李旭等

摘要：針對(duì)型孔輪式水稻排種器展開了排種監(jiān)控系統(tǒng)研究，利用紅外光電傳感器采集種子在輸種管內(nèi)的流動(dòng)信息并轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電信號(hào)，由單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)排種狀況的監(jiān)控。設(shè)計(jì)降低了播種機(jī)的漏播和重播現(xiàn)象，提高了播種質(zhì)量和播種效率。

關(guān)鍵詞：排種器；漏播；重播；紅外檢測(cè)

中圖分類號(hào)：S223.2+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）03-0693-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.049

Design of Sowing Monitoring System of Type Hole Wheel Seed Metering Device

LI Xu1a，2， XIE Fang-ping1a，2， LIU Da-wei2，1b， LIU Rong-ce3

（1.Hunan Agricultural University， a.College of Engineering； b. Institute for New Rural Development， Changsha 410128， China； 2.Hunan Modern Agricultural Equipment Engineering and Technology Research Center， Changsha 410128， China； 3.Hengyang Finance Economics and Industry Polytechnic， Hengyang 421002， Hunan， China）

Abstract： The sowing monitoring system of type hole wheel seed metering device was designed and investigated. The floating information of the seeds in the seed drop tube was cellected by infrared photoelectric sensor， and then changed into electrical signal. The change of the electrical signal could be monitored by single chip microcomputer so as to monitor the seed metering device. The seeding absence and rebroadcast were decreased with the high seeding quality and efficiency under the system.

Key words： seed metering device； seeding absence； rebroadcast； infrared detection

水稻是中國(guó)種植面積最大、單產(chǎn)最高、總產(chǎn)量最多的糧食作物，水稻生產(chǎn)在中國(guó)糧食生產(chǎn)中占有極其重要的地位。水稻直播則是發(fā)展水稻生產(chǎn)的重點(diǎn)方向[1]。水稻機(jī)械直播技術(shù)主要是針對(duì)傳統(tǒng)手工撒直播技術(shù)存在的不足，利用水稻直播機(jī)具，通過機(jī)械化條播把稻種播入大田，解決了手工無序撒播存在的群體質(zhì)量難控制和倒伏嚴(yán)重等問題，有利于高產(chǎn)且抗倒伏效果好，可以顯著降低種植勞動(dòng)強(qiáng)度，有助于實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的全程機(jī)械化[2]。直播前農(nóng)藝上水稻種子要求浸種、破胸露白，甚至出芽等，所以水稻直播機(jī)的排種器比一般谷物排種機(jī)的要求更高[3]。當(dāng)前，水稻直播機(jī)是否出現(xiàn)漏播主要依靠操作手的觀察，往往因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)不及時(shí)造成漏播，導(dǎo)致稻田基本苗數(shù)不足，影響水稻生產(chǎn)效益。在此基礎(chǔ)上再補(bǔ)種，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，既耽誤了播種時(shí)間，也增加了生產(chǎn)成本[4]。為了提高水稻種子直播的質(zhì)量，降低播種過程中出現(xiàn)的漏播和重播等情況，設(shè)計(jì)了一種基于型孔輪式水稻排種器的排種監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該排種監(jiān)控系統(tǒng)由微控制器、紅外傳感器電路、由按鍵和顯示電路構(gòu)成的人機(jī)交互界面、報(bào)警電路和電源電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

1.2 排種系統(tǒng)的組成及監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)有的水稻直播機(jī)排種器有外槽輪式、窩眼式、型孔帶式、氣力式和型孔輪式等。原理和結(jié)構(gòu)上各有不同，但工作過程均包含充種、清種、護(hù)種和投種四個(gè)環(huán)節(jié)[5]。圖2是型孔輪式排種器的裝置圖，排種系統(tǒng)由種子箱、側(cè)板、刮種裝置、排種輪、穴孔、排種管及紅外光電傳感器等組成。種子箱內(nèi)的種子在重力及種子間的作用力作用下充入排種輪上的穴孔內(nèi)，每個(gè)穴孔的種粒數(shù)量為1～3粒[6]。排種輪在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)穴孔內(nèi)的種子運(yùn)動(dòng)，刮種裝置將穴孔外的種子刮離穴孔，穴孔內(nèi)的種子在重力的作用下落入排種管，種子在斜置的排種管內(nèi)實(shí)現(xiàn)排序后依次流經(jīng)紅外光電傳感器，由此實(shí)現(xiàn)播量的精確檢測(cè)。系統(tǒng)工作時(shí)利用單片機(jī)定時(shí)器提供38 kHz載波信號(hào)，由I/O口輸出驅(qū)動(dòng)紅外傳感器發(fā)射裝置向外發(fā)射38 kHz的紅外信號(hào)；紅外傳感器接收裝置在接收到紅外信號(hào)時(shí)輸出端狀態(tài)為低電平信號(hào)，反之輸出高電平信號(hào)，根據(jù)輸出端的電平狀態(tài)可判斷是否有種粒經(jīng)過檢測(cè)端。紅外傳感器接收裝置的輸出端連接單片機(jī)微控制器的外部中斷引腳，當(dāng)有種粒通過傳感器時(shí)便觸發(fā)單片機(jī)的中斷系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理，實(shí)現(xiàn)微控制器對(duì)傳感器電路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果最終以種粒數(shù)量體現(xiàn)出來，在顯示器上實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，微控制器可進(jìn)一步計(jì)算出相鄰種粒的播種時(shí)間間隔，通過與設(shè)定時(shí)間的比較，從而判斷是否發(fā)生漏播和重播等故障，若發(fā)生故障則驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出警告，提醒操作人員進(jìn)行故障處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)需要5 V的直流電壓，設(shè)計(jì)利用拖拉機(jī)發(fā)電機(jī)輸出的12 V的直流電壓[7]，通過7805穩(wěn)壓電路得到需要的5 V直流電壓，電路簡(jiǎn)單可靠，如果采用直插元件輸出電流可達(dá)到1.5 A，貼片元件則輸出電流可達(dá)到1.0 A，滿足控制系統(tǒng)的要求，電路圖如圖3。

