射地址与自己的接收通道地址相同,就取出信息包里面的有效数据,IRQ 引脚变化为低电平,通知单片机接收到有效数据。单片机检测到IRQ引脚电平变化,向 nRF24L01 写入控制命令R_RX_PAYLOAD(0x61),以读取有效数据。
2.3 警报电路
当出现漏播或重播等现象时,警报装置启动,蜂鸣器发出持续的声响。考虑到播种机在播种过程中环境吵杂,单纯依靠声音报警,可能被操作员忽视,所以本装置在采用声音警报的同时,还增添灯光闪动报警,以提醒操作员发现并排除故障。
2.4 显示电路
本装置的显示装置选用北京迪文有限公司生产的迪文DMG80600C080_01W型号触摸显示屏。本显示装置采用M600内核,功能强大,线路简单,与单片机连接电路只需要连接4条数据线即可实现数据的传输与显示功能;其内部自带串口电平转换电路,采用RS232接口,当需要远距离传输时,提高了系统的抗干扰性能。显示屏系统自带软件操作指令,其输出终端是基于图形界面操作,图形界面开发与软硬件开发同时进行,大大缩短软件及硬件的开发周期,节约时间。显示模块原理图如图5所示。
3 软件设计
整个软件程序均采用模块化设计,主要由程序初始化模块、数据采集模块、无线发射模块、数据显示模块和声光报警模块组成,如图6所示。
系统每次接通或复位后,都进行1次系统自检。自检完成后,单片机系统初始化,完成IO口及定时/计数器的设置、nRF24L01无线传输模块配置、红外传感器模块和霍尔转速传感器模块开启;将信号分析、处理发送给c8051f020芯片,无线芯片的发射端开启发射模式,对信号进行发射,同时无线接收端开启接收模式,对信号进行接收;最后由主控芯片AT89c52芯片[8]进行处理,如果达到警报条件进行报警,正常工作则通过迪文显示屏进行显示。
4 试验与结果分析
为验证本系统的功能和可靠性,在山东理工大学农机性能试验室将其安装在排种器性能检测试验台上试验。
4.1 排种量检测试验
选择1 000粒玉米种子作为试验用种,对种子进行随机分组,分成5份,分别对每1份进行试验,最终做误差分析。
试验方法,采用播种机试验台进行模拟试验,当种子均匀落下,经过红外传感器,显示屏得出种子落下的数目,通过人工统计的方法得到实际的排种量,将两者对比计算得到该检测系统所检测的排种量。排种量检测结果如表1所示。
从表1可知,该系统对排种量的平均监测精度可以达到97.2%,可见利用红外传感器能够准确地检测到排种量的数值。
4.2 株距检测试验
试验方法,在播种机的试验台的承种皮带上涂抹黄油,可以通过人工对种子的实际株距进行测量和系统自动检测计算结果进行对比,确定系统检测的准确性。株距检测结果如表2所示。
从表2可知,该系统对株距的检测平均精度可达到98.5%,完全可以满足实用要求。可见,该监测装置可以精准地得到播种机播种过程中的即时株距。
5 结论
1)开发了具有检测排种量、株距等多项功能的智能检测系统。该系统构成简单,稳定性高,具有一定的市场前景。
2)试验表明,系统用于对玉米播种机的各项性能的检测,精度可达到97.2%,完全满足使用要求。
参考文献
[1]刘淑霞,马跃进.精密播种机检测系统研究[J].农业机械学报,2008(29):72-75.
[2]周晓玲,刘俊峰.免耕穴播播种机播种过程监测系统的研究[J].农机化研究,2008(5):81-83.
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[4]王振龙,范红刚.气吸式精密播种机智能检测装置的研制[J].农机化研究,2005(1):168-16.
[5]宋金虎,赵立燕.农业机械智能作业面积测量系统的研究设计[J].农业机械,2009(64):92-94.
[6]张锡志,李敏.精密播种智能监测仪的研制[J].农业工程学报,2004(2):136-139.
