排种器试验台检测系统的设计与试验
玉米精量排种器排种质量自动检测仪设计与试验
玉米精量排种器排种质量自动检测仪设计与试验和贤桃;郝永亮;赵东岳;张东兴;崔涛;杨丽【摘要】为了方便、准确地检测不同种类玉米精量排种器的排种性能参数,设计了一种排种质量自动检测仪.该检测仪由PLC、伺服电动机、光电传感器、触摸屏组成,可以在不同播种参数(如播种粒距、播种速度、排种盘型孔数)下实时检测排种器的合格率、漏播率、重播率、粒距变异系数等播种质量参数,并可以检测指夹式排种器各个指夹的重播数和漏播数,同时对种子的下落情况进行实时的动画模拟;当下种粒数达到设定的下种目标时,系统自动停止检测并将检测到的排种质量参数自动显示和保存.为验证该检测系统的检测精度,分别与JPS-12型检测台和MeterMax 型排种器检测仪进行了对比试验,试验结果表明:在4、8、12 km/h 3种播种行进速度下,本文检测仪的检测精度与JPS-12型检测台的检测精度相近(检测结果相差不超过2％);在4～12 km/h的速度下,本文检测仪的检测精度与MeterMax型排种器检测仪的检测精度也相近(对指夹式排种器的检测结果相差小于2％,对气吸式排种器的检测结果相差小于0.7％).试验证明该检测仪的检测精度符合使用要求.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2016(047)010【总页数】9页(P19-27)【关键词】玉米排种器;播种质量;自动检测;设计;试验【作者】和贤桃;郝永亮;赵东岳;张东兴;崔涛;杨丽【作者单位】中国农业大学工学院,北京100083;中国农业大学工学院,北京100083;中国农业大学工学院,北京100083;中国农业大学工学院,北京100083;中国农业大学工学院,北京100083;中国农业大学工学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TP273播种质量对作物产量有重要影响，而排种器是影响播种质量的关键部件[1-5]，所以对排种器排种性能的检测就显得尤为重要。
目前，实验室内对排种器排种质量的检测方法主要有：①基于图像处理的检测方法[6-11]。
排种器试验台排种器传动系统设计实施方案
齐齐哈尔大学普通高等教育综合实践3题目排种器试验台排种器传动系统地设计学院：_________________ 机械工程学院 _______________ 专业班级：_____________ 机械07学生姓名：学号：指导教师：_____________ 张红霞成绩：2009年月曰任务书、已知条件排种器传动系统排种轴转速n=400r/min ；排种轴扭矩M排二13N m,主动链轮轴max长800mm.、设计内容（1）做出排种器传动系统机构运动简图，说明其组成及工作原理;（2）电动机地选择；（3）链传动地设计；（4）链传动主动轴轴承部件地设计；三、工作量（1）设计说明书一份；（2）小链轮零件图，链传动主动轴零件图目录排种器试验台排种器传动系统地设计结论参考文献版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理所.版权为个人有This article in eludes some parts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Copyrightb5E2RGbCAPis pers onal own ership.用户可将本文地内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关法律地规定，不得侵犯本网站及相关权利人地合法权利.除此以外，将本文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权利人地书面许可，并支付报酬.plEanqFDPwUsers mayuse the contents or services of this article for personal study, research or appreciation, and other non-commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisi ons of copyright law and other releva nt laws, and shall not infringe upon the legitimate rights of this website and its releva nt obligees. In additi on, when any content or service of this article is used for other purposes, writte n permissi on and remun erati on shall be obta ined from the pers on con cer ned and the releva nt obligee. DXDiTa9E3d转载或引用本文内容必须是以新闻性或资料性公共免费信息为使用目地地合理、善意引用，不得对本文内容原意进行曲解、修改，并自负版权等法律责任.RTCrpUDGiTReproducti on or quotati on of the content of this article must be reas on able and good-faith citatio n for the use of n ews or in formative public free information. Itshall not misinterpret or modify the original intention of the content of this article, and shall bear legal liabilitysuch as copyright. 5PCZVD7HXA。
气吸式排种装置试验台的设计与研究
ｆ 一 Ｆ 肌。 ＝ ＋ ｓ ０
同时 ， 矩 要满 足 的 条件 为 力
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性能 ， 但是 田间试验耗 时耗力 ， 而且不 能准确控 制各 影响排种器排种性 能的因素 ， 很难对各 因素进行 理论 上 的分 析 』 。所 以 ， 验 室 内 的试 验 被 广 泛 采 用 ， 实 并
取 得 了 良好 的效果 。
基金项 目：内蒙古 自治区 自然科学基金项 目（ｏ９ ｄ １ ２ ｏ ｌ ）
Ｂ ２ １ － Ｂ ２ ３ 信 Ｌ＿ Ｋ ３３ Ｊ Ｋ ０４ ｌ ＿ 』ＭＲ ０ 磁 ３ 印图机 Ｉｌ号分析仪 Ｉ Ｉ 带记录仪
图 ２ 测 试 分 析 系 统 框 图
Ｆ ｇ ２ Ｆ ｏ ｈ ｒ ｏ ｅ ｔ ｓ ｓｅ ｉ ． ｌ ｗｃ ａ ｔ ｆｔ ｓ ｙ ｔｍ
如果 ０ 过大 ， 方程 平衡 条件不 能够 满 足 ， 主 则 使
中图分类号 ：ｓ ２ ． ５ ２３２ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ ０ ３—１ ８ ２ １ ）６— １ １— ４ ８ Ｘ（ ０ １ Ｏ ０ １ ０
０ 引言
气吸式排种器是依靠空气压力将种子均匀地分布
在 型孔 轮 或 滚筒 上 完 成 播 种 作 业 的过 程 … ， 是 排 种 但 器 在作 业 过 程 中 由 于作 业 条 件 的 变 化 而 影 响播 种 质
１ 气 吸式排种 装置 中种子受 力分析
气吸式排种器是应用气 吸原理进行排种 的 ， 图 １ 如 所 示 。种子在真空 室与种 子室压力 差 的作 用下将 种子
多功能排种器实验台的设计1
摘要文章开头介绍了先进排种器试验台对于了解和掌握现有精播排种器的技术性能，研究和研制新一代高性能播种机的重要性，本设计介绍了一种新型排种器试验台机械结构与电气部分的参数设计计算方法，以及电气设备的选用依据：并给出了总体结构配置图。
排种器试验台的结构可在试验中模拟各种精密排种器高速作业状态，并达到精确测量种子粒距的目的。
本设计系统地介绍了该排种器试验台的设计过程和方法，并在计算过程中插入了一些简图，更有利于理解。
在设计的每一过程中采取严谨的态度，以保证各数据的精确性。
关键字：农业工程；排种器试验台；设计此处省略NNNNNNNNNN字。
如需要完整说明书和CAD图纸等。
互联网腾讯公司二四柒伍玖伍玖零玖捌小麦设计信得过。
本设计已通过答辩！长期有效目录1 绪论 (1)2 工作原理及总体结构 (2)2.1工作原理 (2)2.2总体结构 (2)3 主要工作部件参数的设计 (3)3.1种床长度的确定 (3)3.2种床带前进速度的确定 (3)3.3排种盘转速的调整范围 (3)3.4种床带传送装置驱动电机功率的确定 (3)4 设计传动系统 (5)4.1一级皮带传动的设计 (5)4.2二级皮带传动的设计 (9)5.各轴的设计 (12)5.1轴的材料 (12)5.2轴的结构设计 (13)5.3第一传动轴（电动机与输送装置相连的轴）的设计 (13)5.4第二传动轴的设计 (17)5.5第三传动轴的设计 (18)6.毕业设计总结 (22)参考文献 (23)致谢 (24)1绪论多功能精量排种器能对油菜、谷子、芝麻、苜蓿、胡麻、小麦、高粱、绿豆、番茄、玉米、大豆、棉花、油葵等小、中、大粒作物进行精量和常量播种。
排种精度高、结构简单、性能可靠，便于在多种播种机上配套安装，提高播种器的性能。
是技术人员一直追求的目标。
排种器是播种机的核心部件之一。
排种器排种质量的好坏直接关系到播种质量的好坏。
影响精密播种机播种质量的因素很多，但主要取决于排种器的排种性能。
多功能排种器试验台详解
（二）总体结构
试验台总体结构如图21所示，主要有台架， 种床带装置，排种器 安装架，驱动装 置 ,以 及5mm厚，长宽不一 的铁板。
图2-1 试验台总体结构简图
排种器 型带 机架 电动机 输送带 传动系统
三.主要工作部件参数的设计
（一）种床长度的确定 考虑到被排种器实验台采用视觉方法测 得粒距，有时希望还能从种床带上直观地 观察一小段排种实况，而种床带刹车后还 会运行一段距离，因此，把种床带有效长 度定为2.8m较合适，同时该种床带的类型 为普通橡胶输送带，胶布层数为三层，上 胶+下胶厚度为3.0+1.5mm周长为6.228m， 宽0.4m，每米长的质量为4.01kg/m。
3.初步确定轴的最小直径： 根据表13，选取C=122,C为取决于轴材料的许用 扭转应力[τt]的系数。 dmin=C* =112 =21.9072mm 4.轴的结构设计： （1）拟定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案对轴的结构形式起着决定性 的作用。现拟出装配方案如下：
（二）轴的结构设计：
轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器 中的安装位置及形式；轴上安装的零件的 类型.尺寸.数量以及和轴连接的方法；载荷 的性质.大小方向及分布情况；轴的加工工 艺等。
第一传动轴（电动机与输送装置相 连的轴）的设计：
1.选择轴的材料： 选择轴的材料为45钢，其机械性能由上表可查得 [σ- 1]b=60MPa,σb=640MPa,σ-1=275MPa,τ-1=155MPa. 2.求输入轴上的功率P2，转矩T2： 若取带传动的效率η1=0.96，则： P2=P0*η1 =0.96*1.5kw =1.44kw 转速n2=192r/min。 所以T2=9550000*P2/n2 =9550000*1.44/192 =71625N.Mm
排种器试验台控制系统设计
排种器试验台控制系统设计
蔡振伟;冯春丽
【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2012(040)001
【摘要】排种器性能检测试验台主要由传送带系统、电机及驱动系统、机器视觉系统、PLC控制系统和控制中心5大部分构成.系统采用继电接触器和PLC实现电气控制,通过PLC控制变频器实现电机的无级调速,结合上位计算机可以实现电机速度的自动调节,控制精度较高.经过试验验证,整个控制系统性能稳定,运行安全可靠,满足了设计要求.