2.2 紅外發(fā)射接收電路

控制系統(tǒng)中紅外傳感器電路由紅外發(fā)射電路和紅外接收模塊組成。紅外發(fā)射電路的電路原理圖如圖4，三極管9014的基極連接單片機(jī)的I/O口，通過軟件編程由單片機(jī)I/O輸出38 kHz的方波信號(hào)，控制9014的導(dǎo)通與斷開，從而驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輸出38 kHz的紅外信號(hào)。

接收模塊選用TL0038，其引腳說明圖和電路連接圖如圖5所示。TL0038是集紅外信號(hào)接收放大為一體的接收器，包含紅外接收管、帶通放大器、檢波和脈沖整形電路。其中心接收頻率為38 kHz，輸出為TTL電平。其工作原理是當(dāng)發(fā)射管和接收管之間沒有種粒通過時(shí)，紅外接收管接收到紅外信號(hào)，輸出低電平；當(dāng)發(fā)射管和接收管之間有種粒阻礙時(shí)，紅外接收管截止，輸出高電平。因而，通過檢測(cè)其輸出電平便可判斷下種管是否有谷粒通過[8]。

2.3 人機(jī)交互電路

人機(jī)交互電路包括按鍵電路和顯示電路。按鍵電路為常用的4行4列的矩陣式按鍵，采用動(dòng)態(tài)掃描，為系統(tǒng)提供了16個(gè)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)功能的設(shè)置、相關(guān)參數(shù)的設(shè)定、結(jié)果查詢及擴(kuò)展功能的設(shè)定。顯示電路采用LCD12864顯示模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，該模塊具有低電壓低功耗的特點(diǎn)，內(nèi)含簡(jiǎn)體中文字庫，可顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，可構(gòu)成全中文的人機(jī)交互圖形界面，顯示系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)和實(shí)時(shí)的工作參數(shù)。按鍵和顯示電路如圖6。

2.4 報(bào)警電路

播種作業(yè)過程中，通過微控制的定時(shí)器采集相鄰種粒通過傳感器的間隔時(shí)間，若相鄰種粒的排種時(shí)間間隔超過或低于預(yù)期設(shè)定的時(shí)間，則判斷排種器出現(xiàn)漏播或重播故障，微控制器驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)，從而提醒工作人員暫停機(jī)具運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行相應(yīng)故障處理，避免大量的斷條現(xiàn)象和重播現(xiàn)象。其工作原理是單片機(jī)通過P2.6引腳提供信號(hào)，利用三極管9014的放大作用驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音警報(bào)，報(bào)警電路如圖7。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由主程序、種粒間隔時(shí)間檢測(cè)子程序、按鍵子程序、顯示子程序和報(bào)警子程序構(gòu)成。系統(tǒng)的程序流程圖如圖8，系統(tǒng)開機(jī)后完成初始化設(shè)置，操作手通過按鍵設(shè)置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)并啟動(dòng)系統(tǒng)，在有種粒排下后調(diào)用種粒間隔時(shí)間檢測(cè)子程序檢測(cè)Δt，根據(jù)Δt與預(yù)設(shè)參數(shù)的比較判斷工作的狀態(tài)，在出現(xiàn)漏播和重播時(shí)調(diào)用報(bào)警子程序?qū)崿F(xiàn)報(bào)警，工作過程中可通過顯示子程序查詢實(shí)時(shí)參數(shù)。

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的抗干擾能力決定了系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。干擾來自干擾源，單片機(jī)系統(tǒng)的干擾源主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的電氣干擾。單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)主要從硬件和軟件兩方面入手。系統(tǒng)主要從電源設(shè)計(jì)和選擇抗干擾能力強(qiáng)的器件兩方面進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)。

4.1 電源抗干擾設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用集成穩(wěn)壓電路塊供電，每個(gè)數(shù)字元件在地與電源之間都設(shè)計(jì)了104電容，有效降低了電源干擾。穩(wěn)壓塊同時(shí)加大了電源電路的散熱面積，提高了系統(tǒng)的散熱能力。

4.2 傳感器抗干擾設(shè)計(jì)

選擇抗干擾能力強(qiáng)的器件是提高系統(tǒng)抗干擾能力的直接途徑。設(shè)計(jì)采用了一體化的紅外接收頭，直接實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的放大和整形濾波，有效提高了信號(hào)處理的穩(wěn)定性。同時(shí)，傳感器的安裝采用了封閉式的基座，有效降低了灰塵的干擾并減少了環(huán)境光線對(duì)檢測(cè)的影響。

5 小結(jié)

研究設(shè)計(jì)了基于型孔輪式水稻排種器排種監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻精密播種的漏播和重播監(jiān)測(cè)及播量實(shí)時(shí)顯示等功能，為漏播補(bǔ)償提供了有益的探討。試驗(yàn)顯示，該監(jiān)控系統(tǒng)因種粒存在同時(shí)播下的情況，粒數(shù)統(tǒng)計(jì)會(huì)有一定的誤差，紅外傳感器對(duì)于高速流動(dòng)的種子響應(yīng)速度存在不足，還需進(jìn)一步的研究。

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