播种监测 篇4
1 总体布局
2BJZ-4型电子数字监测播种机按其作业顺序进行从前到后的设计, 开沟→施肥→开沟→播种→覆土→起垄→镇压。详见图1。
2 配套数字监测器
配套数字监测器是为发展我国精准农业, 实现农业机械机电一体化, 推动农业机械自动化而开发的最新产品 (专利号:200520020766.2) 。数字监测器是与精密播种机配套使用的一种电子仪器, 该监测器采用了先进的微计算机控制电路技术, 具有耗电少、使用可靠、集成化程度高、体积小、质量小、抗震及抗灰尘等特点。工作原理如图2所示。首先种子在流经导种管时, 会对传感器内的光信号产生周期性影响, 传感器将信号反馈给微计算机控制电路, 若种子流动正常, 微计算机控制电路发出控制信号, 报警电路不报警, 在显示板上显示种子的流量数。若种子流动出现异常, 微计算机控制电路能够识别出错误信号, 并控制报警电路, 在声音报警的同时, 显示板上显示出相对应的排种器所出现故障的排种轮。
3 主要技术参数
播种监测 篇5
目前,我国使用的精播机一直以机械式和气力式播种机为主,这是因为在播种作业过程中是全封闭的,人为实现实时视听来解决现场出现的种箱空或排种管堵塞的情况都是很难的;而这些问题都会导致种子的漏播,影响产量,给农业生产造成巨大损失。此外,对玉米播种量的精确计算也对后续生产及生产规模的设定起到决定性作用,因此所设计的这套排种监测系统具有很大的实际意义。
随着农业机械的发展及新检测技术的引入,玉米播种机已经从纯机械式的播种方式向精密播种方式转变。但是如何能准确地监测出播种机的排种量,并针对玉米播种机播种过程中导种管堵塞及种箱空种等问题进行及时的报警停机,一直以来都受到国内外研究人员的关注。根据以往的资料显示,利用光电检测方法进行排种监测的例子不胜枚举,但都在实际应用中由于灰尘堆积问题而受阻;利用电容极板检测的方法受到很多人的推崇,但由于在极板的材料、尺寸、间距等因素选择上需要大量实验研究,且实际应用中还受机车震动的影响,故目前国内除了实验研究外,尚无实际应用的成品出现。因此,本文利用4对光电管,间距小于常规玉米种子的规格,并排放置,用以进行空和堵的监测报警;而玉米播种量则采用1个安放在排种盘齿轮轴中心的空心转速编码器测量转速并进行空穴率试验,从而得出排种量。此试验研究及设计旨在从另一角度监测排种性能,并与常规方法进行比对,得出结论。
1 硬件设计
1.1 总体结构及设计方案
由于实际播种机上布线的复杂情况,本方案采用上位机与分机之间无线通信模式,即分机来接收传感器的信号,将信号汇总再由485总线传到上位机,从而实现信息的处理、存储及显示报警等功能。
1.1.1 上位机设计方案
上位机的作用是与各分机之间采用无线模块连接,接收各分机上传的转速编码器的脉冲个数和4对光电传感器的脉冲信号,并通过计算得出排种总量进行数据存储和显示。当出现空或堵的状况时,则启动报警。
1.1.2 分机设计方案
各分机直接负责接收4对光电传感器及空心转速编码器的脉冲信号。其中,4对光电传感器覆盖整个导种管进行空和堵的报警监测;转速编码器则安装在排种盘链轴上测速,结合试验所得空穴率从而计算出排种量;最后,再通过485总线进行无线通信上传给上位机。
1.2 排种过程空和堵的报警
在对空和堵的声光报警的硬件设计中,分析了激光二极管、红外发光二极管和高亮度发光二极管各自的优缺点:激光二极管最优但价格昂贵;红外发光二极管和高亮度发光二极管两者结构原理都相似,但高亮度发光二极管的抗尘能力更强。考虑到播种机工作现场灰尘较大,故选择波长为620~625nm的红色高亮度发光二极管作为发光源。在接收端,考虑到较光敏电阻和光敏二极管而言,光敏三极管具有更高的灵敏度及光电流的放大作用,因此选用光敏三极管,型号为ST-1KL3A,接收半径角为±5°。本文设计了一个可插入到导种管下端的一个壳体,考虑玉米导种管直径约为30mm,所选光电管5mm,故壳体内壁并排均匀安装4对光电管,如图1所示。这种安装方式基本覆盖了落种的整个区域:当有种子落下时,遮挡光束,产生电脉冲,给单片机一个高电平;而当导种管内处在种箱空或堵的状态时,在设定时间内光束始终没有被遮挡或始终被遮挡,则不会产生电脉冲,单片机保持低电平。
每对光电传感器的连接如图2所示。