【总页数】3页(P606-607,609)
【作者】蔡振伟;冯春丽
【作者单位】河南工业贸易职业学院,河南郑州451191;河南工业贸易职业学院,河南郑州451191
【正文语种】中文
【中图分类】S223.1
【相关文献】
1.玉米精量排种器电驱PID控制系统设计与性能评价 [J], 和贤桃;丁友强;张东兴;杨丽;崔涛;魏剑涛;刘全威;颜丙新;赵东岳
2.电动机驱动玉米气吸排种器总线控制系统设计与试验 [J], 杨硕;王秀;高原源;赵学观;窦汉杰;赵春江
3.基于PLC的步进电机驱动排种器控制系统设计 [J], 彭丽芳; 彭建华; 孟鹏祥
4.基于PLC的步进电机驱动排种器控制系统设计 [J], 尹世康
5.SD-175型排种器试验台PLC控制系统设计 [J], 杨欣;刘俊峰;钱东平;孙耀杰;冯晓静
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花生播种机内侧充种式排种器设计与试验
花生播种机内侧充种式排种器设计与试验
凌 轩，王旭东※
(仲恺农业工程学院机种器是影响花生播种质量的关键，在很大程度上决定花生的产量。针对播 种过程中空穴、漏播率较高的不足，通过分析花生排种器的排种过程，研究设计了内侧充种垂直圆盘排种 器。基于课题组自主研发的排种器试验台进行了排种性能、护种板排种器及伤种试验。通过优化排种器结 构参数，提升了排种器的排种性能。 关键词 花生 播种 垂直圆盘排种器 内充式
设计制造 > Design 驭 Manufacture
擦，从而造成种子损伤，影响出芽率，不能达到农 民的播种要求。本文针对上述问题，研究一种内侧 充种垂直圆盘排种器，并对其关键部件技术参数进 行试验研究。
1 排种器结构设计
1.1 排种器结构与工作原理 内充式垂直圆盘排种器主要由排种轮、排种器
轴、排种器壳体、径向护种板、进种口等组成，单 个排种盘结构简图如图 1 所示。该排种器使用了复 式型孔内侧充种的原理，有良好的充种性能，清种 定量准确，投种均匀，能适应常速和高速作业。
排种轮是圆盘碟式排种器核心部件，确定合理 的排种轮结构参数是保证播种质量的重要条件。首 先，要保证持种空间的大小，持种空间过小，种子 难以进入排种轮，造成漏播；持种空间过大，多粒 种子进入分种匙，造成重播。其次，保证适当的隔 板倾斜角度，倾斜角度过大，加大了分种匙对种子 的把持作用，影响 清种造 成 重 播 ；倾 斜 角 度 过 小 ， 降低了排种轮对种子的把持作用，种子未到隔板 上部的开口就落回充种区造成漏播。因此，应该 根据种子尺寸及种子在持种空间中的排布设计持 种空间。
0 前言
花生是我国的四大油料作物之一，既是重要的 经济作物也是营养价值很高的蛋白植物，在世界农 业生产中占有重要地位[1-2]。我国花生种植面积占世 界花生种植总面积的 20%以上，仅次于印度，产量 居世界首位，占世界总产量的 35%以上。目前，除 了西藏自治区之外，我国其他各个省区都有花生种 植，尤以山东、河南、广东等省区更为集中[3-4]。随 着农业科技的发展，花生向良种化、机械化和区域 化种植方向发展。此外，我国花生产区基本上属于 高产区，是世界平均产量的 2～3 倍，处于世界前 列。因此，目前花生已成为我国最具国际竞争力的 优质油料作物和农业结构调整与产业重点扶持的重 要内容[5]。但花生播种机械化还处在较低水平，尤其 是广东花生产区的机械化播种比例更低，长期以来， 花生的播种大都是靠人工完成的，成为制约广东农 业机械化全面发展的一个重要方面。
玉米精量播种机排种监测系统设计
玉米精量播种机排种监测系统设计玉米精量播种机排种监测系统设计随着农业技术的发展，越来越多的农民选择使用玉米精量播种机来播种作物。
这种现代化的播种机具有高效、精准的特点，能够提高种植效率和作物产量。
然而，由于播种机操作的复杂性，农民往往需要付出更多的精力和时间来监测播种情况，以确保种植效果。
为了解决这个问题，我们设计了一种玉米精量播种机排种监测系统，旨在帮助农民实现自动化的排种监测。
玉米精量播种机排种监测系统由若干传感器、数据采集设备、控制模块和用户界面组成。
首先，我们在播种机的排种装置上安装了压力传感器，用于监测播种时排种器的工作压力。
通过实时监测播种器的工作压力，我们可以判断是否存在堵塞、漏种等问题，及时进行调整和修复。
其次，我们在播种机的种植槽中安装了光电传感器，用于检测种子的排放情况。
光电传感器可以感知到种子在种植槽中通过的光线变化，从而判断种子的排放情况。
如果光电传感器检测到排放异常，系统会自动发出警报，并记录异常的位置和时间，方便农民及时处理问题。
此外，我们还在播种机的耕作部分安装了霍尔传感器，用于监测播种机的移动状态。
通过监测霍尔传感器的输出信号，我们可以实时了解播种机的移动速度和位置。
这对于精准播种非常重要，因为播种机的移动速度和位置会影响种子的排放间距和深度。
当播种机的移动速度或位置异常时，系统会发出警报，帮助农民及时调整播种操作。
最后，我们设计了一个用户界面，用于显示和记录播种机的监测数据。
农民可以通过此界面实时查看播种机的工作状态和监测数据，包括工作压力、种子排放情况、播种机的移动速度和位置等。
同时，系统还支持数据的导出和分析，帮助农民总结经验，改进种植技术，提高作物产量。
通过上述设计，玉米精量播种机排种监测系统能够实现自动化的播种监测，为农民提供了便利和准确的种植工具。
农民只需要在播种前简单设置系统参数，然后系统就能自动监测排种过程，并在发现异常时及时发出警报。
这大大减轻了农民的操作负担，提高了种植效率和作物产量。
排种器性能试验步骤
使用说明书
哈尔滨博纳科技有限公司
二○○六年四月
感谢您选择了哈尔滨博纳科技有限公司（）设计制造的JPS-12排种器性能检测试验台。本使用说明书中介绍了使用方法和注意事项，请您在使用本试验台之前务必熟读此说明书，以便能够正确的使用。
一、试验台操作使用注意事项
（7）打开【隔离电压】开关，该开关控制了PLC的供电；
（8）打开【灯】照明开关，该开关控制了摄像机箱内的照明供电；
（9）打开【油温监控】开关；
（10）打开【油温加热】开关；
2
在试验中种床带的启动与停止，由综合操作台上的相应变频器来控制，可在1.5～12 km/h内无级调速；种床带前进速度值在计算机上显示。
（2）排种轴驱动电机
设计定制台湾专用变频调速电机，松下变频器，传动轴上配装高精度转速编码器。
（3）设计定制气吸式、气吹式排种器驱动用专用风机，松下变频器，加装数字气压传感变送器测量工作风压。
2.3 排种性能测试部分
采用1路（可扩展为多路）数字工业摄像机，与监控主机相连，安装排种器性能测试软件，进行排种图像采集和处理。
2.4 PLC主控柜和总电源分配柜
包括PLC控制器、变频器、数字温控器、直流开关电源以及空气开关、接触器、热保护器等电气控制器件。
2.5 综合操作台
以高性能微机做监控主机，配置检测系统和图象采集系统等。
（1）检测系统显示种床速度、排种轴转速，并对排种图像进行采集、处理和分析，配激光打印机，打印输出相应的排种性能试验报告。
①底架由63*63角钢组合而成，全长9.5米。
②装备双滚筒（主、从传动轮有防跑偏结构），表面压纹，配置张紧机构（可调偏）；
③上下两层带下安置托辊，按不同位置间隔设置；
排肥器试验台智能控制系统研究与设计的开题报告
排肥器试验台智能控制系统研究与设计的开题报告一、选题背景与意义显然，随着农业生产技术的不断发展，了解土壤的肥力情况对于实现农业生产的高效、可持续是非常关键的。
排肥器是一种可以协助农户检测土壤肥力的仪器。
然而，传统的排肥器无法实现自动化控制，所以需要从智能化的角度出发，设计并实现一个智能控制系统来提高排肥器的自动化程度。
本项目旨在研究和设计一个可实现排肥器自动控制的智能控制系统，包括硬件和软件两个部分。
该系统将有助于提高排肥器的检测精度和效率，减少对农户的操作难度和劳动力要求，提高农业生产效率和经济效益。
二、研究内容和技术路线2.1 研究内容（1）对排肥器进行分析和研究，确定需要控制的主要参数和指标。
（2）设计硬件系统，包括传感器、执行器和控制器的选择与配置。
（3）设计软件系统，包括控制算法的设计和实现。
（4）进行系统性能测试和优化。
2.2 技术路线该智能控制系统将包括如下部分：（1）传感器：测量土壤温度、湿度、肥力等参数。
（2）执行器：控制排肥器的运动和操作。
（3）控制器：负责数据采集、信号处理和控制算法的实现。
（4）软件系统：包括人机界面和控制算法等。
技术路线如下：（1）对排肥器进行分析和研究，确定需要控制的主要参数和指标。
（2）选择合适的传感器和执行器，进行系统配置和安装。
（3）设计控制器和控制算法，实现传感器数据的采集、信号处理和执行器控制。
（4）设计人机界面，实现用户交互。
（5）进行系统测试和性能优化。
三、研究计划和预期成果研究计划和预期成果如下：3.1 研究计划任务时间节点方案制定第1-2周文献调研和分析第3-4周硬件系统设计与开发第5-8周软件系统设计与开发第9-12周系统测试与性能优化第13-16周成果论证和撰写报告第17-18周3.2 预期成果预计研究成果包括：（1）硬件系统：包括传感器、执行器和控制器等。
（2）软件系统：包括数据采集、信号处理、控制算法和人机界面等。
（3）完整的智能控制系统原型。
气力导轨式花生精量排种器的设计及试验
气力导轨式花生精量排种器的设计及试验气力导轨式花生精量排种器的设计及试验引言：随着农业技术的进步和人们对农田作物的需求逐渐增加，高效的农业机械设备对于提高农田作物种植效率和农民收益至关重要。
花生作为重要的油料作物和食品作物，在全球范围内都有广泛的种植。
然而，传统的花生种植方法存在人工操作不精确、效率低下的问题。
因此，本文提出了一种气力导轨式花生精量排种器的设计及试验，旨在提高花生种植的精度和效率。
设计方案：1. 设计思路：基于传统精量排种器的不足之处，我们提出了一种新的设计方案，即气力导轨式花生精量排种器。
该设计利用气压驱动机械装置，通过导轨的精确控制，使得花生种子能够准确排放到指定的位置，从而提高排种精度。
2. 设计要素：气力驱动装置、导轨系统、种子供给系统和控制系统是本设计的主要要素。
其中，气力驱动装置通过控制气压的大小和方向来驱动种子的排放，导轨系统则起到引导种子排放的作用。
种子供给系统负责将种子输送到导轨系统，而控制系统则监测和调节整个系统的运行状态。
3. 设计细节：在气力驱动装置中，我们采用了气缸、气压传感器和电磁阀来实现对气压的控制。
导轨系统则由导轨、滑轨和支撑器组成，确保种子在排放过程中保持精准的位置。
为了保证种子的供给量和稳定性，种子供给系统采用了震动盘和输送带的组合方式。
控制系统则包括控制器和监测装置，用于监测和控制整个系统的运行状态。
