气吸式玉米播种机播种智能电控系统的设计

气吸式玉米播种机播种智能电控系统的设计
赵雪;赵斌;戈天剑;陈金;王晓伟
【摘要】由于传统玉米播种机采用地轮驱动所有排种器同步工作,作业模式单一,地轮打滑影响播种质量.为提高播种机作业灵活性和播种质量,设计了气吸式玉米播种机播种智能电控系统.系统以微处理器为核心,采用光电编码器实时采集机车作业速度,通过直流电机驱动排种器,每个排种器独立工作,微处理器根据作业速度与设置的播种参数实时调节电机转速,完成按需播种.同时,系统还具有作业数据显示、存储及查询,播种单体的智能控制,故障监测报警等功能.实验结果表明,电控播种机播种粒距合格指数为95.9％,播量控制精度为98.18％.该系统实现了播种作业模式多样化,提高了播种效率和播种质量.
【期刊名称】《黑龙江八一农垦大学学报》
【年(卷),期】2018(030)004
【总页数】4页(P102-105)
【关键词】播种机;智能控制;传感器;直流电机
【作者】赵雪;赵斌;戈天剑;陈金;王晓伟
【作者单位】黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;黑龙江八一农垦大学,大庆163319;黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;黑龙江八一农垦大学,大庆 163319;黑龙江八一农垦大学,大庆 163319
【正文语种】中文
【中图分类】S24
随着农业机械化水平的不断提高，气吸式精密播种机因其作业效率高、不伤种，已经广泛应用在农业生产中。

由于传统播种机排种器由地轮链传动提供动力，作业中地轮滑移会严重影响播种均匀性。

此外，播种株距需要手动调节齿轮减速比来控制，调节精度不高，容易出现故障[1]。

通过智能控制技术实现播种机精密播种成为了
国内外相关学者的研究重点。

国外在播种智能控制上的研究起步较早，美国研究了一种播种控制系统，通过光电传感器检测种子下落信息，利用微处理器实时采集播种机的前进距离，当检测到前进距离与株距相同时，排出当前种子，该方法虽然改善了播种均匀性，但是播种装置无法及时响应高速播种作业[2]；与国外相比，国
内的播种控制技术研究主要集中在播种性能检测方面[3-9]，在播种控制上研究较少，李剑锋等研究的小麦播种机控制系统能够完成变量播种[10]，完成了排种器转速控制，但电机转速采用开环控制，控制精度不高；娄秀华[11]研制一种以单片机为核心的播种控制器，根据设定的播量和机具前进速度，对步进电机的转速进行实时调节；何文龙[12]研究了小麦播种机排种电控系统，根据地轮测速，实时调节步进电机的转速，实现排种量的准确控制；王传鹏[13]设计了基于单片机的播量控制装置，利用霍尔传感器检测拖拉机行进速度，对步进电机转速进行调节，达到播量实时调节的目的。

综上所述，国外研究的播种控制系统较为先进，但是价格昂贵，不适合我国农业生产实情。

国内研究的播种控制系统虽然对播种均匀性有所改善，但仍存在一定的不足：播种机大多采用一个电机通过链传动联动所有排种轴工作，没有实现单个排种器的独立控制，机械结构复杂；驱动电机大多使用步进电机，增加了系统成本。

为弥补上述不足，研究了气吸式玉米播种机播种智能电控系统。

下面将阐述系统工作原理及试验。

1 播种电控系统组成及原理
播种控制系统由主机和从机构成，结构如图1所示。

主机为嵌入式工业电脑，安
装在机车驾驶室内，运行作业智能管理系统，主要完成作业参数设置、控制指令发送、作业数据显示、存储、查询及故障报警。

从机包括播种控制器和作业速度采集器，其中播种控制器主要完成电机转速的准确控制及种箱、种管工作状态监测等；速度采集器完成机车作业速度测量和机体升降判断，考虑到播种机作业中会出现提升机体调头或处于运输状态等情况，此时需要停止电机工作，因此，在地轮左侧固定安装接近开关，作业速度采集器通过接近开关对地轮位置进行判断。