显然,并行连接的4对光电传感器只有在同时接收到光束或都被遮挡时,才能说明无种子播下,种箱空或者种子通道堵塞。本文将4对光电传感器采用“与”电路进行整形,如图3所示。
之所以采用“与”操作,是考虑到当种粒下落经过此处时,一定会遮盖住这4对光电传感器的任意一对,产生脉冲信号。因此,4对传感器的信号端选择了“与”操作来实现对空或堵的报警。
1.3 排种量检测
在转速传感器的选择上,考虑了很多种编码器和霍尔速度传感器。霍尔传感器在安装上很麻烦,需要固定在齿轮轴的侧面,且震动影响很大,故选择编码器。就播种机工作的实际工况,最常用的玻璃码盘就不适合,很容易震碎,因此选用了金属码盘。最初选用的金属编码器是需要轴与弹性联轴器相连的,伸出很长且不能震动太大。因此,为了让编码器和轴同步运转,且易于安装,本文最终选择了PKT100型空心转速编码器。这款用于排种量检测的型号为PKT100的空心转速编码器分辨率为360P/R。将编码器安装在排种盘中心的链轴中心轴上,与中心轴同步运转,继而测量出排种盘的转速,由排种盘转过的角度计算出总的排种量。
当然,在此过程中还要考虑空穴率的问题。为此,将空穴率的试验研究在一套气吸式玉米排种高速摄像的试验台中来完成。试验台装有排种试验软件,在启动试验台后,排种盘旋转,转速编码器同轴转动,在8位数码管上显示检测的排种量。每组试验结束后,人工查出传送带上粘着的种子粒数,反复几组试验后,统计出排种过程的空穴率。
试验所用玉米选用的品种是四单19,种粒直径7mm。利用单片机开发板作为试验基板,将编码器脉冲信号输出端(白色线)连接在单片机的定时/计数器T1口,其余两条红色线、黑色线分别接于+5V电源及地线。P0口以动态显示方式在连接8个7段数码管上进行显示。经过空穴率试验研究表明,空穴率约为2.6%<3%。
1.4 声光报警电路设计
当排种过程中出现空或堵的情况时,播种机需要及时停机处理发生的状况,否则会造成大面积的漏播。由于现场环境噪声很大,为了让驾驶员能够及时发现问题,设计了声光报警电路,如图4所示。
2 软件设计
整个软件功能包括初始化模块、定时/计数器的数据统计模块、空或堵情况调用及声光报警模块和显示模块几部分。此外,还应包括各分机与上位机之间的无线通信协议等内容。这里,只给出系统的主程序框图,如图5所示。
在排种量的计算上,利用编码器旋转时的脉冲数除以360再乘上排种盘上吸满种粒的个数,最后考虑空穴率,即可得到最终的排种量结果以进行显示。
3 试验结果及分析
试验选用了黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的播种机排种试验台进行,将排种盘更换成玉米排种盘,作业速度选定8~10km/h,玉米粒品种依然选用四单19进行试验;将报警监测器安装在排种盘侧面,空心编码器固定在排种盘中心链轴上。
1)空或堵的报警试验:为了模拟现场灰尘很大的实际工况,在光电传感器上涂抹2mm左右厚的湿土,然后启动排种盘工作;在经过10组测试试验后,在种箱排空和模拟的堵塞状态下,报警器均能正常报警。
2)排种量检测试验:启动排种盘工作,进行3组试验,经过人工统计传送带上种子排种量情况,与数码管显示的数量进行比对,得出结论。试验结果如表1所示。
可见,对于排种量和空堵的报警监测能够满足要求,精度较高。
4 结论
利用光电传感器和转速编码器,开发了一套具有检测排种量及排种过程空堵情况的报警系统,结构简单,易于安装。试验研究表明:在模拟实际工况时,系统对导种管空或堵的情况能够做到100%报警,对排种量的检测精度平均值达到98.37%,完全满足实际需要。
摘要：在对目前玉米播种机排种监测方法的研究基础上,设计了一套新的玉米播种机排种监测的试验方法:将4对光电传感器并排安装在导种管内壁以监测空或堵的情况并进行报警;同时,利用安装在排种盘的中心轴上的空心转速编码器,测出排种盘转速连同试验所得的空穴率,从而得出玉米排种量。试验结果表明:该方案模拟实际空或堵的报警率达100%,排种量检测平均精度98.37%,各项性能指标均达到了实际要求。
关键词：排种监测,光电传感器,空心转速编码器,空穴率
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