4. 材料选择：在设计过程中，我们选用了高强度、耐磨损的材料来增强系统的稳定性和耐用性。
同时，为了减小系统的重量和体积，我们选用了轻质合金材料。
试验结果：通过对气力导轨式花生精量排种器进行试验，我们得到了如下结果：1. 排种精度高：由于导轨系统的精确控制，花生种子的排放位置准确无误，有效提高了排种精度。
2. 种子利用率高：排种过程中，种子的量和速度可调，确保了种子的充分利用和良好的发芽率。
3. 作业效率高：相比于传统的人工排种方式，气力导轨式花生精量排种器能够高效地完成种子排放任务，节约了时间和人力成本。
小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验
2019年1月农业机械学报第50卷第1期doi:10.6041/j.issn.1000⁃1298.2019.01.007小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验陈建国 李彦明 覃程锦 刘成良(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)摘要:为实现小麦精量播种机播种量的精准检测,基于电容传感器设计了一套高精度小麦种子粒数检测系统㊂研究了小麦种子以单粒形式下落和多粒同时下落两种方式下的电容与小麦种子数目之间的关系㊂对于小麦种子以单粒形式下落,提出用差分动态阈值法检测小麦种子数目,试验表明检测的最大相对误差为1.54%;对于多粒小麦种子同时下落,排种轮转速从20r /min 到55r /min,每增加5r /min,分别建立小麦种子数目与电容积分值之间的最小二乘回归模型㊂试验结果表明,根据实际转速和速度最近原则选择相应的回归模型,该系统对不同的排种转速均具有较高的检测精度,相对误差介于-2.16%~2.23%之间㊂对于小麦精量播种机不同的排种模式或不同的排种速度,所设计的排种检测系统均有较高的检测精度㊂关键词:小麦播种机;播种量;电容传感器;差分动态阈值法;最小二乘法中图分类号:S126;S223.2文献标识码:A文章编号:1000⁃1298(2019)01⁃0066⁃09收稿日期:20180723 修回日期:20180827基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFD070030503㊁2016YFD0700505)作者简介:陈建国(1989 ),男,博士生,主要从事高精度智能农机研究,E⁃mail:jianguo890811@通信作者:李彦明(1971 ),男,副教授,主要从事机电系统辨识及自适应高精度控制研究,E⁃mail:ymli@Design and Experiment of Precision Detecting System forWheat⁃planter Seeding QuantityCHEN Jianguo LI Yanming QIN Chengjin LIU Chengliang(School of Mechanical Engineering ,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200240,China )Abstract :The precision detection of wheat⁃planter seeding quantity is the key of the automation control and the foundation of realizing precise seeding.Currently,existing seeding detection methods mainly include photoelectric⁃based methods,image⁃based methods and capacitance⁃based methods.For the photoelectric⁃based method,the detection accuracy of photoelectric sensor is affected by the vibration,light,temperature and other factors on the farmland.For the image⁃based method,its high precision detection provides a new way to improve the performance of wheat⁃planter seeding.However,image processing technology requires special equipment with high cost,and cameras are easy to be interfered by external light.Consequently,it is difficult to be widely applied in the complex environment on the pared with photoelectric⁃based and image⁃based methods,the capacitance⁃based method is less affected by light and dust and thus has a strong environmental adaptability.Aimed at the problem of precision detection of wheat⁃planter seeding quantity,a precise detecting system for wheat⁃planter seeding quantity was developed based on the capacitance sensor.The corresponding parallel plates were designed to improve the detecting accuracy of the capacitance sensor.Then,the relationship between capacitance value and the quantity of wheat seeds under two modes of single⁃seed falling and several⁃seed falling was investigated in detail.For the mode of single⁃seed falling,a differential dynamic threshold method was proposed to detect the number of wheat seeds.The experiment results indicated that the maximum relative error was 1.54%.For the mode of several⁃seed falling,the least squares regression model between wheat seeds quantity and capacitance integral value was established at interval of 5r /min ranged from 20r /min to 55r /min.The experiment results showed that according to the principle of the actual speed and the closest speed to select the corresponding regression model,the system had high detection accuracy for different seeding speeds,and the relative error was between -2.16%and 2.23%.Consequently,the proposed system can achieve high detection accuracy under the different seeding modes and different seeding speeds.Key words :wheat⁃planter;seeding quantity;capacitance sensor;differential dynamic thresholdmethod;least square method0 引言播种是农业生产中的关键环节,播种机播种性能的优劣直接影响农作物的生长与产量㊂随着精准农业技术的推广和精量播种技术的发展,精量播种已经成为现代农业播种技术体系的主要组成部分[1-2]㊂播种量的精准检测是实施精准农业自动化控制的关键,也是实现真正意义上精量播种的基础㊂为了实现播种量的精准检测,国内外相关学者进行了广泛研究㊂目前,用于播种量检测的传感器主要有光电传感器[3-10]㊁图像传感器[11-15]和电容传感器㊂郝向泽等[4]采用红外检测装置获取种子下落时的脉冲信号,脉冲信号经单片机处理后统计种子下落时间间隔,并与设定理论时间间隔相比较,计算漏播率㊁重播率及播种量㊂为实现精播作业的实时监控,纪超等[5]设计了基于反射式红外光电感应的播种机播种监测系统㊂为了实现对多粒小麦种子同时下落的检测,一些学者则采用在排种管下方以水平阵列方式布置多个光电传感器的方法[6-9]㊂田间工况复杂,光电传感器易受振动㊁光线㊁温度等因素的影响,这些因素降低了检测精度,而且光电传感器自身存在散射现象,即使采取多层阵列布置光电传感器,也很难实现对多粒种子同时下落的精确检测㊂利用图像处理技术可以真实直观地反映精密排种器的排种均匀性,对排种量的检测具有较高的精度,为改善精密排种器的性能提供了一条新途径㊂然而,图像处理技术需要专用相机,成本较高,且相机容易受外界光线干扰,难以在农田等复杂工况下普及应用㊂电容传感器具有非接触式测量㊁灵敏度高㊁抗污染能力强等优点㊂目前,电容传感器已成功用于含油率㊁含水率等物理量的检测[16-21]㊂然而,基于电容法检测谷物播种量的研究仍不多见[22-24]㊂为了提高玉米播种机排种量检测的可靠性,周利明等[22]设计了一种基于电容信号获取与分析的排种性能监测系统,然而,该系统不能实现对多粒(大于2粒)小麦同时下落时的检测㊂针对勺链式马铃薯排种器存在的漏种问题,孙伟等[23]提出了一种基于电容测量的漏种检测方法,然而,该检测方法不适用于小颗粒谷物的检测㊂因此,本文基于电容传感器设计一套高精度的小麦种子粒数检测系统㊂分别研究小麦种子以单粒形式通过电容传感器和多粒同时通过电容传感器时,电容值与小麦种子数目之间的关系,最后通过试验验证系统的检测精度,以期实现对小麦精量播种机播种量的精准检测㊂1 