主机、从机之间的数据传输采用无线通信方式。

系统通过作业智能管理系统设置播种参数（株距及播种量），并将其无线传输给播种控制器。

当速度采集器检测到播种机体落下时，将作业速度发送给播种控制器，计算出此时电机应达到的理论转速，从而完成排种轴转速的控制。

播种控制器通过导种管两侧的红外光电传感器和种箱内电容式接近开关监测异常状态。

当导种管堵塞或种箱内种量不足时，播种控制器将故障信息发送至作业智能管理系统，由管理系统发出报警，显示故障信息。

图1 播种机控制系统结构图Fig.1 Structure of control system of the seeder
2 从机系统工作原理
2.1 机车作业速度采集器
由于排种器是由电机驱动的，需要根据机车作业速度及时调节排种器转速，因此，作业速度采集的准确性直接影响播种作业质量。

常用的机车速度检测模块主要有GPS模块、编码器、霍尔开关等，GPS模块测速精度约为1.08 km·h-1，尤其在
低速下误差更大，无法应用于此系统中；霍尔开关虽具有抗干扰能力强、非接触式测量等特点，但是测量精度受测量轴上的磁钢数量限制，精度有限；光电编码器具有测量精度高、抗干扰能力强、安装简单。

系统使用PKT1030-512型光电编码器，512个码元，工作电压5 VDC，两相脉冲输出，将编码器与播种机一侧地轮同轴
相连并固定，编码器的A相连接至微处理器的外部中断0引脚，采用频率法测量
地轮转速。

田间作业中，难免出现颠簸现象，带来脉冲计量误差。

为此，系统连续测量三个定时周期内编码器的脉冲数，取平均值作为当前脉冲个数，从而计算出播种机作业速度，并根据编码器输出的脉冲总数计算播种机作业距离。

2.2 主、从机通信设计
为了降低安装成本，避免通信链路损坏，控制系统使用顺舟公司生产的SZ05-STD 型ZigBee模块完成数据传输。

模块工作电压5VDC，最大传输距离200米。

设置播种控制器上的ZigBee模块为终端节点，采用主从通信模式，用于接收播种参数、控制指令及机车速度等信息；设置作业速度采集器上的ZigBee模块为中继路由，采用广播通信模式，将采集的作业速度同时发送给作业智能管理系统与播种控制器；设置主机上的ZigBee模块为中心节点，采用主从通信模式，既可以实现控制指令、播种参数的广播发送，也可以实现数据采集指令、播种单体控制指令的点对点发送，以保证系统控制的实时性。

采用ZigBee模块进行数据的传输，不仅减少了布线，增加了系统的可靠性，而且方便系统进行扩展。

2.3 播种控制器设计
直流电机具有启动和调速性能好、成本低廉的特点，因此，选用三拓公司生产的GW600-98型直流减速电机驱动排种器工作，工作电压12 VDC，扭矩2.3 N.m，每个排种器均使用单独的电机驱动工作。

测试证明，在种箱加满玉米种子、启动风机情况下，电机的输出扭力足以带动排种器，不存在堵转现象。

控制器使用PWM 调制技术完成电机转速实时调节。

为保证排种轴转速控制的准确性，在排种轴上加装编码器，控制器实时检测其转速，根据转速偏差对电机转速进行反馈调节。

为监测播种作业状况，将三对红外光电传感器水平分布在导种管中部，监测导种管工作状态，并完成播种量计量；在种箱内距离底部约3 cm处垂直安装一个电容式接近开关，用来监测种子余量。

当导种管堵塞或种箱内种量不足时，控制器向作业智能
管理系统发送报警信息。

3 系统软件设计
系统软件部分主要包括播种控制器程序设计与作业智能管理系统程序设计。

播种控制器驱动程序采用C语言进行编写，移植性强、可读性好；作业智能管理系统采
用C#语言设计，主要完成人机对话、数据处理和故障报警等。

图2 播种控制器软件流程图Fig.2 Program flowchart of seed controller
3.1 播种控制器驱动程序
播种控制器主要完成播种参数的接收处理、排种器转速的控制、播种量的计量、作业故障监测等，其流程如图2所示。

系统上电后，首先完成IO端口设置，串口初始化配置及定时器工作模式的设置与启动。

设置完成后，播种控制器对作业智能管理系统发送的控制指令和播种参数进行分析处理，结合机车的实际作业速度计算出此时电机所需转速，完成排种轴转速的控制，同时统计播种量，并实时监测种管、种箱的工作状态，一旦出现故障，及时发送报警信息。