测量原理小麦与空气的相对介电常数不同,当小麦种子通过电容传感器时,输出的电容值将发生变化,电容值的变化量可以用来判定小麦种子的粒数㊂平行板电容的计算公式为C=εrε0S d(1)式中 ε0 真空介电常数,ε0=8.854×10-15F/mm εr 相对介电常数S 两平行板间相对覆盖面积,mm2d 两平行板间的距离,mm种子通过平行板电容传感器时,传感器的介电常数[24]为ε=V1Vε1+V2Vε2(2)式中 ε1 种子的相对介电常数ε2 空气的相对介电常数,ε2≈1.000585V1 种子所占体积,mm3V2 空气所占体积,mm3V 电容传感器两平行板间的总体积,mm3当传感器内无小麦种子通过时,电容为C0=ε0ε2S d(3)当传感器内有小麦种子通过时,电容变化量为ΔC=C-C0=Sε0d V1V(ε1-ε2)=ε0V1d2(ε1-ε2)(4)由式(4)可知,当小麦种子通过平行板电容传感器时,电容的变化量与种子所占的体积成正比㊂对于大小均匀的小麦种子,可以通过检测电容变化量来检测小麦种子的数目㊂2 系统设计2.1 平行板电容传感器结构设计平行板电容传感器由两块相对平行布置的电容极板㊁排种管接口㊁处理电路㊁对外接口和电路安装盒等组成,为了避免小麦种子与电容传感器的电容极板发生碰撞而影响检测精度,在电容传感器的排种管接口与电容极板之间设计了V型挡板,其实物图如图1所示㊂设计的传感器两端各有一个排种管接口,分别与排种管相连接,其中传感器上端排种管接口与排种器下方的漏斗口距离为20mm,传感器的长度为80mm,传感器下端排种管接口到排种管末端的距离为480mm㊂排种器工作过程中,排种器排出的部分种子先与V型挡板接触,然后再通过电76第1期 陈建国等:小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验容传感器的极板,避免小麦种子与电容极板发生碰撞而影响种子在电容极板之间的停留时间㊂V 型挡板对小麦种子有汇集作用,虽然会影响部分种子的运动轨迹,但在实际的播种作业中对排种器工作质量的影响较小㊂图1 平行板电容传感器实物图Fig.1 Picture of parallel plate condenser2.2 平行板电容传感器极板设计文献[25]利用微波透射技术对小麦的相对介电常数进行了测量,得到小麦的相对介电常数为2.5~3.0㊂本文选取小麦相对介电常数为2.75㊂小麦长约6.5mm,直径为3.4~3.8mm,则单粒小麦种子的体积为V s ≈π×1.72×6.5=59.01mm 3㊂代入式(4)有ΔC =C -C 0=0.914d 2(5)芯片AD7746的精度为0.004pF,按照辨别出一粒小麦种子的要求,由式(5)得到需要满足的条件为d <15.12mm㊂据此两平行极板间距离设计为d =15mm㊂排种轮排种示意图如图2所示㊂为了保证检测精度,应尽可能使小麦种子在通过电容传感器平行极板时被采样一次,种子通过平行极板时被采样一次的约束条件为t s <Δt <2t s(6)式中 t s 采样周期,即两次采样的时间间隔,sΔt 种子通过平行极板的时间,s由式(6)可知,即使种子下落过程中与V 型挡板发生接触而影响种子的速度,只要Δt 满足上述范围,种子经过电容传感器时均会被采样一次㊂种子通过平行极板的时间Δt 由种子到平行极板上边界的速度v 1和平行极板的长度b 决定,满足b =v 1Δt +12g Δt 2(7)图2 排种轮排种示意图Fig.2 Sketch of seeding process解得Δt =-v 1+v 21+2gbg(8)式中 g 重力加速度,9.8m /s 2种子到平行极板上边界的速度v 1由小麦的初始速度v ㊁排种口至平行极板上边界的距离H 和排种角θ决定,有v =Rωv 1=v sin θ+gt 1H =vt sin θ+12gt ìîíïïïï21(9)式中 R 排种轮半径,mmω 排种轮角速度,rad /st 1 种子到平行极板上边界的时间,s根据式(7)~(9)求得种子通过平行极板的时间为Δt =(Rωsin θ)2+2g (H +b )-(Rωsin θ)2+2gHg(10)在此基础上,确定了试验台尺寸参数㊂其中,排种器为购买的通用小麦排种器,实测得R =27mm,θ=1.0472rad,根据经验设计平行极板的长度b =30mm,宽度a =30mm㊂根据工程实践中对采样时间Δt 的要求以及考虑播种机的实际安装空间,设计了精量播种机的排种口至电容传感器平行极板上边界的距离H =147mm,并且H 在142~152mm 之间时满足要求㊂当排种轮转速为20r /min 时,由式(10)求得Δt =16.85ms,根据式(6)初步设定采样周期为15ms㊂2.3 检测电路设计电容传感器在实际工作中,自身的电容非常小,一般仅为几皮法,而且当一粒小麦种子通过电容传感器时,电容的变化值约为0.004pF,微小的电容变化量很难被目前的显示仪表直接显示出来,必须采取测量电路来检测这一微小电容的变化㊂86农 业 机 械 学 报 2019年因为微小电容传感器的电容量较小,传感器的调理电路容易受到寄生电容和环境的影响,难以实现高精度的测量,选用AD7746集成电路则能够有效降低这些因素引起的测量误差㊂按照可以检测微小电容变化值和处理时间短等要求,设计了如图3所示的电路㊂该电路由CY7C68013单片机㊁电容模数转换芯片AD7746㊁稳压器ADP3303等组成㊂图3 平行板电容传感器电路原理图Fig.3 Circuit design schematic of parallel plate condenser sensor2.4 软件设计小麦播种机排种高精度检测系统的软件部分主要包括系统初始化㊁数据采集和数据处理等模块㊂程序流程图如图4所示㊂图4 程序流程图Fig.4 Flow chart of program单片机主程序执行IO 端口设置以及AD7746容性通道㊁输入模式㊁转换速率㊁转换方式等设置㊂当单片机初始化和AD7746相关寄存器设置完成后,AD7746开始采集1500个数据,而此时排种轮不转动,即没有小麦种子通过电容传感器,对采集到的1500个数据求均值得到电容传感器的初始电容C aver ㊂然后,启动步进电机带动排种轮转动,AD7746采集电容数据,并利用相关算法求得排种量㊂3 算法描述3.1 种子单粒形式下落时算法分析为准确地提取脉搏主波位置和脉搏峰值,张爱华等[26]提出了基于动态差分阈值法的脉搏信号峰值检测方法㊂本文对动态差分阈值法进行了改进,然后应用于对单粒形式下落种子的精确检测㊂当小麦种子以单粒形式通过电容传感器时,会形成脉冲信号,此脉冲信号一般具有幅值大㊁一阶差分值大等特点㊂如图5a 为一组115个点的采样信号,图5b 为这段采样信号的一阶差分㊂由于排种器存在摩擦㊁振动等外界因素,小麦通过传感器时形成的脉冲信号存在多种表现形式,然而,通常情况下,这些脉冲信号均具有幅值大㊁一阶差分值大等特点㊂由于脉冲信号表现形式多样,仅通过阈值法较难准确地判别小麦的数目,且随着时间的变化,脉冲信号幅值也会发生变化,虽然短时间内这种变化不明显;同时,由于存在振动等外界干扰因素,仅通过差分也较96第1期 陈建国等:小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验难准确地判别小麦的数目㊂针对上述存在的问题,提出了差分动态阈值法,该方法可以有效提高检测系统对单粒形式下落种子的检测精度㊂图5 采样信号及其一阶差分信号Fig.5 Amplitude and difference signal of sampling signal3.1.1 初始阈值的设定首先,采集1500个数据(没有小麦种子通过)计算初始电容C aver ㊂其次,取一组采样信号(种子以单粒形式下落),根据其一阶差分值大于0.0028pF (即0.004pF ×0.7),且对应采样信号幅值介于C aver +0.0028pF 与C aver +0.0052pF(即0.004pF ×1.3)之间,提取前7个脉冲信号㊂0.004pF 为单粒小麦种子通过电容传感器时引起的电容变化量,第1个0.7为一阶差分阈值系数,1.3和第2个0.7分别为幅值阈值上限和下限系数㊂去掉7个脉冲信号中一阶差分值的最大值和最小值,剩余的一阶差分值记作C 1㊁C 2㊁C 3㊁C 4㊁C 5,求其算术平均值,记作C ㊂去掉7个脉冲信号中幅值的最大值和最小值,剩余的幅值记作H 1㊁H 2㊁H 3㊁H 4㊁H 5,求取算术平均值,记作H ㊂将初始一阶差分阈值设置为τ=C ,幅值的下限设置为H α=0.7H ,幅值的上限设置为H β=1.3H ㊂3.1.2 脉冲信号的检测根据初始一阶差分阈值τ寻找第1个脉冲信号,设任意两个连续采样点的幅值为H i ㊁H i +1,如果满足H i +1-H i >τ(11)则H i +1为满足差分阈值的采样点,从H i +1对应的采样点开始寻找过零点的采样点,设H i +1后的3个连续点为H i +2㊁H i +3㊁H i +4,由于脉冲信号存在多种表现形式(可以连续判断5个点),如果满足H i +2-H i +1>0(12)H i +3-H i +2<0(13)则H i +2为一个可能的脉冲信号幅值,根据幅值判断准则:若H α<H i +2<H β,则认为H i +2是小麦经过传感器时产生的脉冲信号的幅值;若不满足,则幅值为H i +2的脉冲信号可能是由振动等干扰因素产生的㊂3.1.3 阈值更新检测到一个脉冲信号后,利用此信号的信息对阈值进行更新㊂记C new =H i +2-H i ,H new =H i +2,用C new 更新一阶差分阈值,即对C 2㊁C 3㊁C 4㊁C 5㊁C new 求其算术平均值,得到新的差分阈值τ㊂用H new 更新幅值上下限,即对H 2㊁H 3㊁H 4㊁H 5㊁H new 求其算术平均值,得到新的幅值下限H α和幅值上限H β㊂利用更新的阈值并依据脉冲信号的检测方法继续检测下一个脉冲信号㊂由于幅值上下限会不断更新,这样可以减少因幅值随时间缓慢变化引起的误判,因此该方法可有效提高检测系统对单粒形式下落种子的检测精度㊂3.2 多粒种子同时下落时算法分析为实现对多粒种子同时下落时的精确检测,建立种子数目与电容积分值之间的最小二乘回归模型㊂电容传感器在采集信号时,自身有0.0015pF 左右的微小波动,通过设定阈值δ的方法降低上述因素的影响,即只有满足阈值条件的脉冲峰值才被认为是有效的,需要满足C i -C aver >δ(14)式中 C i 第i 采样点的电容控制步进电机带动排种轮转动,设置系统采样周期为15ms,采样40组数据㊂在每组数据中,对满足式(14)的所有采样点处的电容进行积分,其公式为C =∫(C i-Caver)d x (C i -C aver >δ)(15)在每组试验中,人工统计出实际通过电容传感器的小麦粒数G ,根据小麦粒数G 与电容积分值C 建立线性模型G =β0+β1C +ε(16)式中 β0㊁β1 模型系数ε 随机误差变量用样本统计量^β0和^β1代替模型未知参数β0和β1,得到估计回归方程^G =^β0+^β1C (17)根据最小二乘法的思想,使得因变量观测值与估计值之间的离差平方和最小,求得^β0和^β1,即min Q (^β0,^β1)=∑nj =1(G j -^G )2(18)07农 业 机 械 学 报 2019年解得^β1=n ∑n j =1C j G j -∑n j =1C j ∑nj =1G j n ∑n j =1C 2j (-∑n j =1C )j2^β0=G -^β1ìîíïïïïïC(19)其中C =1n∑nj =1C j G =1n∑nj =1G j 式中 n 试验组数4 试验4.1 试验平台试验平台由步进电机及驱动器㊁小麦播种盒㊁种箱㊁电容传感器㊁台架㊁接种盒和上位机等组成㊂步进电机控制排种轮的转速,进而控制小麦的流量㊂排种轮的圆柱面上阵列式布满窝眼,每个窝眼只可存放一粒小麦种子,这样有利于进行种子以单粒形式下落时的试验㊂电容传感器用于电容的采集,并将数据传送给上位机进行算法分析㊂4.2 单粒种子下落试验为检验该检测系统对小麦种子以单粒形式通过电容传感器时的检测精度,选用变地金公司生产的小麦种子进行试验㊂试验方法如下:通过步进电机带动排种轮转动,此时将种子一粒粒放入排种轮的窝眼中,排种轮的转动带动小麦种子以一定的时间间隔依次通过电容传感器,在电容传感器下方放置小麦种子接收盒㊂电容传感器将采集的信号传给上位机,上位机根据上述差分动态阈值法对采样的数据进行处理,得到理论小麦粒数,人工统计接收盒里面的小麦种子,得到实际小麦粒数㊂通过理论小麦粒数和实际小麦粒数计算出该检测系统的检测精度㊂试验结果如表1所示㊂表1 小麦种子以单粒形式通过电容传感器时试验结果Tab.1 Experimental results of wheat seeds passingthrough capacitance sensor by a single way试验组号计算粒数/个实际粒数/个相对误差/%试验组号计算粒数/个实际粒数/个相对误差/%18968861.1368117991.5029139050.8878588451.5438628531.068105110371.3549961004-0.8098418321.0859299151.53109629481.48 由表1可知,当小麦种子以单粒形式通过电容传感器时,利用差分动态阈值法来检测小麦的粒数具有较高的检测精度,相对误差最大为1.54%㊂可见,该检测系统对以单粒形式通过电容传感器的小麦种子或者类似谷物有很好的检测效果㊂4.3 多粒种子同时下落试验饱满的小麦种子经过电容传感器时引起的电容变化值约为0.004pF,取阈值δ=0.0028pF,这样可以排除电容自身微小波动引起的误判㊂测量前先采样1500个数据计算初始电容C aver ,然后控制步进电机以20r /min 带动排种轮转动,设置系统采样周期为15ms,采样40组数据,图6为某组采样信号图㊂在每组采样试验中,均在启动数据采样后再控制步进电机带动排种轮转动,在系统采样完成前关闭步进电机,以便准确获取小麦种子通过电容传感器时引起的电容变化量(以下试验数据采样均采用此方法)㊂在每组采样数据中,将满足式(14)条件的所有采样点处的电容进行积分,同时统计出经过电容传感器的小麦种子粒数,结果如表2所示㊂图6 多粒种子试验采样信号Fig.6 Sampling signals for multiple seed trials将表2中电容积分值与实际经过电容传感器的小麦粒数进行最小二乘拟合,得到两者之间的关系为G =143.6549C +2.0082(20)计算得到其线性相关系数为0.997,这表明电容积分值与实际经过电容传感器的小麦粒数之间存在很高的线性相关性㊂为进一步检验该系统的可靠性和检测精度,分别在20㊁25㊁35r /min 3种排种轮转速下进行试验㊂设置系统采样周期为15ms,每种转速下进行5组试验㊂在每组试验的采样数据中,将满足式(14)的所有采样点处的电容进行积分,再根据式(20)计算出小麦的籽粒数,由计算出的粒数与人工统计的实际粒数相对比,计算相对误差,其结果如表3所示㊂可以发现:在步进电机为20r /min 时,利用拟合关系式(20)计算得到的小麦粒数与实际粒数两者之间的相对误差较小,介于-1.57%~1.37%之间㊂然而,在步进电机为25㊁35r /min 时,利用拟合关系式(20)计算得到的小麦粒数与实际粒数两者之间的相对误差较大,而且随着转速的提高,相对误差逐渐增大㊂为使得该系统能够满足较大速度范围内的排种17第1期 陈建国等:小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验表2 采样时电容积分值和经过传感器的小麦粒数试验结果Tab.2 Integral quantity of capacitance in sampled data and number of wheat grains passed through sensor采样组别电容积分值/pF实际小麦粒数/个采样组别电容积分值/pF实际小麦粒数/个13.0518448212.5099353 22.8903420222.1608315 32.8507417232.0369298 42.5163366240.9546141 52.4120352252.4303344 62.8339406262.7326405 72.5383366272.8803400 82.6339387282.5794377 92.1171312292.3853354 101.6922247301.7658251 112.2177319311.8422261 122.9131427321.9048274 132.2244332331.5409223 142.3948346341.1321163 151.9617286351.1957177 162.3994336361.5403218 172.5659364371.2677187 182.8019395382.2191309 191.9016273391.5942232 201.7651259402.2932333表3 不同转速下的试验结果Tab.3 Experimental results at different speeds排种轮转速/ (r㊃min-1)电容积分值/pF计算粒数/个实际粒数/个相对误差/% 3.4271494.3498-0.74 2.8180406.8412-1.26202.9170421.14170.982.8792415.64101.373.0491440.0447-1.573.9998576.6591-2.443.9823574.1587-2.20253.5523512.3517-0.914.3992634.0657-3.503.8334552.7560-1.305.2759759.9806-5.725.1123736.4785-6.18355.0927733.6795-7.724.9900718.9784-8.315.1342739.6798-7.32量检测,排种轮转速从20r/min到55r/min,每增加5r/min时,分别建立小麦种子数目与电容积分值之间的最小二乘回归模型,根据实际转速和速度最近原则选择相应的回归模型㊂通过试验,在20㊁25㊁30㊁35㊁40㊁45㊁50㊁55r/min转速下回归模型的拟合关系式为G=143.6549C+2.0082G=144.9426C+7.9834G=148.3156C+11.4361G=151.4426C+15.4834G=154.2712C+19.0417G=157.4650C+22.1593G=160.1836C+25.8479G=163.5528Cìîíïïïïïïïïïï+28.6324(21)为进一步检验该系统在任意排种速度下的可靠性和检测精度,在18㊁23㊁29r/min等转速下进行试验㊂每组试验前先采样1500个数据以计算每组试验时的初始电容C aver,然后控制步进电机分别以18㊁23㊁29r/min等转速带动排种轮转动,设置系统采样周期为15ms,每种转速下进行4组试验㊂在每组试验的采样数据中,将满足式(14)的所有采样点处的电容进行积分,再根据式(21)计算出小麦的粒数,由计算出的粒数与人工统计的实际粒数计算相对误差,其结果如表4所示㊂检测系统安装在上海世达尔公司生产的2BGKY14型小麦播种机上,机具播种宽度为2.2m,播种量一般要求为105~225kg/hm2,小麦播种机正常工作时,行驶速度为1.4~4.1km/h㊂当播种量为105kg/hm2,车速为1.4km/h时,耗时约3.255h(195.3min)㊂在195.3min内,播种机需排种105kg,播种机共有14个排种器,则每个排种器每分钟需要排种38g(7.5/195.3=0.038kg/min)㊂实测得单个排种器每转一圈排种量为50粒,约2.2g(小麦种子大约为22.8粒/g),则排种轮每分钟需转17.3圈(38/2.2)㊂得到排种轮转速近似计算公式为n p=1.765v cα(22)式中 n p 排种轮转速,r/minv c 播种机行驶速度,km/hα 播种量,kg/hm2由式(22)可知,排种轮转速与播种机行驶速度和播种量有关,在实际农业生产中,排种轮转速可根据播种机行驶速度和播种量计算得到㊂现对18㊁23㊁29r/min等试验排种轮转速,以小麦播种量为105kg/hm2和225kg/hm2分别计算得到拖拉机行驶最高和最低速度,其中播种量为105kg/hm2时对应播种机行驶最高速度,播种量为225kg/hm2时对应播种机最低行驶速度,结果如表4所示㊂ 通过表4中的数据可以发现:在任意排种轮转速下,根据实际转速和速度最近原则选择相应的拟合关系式,该系统的相对误差介于-2.16%~ 2.23%之间,这表明该系统对不同的排种轮转速均27农 业 机 械 学 报 2019年表4 电容传感器的相对误差Tab.4 Relative error of capacitance sensor排种轮转速/(r ㊃min -1)行驶最低/最高速度/(km ㊃h -1)电容积分值/pF 