3.2 作业智能管理系统软件设计
播种机作业智能管理系统主要完成播种参数的设置，向从机发送控制指令，根据接收的作业数据完成作业面积的计算，重播量、漏播量的统计，具有作业数据的统计、查询、存储及故障报警等功能。

系统工作过程如下：系统启动后，用户通过屏幕进行机械参数与播种参数的设置，设置完成后，向从机系统发送启动作业指令，接收从机采集的作业数据，进行存储、分析、计算和显示；当接收到报警信息时，及时启动报警，并在系统上显示出故障区域及原因。

4 系统试验
目前，已完成2行播种智能电控系统样机的制作，在黑龙江八一农垦大学播种实
验台上检验了系统的各项播种指标。

为验证系统在田间实际作业中的可靠性及作业
性能指标，于2016年7月在黑龙江省绿色草原牧场进行田间系统性能检测试验，作业拖拉机为约翰迪尔484，行距650 mm，选择千粒质量为313.4 g的玉米种子作为试验用种，地块面积的测量使用50 m量程、精度为1 mm的钢卷尺，株距的测量使用量程为30 cm、精度为1 mm的钢板尺，重点进行了播种均匀性与播量准确性试验。

4.1 播种均匀性试验
播种均匀性直接反映出播种机的作业效果，对作物生长与最终产量有着直接影响，是播种机作业主要性能指标之一。

试验主要对此控制方式下播种机作业的粒距合格率、重播率、漏播率进行检验。

根据GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机实验方法》，为保证实验结果的可靠度与精准度，粒距取样个数必须大于250个。

试验设置播种粒距为20 cm，对300个样本进行粒距合格指数、重播指数、漏播指数的测量试验，重复5次，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实验序号漏播指数/%1 96.3 2.5 2.2 2 95.9 2.3 1.0 3 [10，30] 95.1 3.3 2.5 4 95.9 5.6 3.8 5 95.5 5.8 2.2粒距合格区间/cm合格指数/%重播指数/%
根据国标《JB/T10293-2001单粒（精密）播种机技术条件》规定：当株距
≥20cm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%。

从表1的试验结果可以看出：电控播种机粒距合格指数为95.9%，最大重播指数为5.8%，最大漏播指数为3.8%，各项作业指标均达到了国家标准，表明系统能够根据机车速度与设定的株距准确调节排种器转速，使播种株距控制在规定范围内。

4.2 播量精准度测试
为了验证系统播量控制的准确性，在田间进行4～8 km·h-1作业速度下的播种量准确度试验，设置播量为4 600粒，进行了5次试验，试验过程中，作业智能管
理系统根据作业距离、播种机的作业行数及用户设置的播量进行播量的计算，当完成设置作业目标时，系统停止工作，对播种量进行统计，试验结果如表2所示。

表2 播量准确度测试Table 2 Accuracy test of seeding作业速度/km·h-1理论
播量/粒·hm-2实际播量/粒·hm-2 误差/%1 69 000 70 125 1.6 2 69 000 70 905 2.7 3 69 000 68 190 1.1 4 69 000 67 845 1.7 5 69 000 67 845 2.0
试验结果表明，播量最大误差为2.7%，但误差较小，完全满足实际生产需求，播种效果较为理想。

误差产生原因为：玉米种子尺寸差异较大，气吸风力不稳定，造成型孔多吸或漏吸种子情况发生。

5 结论
设计了一种气吸式玉米播种机播种智能电控系统，摒弃了传统地轮、链传动的模式，每个排种器独立控制，增加作业灵活性，降低地轮滑移对播种的影响。

为验证该系统的播种控制精度及性能，进行了田间试验，得出以下结论：
（1）系统采用电机直接驱动排种盘工作的传动结构，省去了传统播种机上链轮、链条、轴承座等零部件，简化了机械结构；
（2）系统中的每个排种器均使用单独的电机驱动工作，用户可根据作业需求通过软件控制单个排种器的作业状态，增加了播种机作业灵活性；
（3）试验结果表明，系统的粒距合格指数控制精度为95.9%，播量控制精度为98.18%，播种控制精度能够满足精密播种的要求；同时，系统能及时发现故障启
动报警。

系统提高了播种机作业效率，对提高我国农业现代化水平和农作物产量具有重要意义。

下一步将针对大型播种机的电控系统展开研究。

【相关文献】
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