计算小麦数/个实际小麦数/个相对误差/%排种轮转速/(r ㊃min -1)行驶最低/最高速度/(km ㊃h -1)电容积分值/pF 计算小麦数/个实际小麦数/个相对误差/%180.68/1.462.7271393.83862.022.6580383.83781.532.6170378.0382-1.052.6342380.4385-1.19411.55/3.326.1739971.5986-1.476.0834957.5976-1.895.8943928.4944-1.656.0194947.79351.36230.87/1.863.7817556.15471.664.1325607.0618-1.783.8942572.4580-1.314.0566596.05832.23461.74/3.726.82181096.410811.426.62941066.11088-2.016.87341104.51125-1.826.71661079.810661.29291.10/2.354.3276653.36411.924.6196696.6705-1.194.5895692.16831.334.4742675.0685-1.45521.96/4.217.41331213.31231-1.447.71531261.712461.267.65651252.31280-2.167.46551221.71238-1.32341.28/2.755.2483810.37942.055.3528826.1840-1.655.4316838.18271.345.2834815.6823-0.90572.15/4.618.13421359.01377-1.318.23651375.713591.238.08801351.41381-2.148.31221388.113731.10具有较高的检测精度㊂5 结束语基于电容传感器设计了一套用于检测小麦种子数目的高精度检测系统㊂该检测系统既适用于小麦种子以单粒形式下落时的排种量检测,也适用于多粒小麦种子同时下落时的排种量检测㊂对于小麦种子以单粒形式下落的方式,通过检测脉冲峰值的个数来判断小麦种子的粒数㊂根据脉冲信号的表现形式,提出了差分动态阈值法,试验表明,使用该方法检测的最大相对误差为1.54%㊂对于多粒小麦种子同时下落的情形,排种轮转速从20r /min 到55r /min,每增加5r /min,分别建立小麦种子数目与电容积分值之间的最小二乘回归模型㊂试验结果表明,在任意排种轮转速下,根据实际转速和速度最近原则选择相应的回归模型,该系统的相对误差介于-2.16%~2.23%之间㊂因此,对于不同的排种模式或不同的排种速度,所设计的排种检测系统均有较高的检测精度㊂此外,在每次工作前检测系统通过采样没有小麦下落时的数据获取系统的初始电容,降低了外界环境因素的影响㊂因而所设计的系统对工作环境具有较高的鲁棒性㊂参考文献[1] 杨丽,颜丙新,张东兴,等.玉米精密播种技术研究进展[J /OL].农业机械学报,2016,47(11):38-48.http:∥www.j⁃ /jcsam /ch /reader /view_abstract.aspx?flag =1&file_no =20161106&journal_id =jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000⁃1298.2016.11.006.YANG Li,YAN Bingxin,ZHANG Dongxing,et al.Research progress on precision planting technology of maize [J /OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(11):38-48.(in Chinese)[2] 苑严伟,张小超,吴才聪,等.玉米免耕播种施肥机精准作业监控系统[J].农业工程学报,2011,27(8):222-226.YUAN Yanwei,ZHANG Xiaochao,WU Caicong,et al.Precision control system of no⁃tillage corn planter [J].Transactions of the CSAE,2011,27(8):222-226.(in Chinese)[3] 梅鹤波,刘卉,付卫强,等.小麦精量播种高精度监测系统的设计与试验[J].农机化研究,2013,35(1):68-72.MEI Hebo,LIU Hui,FU Weiqiang,et al.The design and testing of the intelligent monitoring system for wheat precision sowing [J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2013,35(1):68-72.(in Chinese)[4] 郝向泽,何旭鹏,邹翌,等.基于光电传感器的精密播种机排种性能监测系统的研究[J].华南农业大学学报,2017,38(1):120-124.HAO Xiangze,HE Xupeng,ZOU Yi,et al.Research on the sowing performance monitoring system for precision seeders based on photoelectric sensor [J].Journal of South China Agricultural University,2017,38(1):120-124.(in Chinese)[5] 纪超,陈学庚,陈金成,等.玉米免耕精量播种机排种质量监测系统[J /OL].农业机械学报,2016,47(8):1-6.http:∥www.j⁃ /jcsam /ch /reader /view_abstract.aspx?flag =1&file_no =20160801&journal_id =jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000⁃1298.2016.08.001.JI Chao,CHEN Xuegeng,CHEN Jincheng,et al.Monitoring system for working performance of no⁃tillage corn precision seeder [J /OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(8):1-6.(in Chinese)[6] 郑一平,花有清,陈丽能,等.水稻直播机播种监测器研究[J].农业工程学报,2005,21(4):77-80.37第1期 陈建国等:小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验。
气吸式排种器批量联动试验台的设计
气吸式排种器批量联动试验台的设计李晓明;齐忠军;王涛;李国民【摘要】设计一种新型批量联动排种器试验台，以有效解决播种机排种器总成的质量检验及性能调试问题。
介绍该试验台的总体结构及工作原理，详细说明各主要系统的配置及其参数计算方法。
该试验台结构合理，操作方便，工作效率高。
%A new batch linkage test bench for pneumatic seeder was designed in order to solve the problem of quality inspection and performance debugging for seeding machine assembly. The overall structure and working principle of the test bench was explained, the configuration and parameter calculation method of the main system was given in detail. The test bench is reasonable in structure, conve-nient in operation with high work efficiency.【期刊名称】《农业科技与装备》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】3页(P26-28)【关键词】排种器试验台;批量;联动;检验与调试;设计【作者】李晓明;齐忠军;王涛;李国民【作者单位】黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150000;黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150000;黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150000;黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150000【正文语种】中文【中图分类】S223.25气吸式排种器是高速精量气吸播种机的关键部件，其组装完备的总成可以作为通用部件，具有独立产品特性，必须对其零件加工及装配质量进行动态检验，并为不同特性种子播种要求的用户提供实际工况下的参数调整。
玉米播种机排种监测与控制系统的设计和研究
3.2.1总程序结构 (29)3.2.2播种机排种监测部分 (29)3.2.3声光报警部分 (30)3.2.4显示部分 (31)3.2.5控制部分 (31)3.2.5按键软件去抖处理 (31)第四章测试与分析 (32)4.1测试实验 (32)4.2试验方法 (32)4.3试验过程 (33)4.4试验结果 (33)第五章总结与展望 (36)5.1总结 (36)5.2展望 (36)参考文献 (37)致谢 (41)作者简介 (42)攻读硕士学位期间发表的学术论文目录 (43)第一章绪论1.1 研究背景在世界上，玉米作为人们粮食的主要来源之一，同时也是畜牧业常用的饲料之一，其具有非常广泛的应用价值。
其中，全球玉米种植面积最大的大陆是北美洲。
种植第二的是拉丁美洲。
种植第三的是亚洲和非洲[1]。
现在全世界玉米种植面积总共有21亿亩，超过4.8亿吨的总产量[2]。
其中，玉米产量最大的国家是美国。
产量第二的是中国。
巴西和墨西哥的产量第三。
从全世界粮食的总产量排名来看，玉米仅次于小麦和水稻，位居世界第三位[3][4]。
玉米是主要的农业作物之一，玉米的种植的耕种面积大，分布范围广泛。
玉米的种植分布存在着南北地区差异大的情况。
玉米的种植区域中，西南、华北和东北是相对集中的种植区域，从种植分布地图上来看玉米种植的情况，分布面积是呈一条自东北到西南的斜长形。
玉米的总产量和总耕种面在我国粮食生产中居首位[5]。
从改革开放后，国家实行的家庭联产承包极大的刺激的农业生产。
这一举动提高了农民进行农业生产的积极性。
各省的玉米播种面积每年都在大幅度的增加，玉米的总产量也不断增加[6]。
在往年《中国统计年鉴》公布的统计数据可以看出，自改革开放这么多年来，玉米的生产在种植面积、每亩单产和各个总产量上都是大幅提高了。
在1990年前，我国玉米种植面积基本稳定在30000万亩，从1990年之后，逐渐发展到3.2亿至3.6亿亩之间。
玉米的种植面积在5年前达到了最高峰，其高达44000万亩，约占全球玉米总播种面积的五分之一。
多功能排种器性能试验台的设计与试验
多功能排种器性能试验台的设计与试验刘立晶;刘忠军;贾振华【摘要】设计了多功能排种器性能试验台,采用胶带运动、排种器固定不动的相对运动形式,模拟播种机田间运动,通过计算机视觉系统对胶带上的种子进行拍摄,并实时检测出精密排种器粒距、条播排种器单位长度内粒数等参数,从而计算出合格指数、漏播指数、重播指数以及均匀性等排种器性能指标.稳定性试验表明:粒距检测的最大偏差为0.78mm,粒数检测的最大相对误差为0.7％.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2012(034)004【总页数】4页(P123-126)【关键词】排种器性能;试验台;多功能;计算机视觉【作者】刘立晶;刘忠军;贾振华【作者单位】中国农业机械化科学研究院,北京 100083;土壤植物机器系统技术国家重点实验室,北京100083;现代农装科技股份有限公司,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】S223.20 引言播种机械的田间试验受季节影响，研发周期长，制约了新型部件或改进部件的研发速度，也相应制约了整机技术的发展[1]。
排种器是播种机械的核心部件，其技术水平和性能直接影响播种质量。
根据结构形式或者功能，将排种器分为多种类型；针对不同作物类型和品种，同一排种器性能又有很大差异。
因此，研究开发出针对排种器性能检测的试验台是加速该部件及整机发展的最佳途径之一。
综合分析国内排种器性能试验台的现状有两类典型代表[2-7]；首先，较早期的试验台胶带固定、排种器放在小车上运动排种，人工完成参数检测，控制系统落后；其次，近些年来，胶带运动、排种器固定、基于计算机视觉或者高速摄影技术进行排种器性能检测的方法快速发展，其特点是应用相机拍摄图片，然后进行图像处理与分析，测量粒距，目前较成功的试验台测量精确度达到≤1mm[8-9]。
各型式试验台仅适合精密排种器的试验，且只能进行一个排种器的试验，对于条播排种器的性能检测还未涉及，试验台的使用范围比较窄。
排种试验台视觉检测系统方案
四、系统硬件配置
设备名称 线阵相机 图像采集卡 专用照明光源 专用镜头 主机系统
型号 / 技术指标 4k 线阵摄像机或 CameraLink 图像卡 高亮度条形照明光源 F 口工业镜头 高性能 PC
数量 1台 1片 1套 1个 1台 1个
备注 SB4480 EPIX EL1 CCS/CST NIKON
n1 100 N' n 重播指数： D 2' 100 N
合格指数： A
漏播指数： M
n0 100 N'
3.2.2 播种精确性指标 标准差：
ni X i X2 ' n2
2
式中： X i 0.5 ~ 1.5 则变异系数： C 100
七、程序设计 1、界面功能区域 交互区（功能按钮，包括是否采集、是否实验、选择实验、电机控制等 等）及参数设置区（试验参数设置） 、图像显示区（检测时，需要把结果显 示到采集区域） 、结果输出区域（试验结果数据）及图示。 2、条播排种器问题 线阵相机可设定一帧图像的行数，如果设定的测量区段的长度与图像的 高度不一致时，如何处理？此时一帧图像可能包含两个测量区段各一部分或 者更多，而且还要考虑测量区段相接处的种子的计数，以及图像边缘处的种 子的计数。此处最容易出问题而重复计数。还有，如果种子紧密相连，则算 法必须能够区分，需要考虑两个或两个以上种子相连的情况
Xi
式中： x i —区段的中值。 （1） 绘制频率表：
xi X ref
（1）
（2） 绘制频率直方图 按公式（2）计算相对频率
Fi
ni N
（2）
式中：N 为试验测定的种子数。 以 X i 值为横坐标，相应的 Fi 值为纵坐标，绘制频率直方图。 3.2 计算变异系数 如果： n1' ni ( X i 0 ~ 0.5
排种器性能试验步骤
（8）打开【灯】照明开关，该开关控制了摄像机箱内的照明供电；
（9）打开【油温监控】开关；
（10）打开【油温加热】开关；
2
在试验中种床带的启动与停止，由综合操作台上的相应变频器来控制，可在1.5～12 km/h内无级调速；种床带前进速度值在计算机上显示。
四
1
2
项目
指标
备注
种床带速度
km/h
1.5～12
种床带速度测量误差
%
< 0.5
排种轴转速
r/min
10～150
排种轴转速测量误差
%
< 0.5
风机输出的工作压力
KPa
0～5
正压
风机输出的工作压力
KPa
-5～0
负压
种子粒距测量平均误差
mm
<2
大豆、玉米
3
项目
指标
备注
电源
三相交流电源
作业功率消耗
kw
<10
⑤装备可升降刷子架（箅油）；
⑥装备排种器万能安装架，架上装备排种轴驱动电机、减速器及传动机构等；
⑦除主体钢制框架外，其余各机架和结构部件均为不锈钢制，外部整体安装仿形壳体和护板。
⑧装备测试用工业摄像机可调安装架及密闭照明箱，摄像机可上下左右调节。
2.2电机及控制设备
（1）种床驱动电机
为适应工业摄像机高精度测量，设计定制台湾专用变频调速电机，松下变频器，主动轴上配装高精度转速编码器。
3
在试验中排种轴的启动与停止，由综合操作台上的相应变频器来控制，电机可在10～150 r/m内无级调速；排种轴转速值在计算机上显示。
气吸式免耕播种机排种器监测系统设计
农机化研究
第9 期
气吸式免耕播种机排种器监测系统设计
刘建英1 ，刘 飞2 ，张鹏举3
（ 1． 内蒙古机电职业技术学院， 呼和浩特 010070； 2． 内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018； 3． 内蒙古师范大学 计算机与信息工程学院，呼和浩特 010022）
摘 要： 排 种 器 是 免 耕 播 种 机 的 核 心 部 件 ，其 排 种 质 量 直 接 影 响 免 耕 播 种 机 的 播 种 质 量 。为 此 ，针 对 免 耕 地 表 作
器 和 报 警 器 实 时 掌 握 播 种 情 况 ，能 够 有 效 提 高 2 BM － 5 型 气 吸 式 免 耕 播 种 机 的 播 种 质 量 。
关键词： 气吸式； 播种机； 排种器； 监测系统
中图分类号： S223． 2 + 5
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2015） 09 － 0143 － 04
操纵的部位 ，且要 使 显 示 器 固 定 在 拖 拉 机 上 。 报 警 器 要安装在驾驶员能 够 清 晰 听 见 的 位 置 ，并 要 固 定 在 拖 拉机上。 3． 3 报警后及时停止作业
当有一行或数行播种装置发生故障停止播种时， 报警器发出连续警报声； 同时，不正常的播行就显示 在显 示 器 上，此 时 驾 驶 员 要 及 时 停 止 作 业 ，检 查 该 行 播种器故障。
CMOS 型 555 时基电路的电源适应范围为 2 ～ 18V，最 大工作电流为 200mA，由于播种机作业时需要来回走 动 ，只有选择能够 拖 拉 机 携 带 的 电 源 。 本 实 时 监 测 系 统耗电量较 小，所 以 选 择 12V 直 流 电 瓶 作 为 供 电 电 源 。 播种机工作时 ，直 流 电 瓶 供 电 可 能 出 现 不 稳 定 的 情况，可能损坏监测系统，在 12V 直流电瓶和监测系 统之间连接降压器和稳压器，将电瓶输出的 12V 直流 电变为 5V 稳定的直流电，为监测系统提供电源。 2． 2 排种器工作监测过程
勺轮式排种器播种质量监测系统设计与试验
勺轮式排种器播种质量监测系统设计与试验张㊀伏ａꎬ陈天华ａꎬ郭志军ｂꎬ杨增荣ａꎬ滕㊀帅ａ(河南科技大学ａ.农业装备工程学院ꎻｂ.车辆与交通工程学院ꎬ河南洛阳㊀４７１００３)摘㊀要:由于勺轮式播种质量监测系统存在监测精度差检测不准确的问题ꎬ基于勺轮式排种器结构特征ꎬ以ＰＬＣ为核心控制器并结合人机交互㊁光电监测和霍尔效应等原理ꎬ设计了勺轮式播种质量监测软硬件系统ꎬ实现了对勺轮式玉米精密排种器播种质量进行实时监测的功能ꎮ试验结果表明:监测系统播种量监测精度为９７.２％ꎬ漏播监测精度为８５.０％ꎬ重播监测精度为８８.１％ꎬ能避免大田播种复杂作业环境下出现的大面积㊁断条式漏播ꎬ以及重播㊁堵塞等情况ꎬ提高了勺轮式播种质量监测系统的精度ꎮ该项研究为勺轮式排种器播种质量监测系统研制提供了新的思路ꎮ关键词:排种器ꎻ播种质量ꎻ勺轮式ꎻ人机交互ꎻ漏播ꎻ重播中图分类号:Ｓ２２３.２ꎻＳ２２０.３㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０２１)０４－００５４－０６０㊀引言随着我国智能农机装备水平的提高ꎬ精密播种技术得到广泛应用ꎬ而播种作业质量监测系统作为精密播种技术的关键部分ꎬ其性能直接影响作物产量和农业生产成本[１－２]ꎮ勺轮式排种器主要用于玉米和豆类播种ꎬ具有播种精度高㊁结构简单㊁易于维护㊁使用成本低等优点而被广泛应用[３－５]ꎮ在设计播种质量监测系统时ꎬ需考虑排种器自身特征及作业环境等诸多因素[６]ꎬ而现有勺轮式排种器的播种质量监测系统存在监测精度低㊁结构复杂㊁成本较高㊁不易维护等问题ꎮ因此ꎬ针对勺轮式排种器开发一套高精度㊁低成本㊁模块化的播种质量监测系统显得尤为重要ꎮ播种质量监测系统作为播种领域的研究热点ꎬ得到国内外众多学者的重视[７－１１]ꎮ吴艳艳[１２]等基于ＭＣＳ－５１单片机结合光电传感器与霍尔传感器ꎬ开发设计了播种质量预警系统ꎬ采用霍尔传感器检测地轮转速ꎬ实现了对播种质量的实时预警ꎮ赵斌[１３]等针对大型气吸式播种施肥机自动监测问题ꎬ基于单片机与ＡＴＳ６６５齿轮边沿传感器ꎬ设计了一种智能计量监测系统ꎬ实现了对气吸式播种施肥机的智能计量监测ꎮ和贤桃[１４]等基于自动检测仪针对指夹式排种器的重播漏播状况进行检测ꎬ解决了种子下落时触发脉收稿日期:２０１９－０９－１７基金项目: 十三五 国家重点研发计划项目(２０１７ＹＦＤ０３０１１０６)ꎻ国家自然科学基金项目(５１６７５１６３)ꎻ河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目(２０１７ＧＧＪＳ０６２)作者简介:张㊀伏(１９７８－)ꎬ男ꎬ河北邢台人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)ｚｈａｎｇｆｕ３０＠１２６.ｃｏｍꎮ冲对应指夹的难点ꎬ实现了对指夹式排种器播种质量的实时监测ꎮ王金武[１５]等针对水稻穴直播机ꎬ基于ＡＴｍｅｇａ３２８ＰＭＣＵ控制器并利用ＰＶＤＦ压电薄膜为检测元件ꎬ设计了一种播种质量监测系统ꎬ实现了水稻穴直播机的播种质量监测ꎮ郑雯璐[１６]等针对玉米精量播种机的播种质量ꎬ设计了一种光电传感器交叉式排列的监测元件ꎬ放置于排种管中部ꎬ实现了对玉米精密播种机的排种性能监测ꎮ周利明[１７]等针对小麦播种机排种量ꎬ基于电容器极板间介质质量变化的原理ꎬ设计了一套电容式排种量传感器ꎬ实现了小麦播种机播种量的实时在线检测ꎮ车宇[１８]等针对免耕播种机基于ＰＩＣ单片机与采用红外ＬＥＤ发光管和光电二极管进行组合设计的对射式传感器及霍尔接近开关组成的转速传感器ꎬ研发了一种红外播种质量监测系统ꎬ解决了人工难以实时监测播种质量的问题ꎻ但在田间试验过程中发现由于传速传感器安装部件受震动影响发生形变ꎬ导致监测精度降低ꎮ以上研究虽取得了丰硕成果ꎬ但结合勺轮式排种器结构特征的播种质量监测系统方面的研究鲜有报道ꎮ为此ꎬ针对勺轮式排种器结构特征ꎬ以ＰＬＣ为核心控制器并结合人机交互㊁光电监测和霍尔效应等原理ꎬ设计一套抗干扰能力强㊁系统结构紧凑㊁播种质量监测精度高的勺轮式播种质量监测系统ꎬ以期为播种质量监测系统提供新的研究思路ꎮ１㊀播种质量监测系统播种质量监测系统由硬件和软件两部分组成ꎬ工作原理为:上位机监控终端与下位机核心处理器及传感器等元件构成闭环回路ꎬ传感器对播种过程进行实时监测ꎮ其中ꎬ转速传感器直接检测勺轮式排种盘转速ꎬ并将检测到的勺轮式排种盘转速值输入到核心处理器中ꎬ进行运算处理ꎻ光电传感器监测播种信息ꎬ随着种子在下落过程中遮挡光电传感器光线通路ꎬ光电传感器产生脉冲ꎬ核心处理器通过设定的程序对光电传感器产生的脉冲进行计数统计ꎬ实现对下落种子的时间间隔㊁排种频率㊁排种总量进行记录ꎬ并根据标准计算获得重播㊁漏播指数㊁合格指数ꎮ监测信息通过传输协议传输至上位机监控终端ꎬ上位机监控终端具有人机交互功能ꎬ可快速实现播种机播种质量相关数据的采集㊁监测㊁记录㊁实时显示播量信息ꎬ以及当发生堵塞㊁大面积重播㊁漏播时发出声光报警信号ꎬ及时提示驾驶员机具作业情况ꎮ系统结构如图１所示ꎮ图１㊀系统结构框图Ｆｉｇ.１㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｙｓｔｅｍ２㊀播种质量监测系统硬件播种质量监测系统硬件由上位机监控终端人机交互系统模块㊁下位机核心处理器模块㊁转速传感器和光电传感器监测模块组成ꎮ２.１㊀人机交互系统模块系统采用北京昆仑通态ＴＰＣ１０６１Ｔｉ型ＭＣＧＳ组态显示屏ꎬ作为上位机监控终端人机交互系统模块ꎮ通过界面设计及数据的链接ꎬ设置通道属性与控制器程序中相对应的地址通道建立联系ꎮ其中ꎬ设定重播报警变量读写通道Ｍ０００.１ꎻ漏播报警变量读写Ｍ０００.３ꎻ开关变量读写Ｍ０００.７ꎻ转速变量读写Ｍ０００２.０ꎻ标准时间间隔变量读写ＶＤＦ００８ꎻ排种量变量读写ＶＤＦ０８０ꎻ重播变量读写ＶＤＦ００９２ꎻ漏播变量读写ＶＤＦ０９６ꎻ重播率读写ＶＤＦ４０８ꎻ漏播率变量读写ＶＤＦ４１２ꎮ之后ꎬ设定开关型变量ꎬ即可完成控制指令的输入和下位机系统执行采集播种质量相关信息后传输至上位机进行实时动态显示ꎮ控制界面包括启动㊁停止㊁初始化㊁历史记录按钮㊁漏播重播声光报警和速度㊁农艺参数传输参数按钮ꎬ以及播种状态显示界面ꎮ人机交互系统操作界面如图２所示ꎮ图２㊀人机交互系统操作界面图Ｆｉｇ.２㊀ＴｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｙｓｔｅｍｏｆＭＣＧＳ２.２㊀核心处理器模块采用西门子公司生产的ＣＰＵ２２２ＣＮＰＬＣ作为下位机核心控制器模块ꎮ其拥有４个独立的高速计数器㊁两路独立的２ｋＨｚ高速脉冲输出㊁８个开关量输入端㊁６个开关量输出端ꎬ与上位机监控终端采用ＲＳ４８５通信ꎬ完全满足设计要求ꎮＰＬＣ的Ｉ/Ｏ口分配表如表１所示ꎮ表１㊀ＰＬＣＩ/Ｏ口分配表Ｔａｂｌｅ１㊀ＴｈｅｉｎｐｕｔａｎｄｏｕｔｐｕｔａｌｌｏｃａｔｉｏｎｔａｂｌｅｏｆＰＬＣ输入输出寄存器元件作用Ｉ０.０ＳＱ转速测量Ｉ０.１ＮＯ种子计数Ｉ０.２ＳＢ１数据清零Ｉ０.３ＳＢ２系统刷新Ｑ０.０ＨＡ＆ＨＬ重播报警Ｑ０.１ＨＡ＆ＨＬ漏播报警２.３㊀光电传感器为实现对勺轮式玉米精密排种器的播种质量进行实时监测ꎬ系统采用由发射端㊁接收端和检测电路３部分组成的对射光电传感器ꎮ正常工作时ꎬ由排种装置一侧发射端发射红外信号ꎬ与另一侧接收端形成光线通路ꎬ其光电检测模型如图３所示ꎮ下落种子通过排种口时会遮挡发射端与接收端组成的光线通路ꎬ接收端接收信号的阈值发生变化ꎬ信号强度减弱到阈值以下又恢复初始强度ꎬ这一过程所产生的信号经调理电路放大形成的脉冲信号电压ꎬ经过微分电路整形形成脉冲信号ꎬ用于下位机核心处理器识别判定播种质量的重要指标ꎮ只有种子有效通过装有光电传感器的排种装置ꎬ信号处理电路才会有输出电压产生ꎬ经调理电路放大形成的接收端输出信号电压为Ｖ１＝Ｖ２(１－ｅ－ｔＲＣ)(１)式中㊀Ｖ１ 输出信号电压(Ｖ)ꎻ㊀Ｖ２ 转换信号电压(Ｖ)ꎻ㊀Ｒ 电阻(Ω)ꎻ㊀Ｃ 电容(Ｆ)ꎻ㊀ｔ 时间(ｍｓ)ꎻ㊀ｅ 自然常数ꎮ㊀㊀注:Ｓ１为充种区ꎬＳ２为导种区ꎬＳ３为清种区ꎬＳ４为递种区ꎬＳ５为投种区ꎬＧ１为籽粒ａ的重力ꎬＧ２为籽粒ｂ的重力ꎮ图３㊀光电检测模型Ｆｉｇ.３㊀Ｍｏｄｅｌｏｆｒｅ－ｓｅｅｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎ２.４ 转速传感器勺轮式排种器动力通常由地轮传递ꎬ且各单体间由联轴器相连ꎬ在１个地轮打滑失效时其他地轮能代替输出动力使排种器能正常工作ꎮ为此ꎬ采用ＮＪＫ－５００２Ｃ型直流三线ＮＰＮ常开型霍尔接近开关ꎬ对排种盘转速采用周期检测方式获取播种时机具前进的有效速度ꎮ检测时ꎬ将霍尔接近开关安装在勺轮式排种盘排种器盖上与勺轮式排种盘间距为２~３ｍｍ处ꎬ用于固定排种盘的３颗等间距分布磁铁螺丝作为测量点ꎮ转速检测点如图４所示ꎮ图４㊀转速检测点Ｆｉｇ.４㊀Ｔｈｅｓｐｅｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔ当勺轮式播种盘铁质螺丝接近霍尔传感器时ꎬ由于霍尔效应原理ꎬ传感器尾灯会闪亮并产生脉冲ꎬＰＬＣ接收脉冲ꎬ计时器开始计时ꎬ记录从第１次接收到脉冲到第４次接收到脉冲时间ꎬ即为勺轮式排种盘旋转１圈所用的时间ꎮ由此得出勺轮式排种盘的转速值ꎬ由式(２)~式(６)获得系统检测的标准时间间隔ꎬ用于判定重播㊁漏播状况ꎮｎ＝ｋｍ(２)式中㊀ｎ 勺轮式排种盘转速(ｒ/ｍｉｎ)ꎻ㊀ｋ 接收的方波数ꎻ㊀ｍ 检测的磁铁数ꎮｎ１＝ｉｎ(３)式中㊀ｎ１ 地轮转速(ｒ/ｍｉｎ)ꎻ㊀ｎ 排种盘转速(ｒ/ｍｉｎ)ꎻ㊀ｉ 减速器减速比ꎮＳ＝πｄｎ１＝πｄｉｋｍ(４)式中㊀Ｓ 机具行进距离(ｍ)ꎻ㊀ｄ 地轮直径(ｍ)ꎮＶ＝Ｓｔ１＝πｄｎ１ｔ１＝πｄｉｋｍｔ１(５)式中㊀Ｖ 实际播种机转速(ｍ/ｓ)ꎻ㊀ｔ１ 计时器所记录的时间(ｍｓ)ꎮ正常播种状态下ꎬ标准时间间隔由农艺参数所设定的标准粒距决定ꎮ计算公式为Ｔ＝ＬＶ(６)式中㊀Ｔ 标准时间间隔(ｍｓ)ꎻ㊀Ｌ 标准株距(ｍ)ꎮ则由式(２)~式(６)可得标准时间间隔为Ｔ＝Ｌｍｔ１πｄｋｉ(７)２.５㊀模块硬件电路图设计系统中ＰＬＣ的输出端ꎬＩ０.０用于接收霍尔接近开关的开关信号ꎮＩ０.１用于接收光电开关的开关信号ꎬ输出端接声光报警装置ꎬ发生故障时对应的ＬＥＤ灯发生闪烁ꎬ对应的蜂鸣器发生声音报警ꎮＩ０.２接ＳＢ１开关ꎬ接通时Ｍ０.７启动ꎬ系统复位ꎬＭ０.７也可由ＭＣＧＳ置位和清零ꎬ清零的主要作用是在计数之前将变量存储器中历史数据清零ꎮＩ０.３接ＳＢ２开关ꎬ用于控制系统总开关ꎮＰＬＣ控制器硬件接线如图５所示ꎮ图５㊀ＰＬＣ硬件接线图Ｆｉｇ.５㊀ＴｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆＰＬＣ３㊀播种质量监测系统软件系统软件部梯形图主程序包括播种量计数㊁漏播率㊁重播率运算处理的程序ꎬ以及漏播㊁重播㊁堵塞等状况的声光报警程序ꎮ子程序由转速传感器对勺轮式排种盘转速检测和光电传感器对种子实时下落脉冲信号的数据采集程序组成ꎬ实现对勺轮式排种器播种作业过程的播种作业质量进行实时监测的功能ꎮ３.１㊀监测系统软件设计系统上电初始化后ꎬ上位机发出检测命令ꎻ接收到主机命令后ꎬＭ０.７接通ꎬ变量存储器中历史数据被清零ꎬ系统软件依次启动各个子程序工作ꎻ传感器开始工作ꎬ转速传感器与光电传感器接通ꎬ转速传感器开始检测勺轮式排种盘转速ꎻ种子下落过程中首次遮挡光电传感器光线ꎬＰＬＣ的定时器和计数器启动ꎬ核心处理器在接收到转速传感器对勺轮式排种盘转速的检测数据后换算成标准时间Ｔꎬ光电传感器对播种质量的监测信号采集并与所获得的标准时间Ｔ进行比较ꎮ此时ꎬ系统会根据时间Ｔ的大小打开相应的程序网络ꎮ如果时间小于０.５Ｔꎬ重播的通道随即打开ꎬ相应的Ｍ寄存器被置位ꎬ且相应的Ｑ寄存器被接通ꎬ此时记录重播的计数器加１ꎬＱ寄存器驱动相应的报警灯和蜂鸣器进行报警ꎻ如果时间大于１.５Ｔꎬ漏播网络被接通ꎬ相应的Ｑ寄存器被接通ꎬ此时记录重播的计数器加１ꎬＱ寄存器驱动相应的报警灯和蜂鸣器进行报警ꎻ(０.５~１.５)Ｔ为正常工作状态ꎬ仅计数但不会触发报警装置ꎮ软件控制流程图如图６所示ꎮ图６㊀软件控制流程图Ｆｉｇ.６㊀Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ３.２㊀程序编译网络将计数值转换为时间ꎬＶＤ４为标准时间间隔的０.５倍ꎮ当实际时间间隔小于ＶＤ４时ꎬＭ０.１接通１０ˑＶＷ２４ｍｓꎬ此时间内如果检测到种子下落ꎬ则相应的计数器加１ꎻ如果时间大于１０ˑＶＷ２４ｍｓꎬ将接通相应的Ｑ寄存器和Ｍ寄存器ꎬＬＥＤ灯发光ꎬ蜂鸣器响应ꎬ相应的计数器加１ꎬ达到数据记录的目的ꎮ漏播梯形图程序如图７所示ꎮ图７㊀漏播梯形图程序Ｆｉｇ.７㊀Ｔｈｅｌａｄｄｅｒｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｕｎｓｅｅｄｅｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅ４㊀播种质量监测系统试验４.１㊀试验材料与设备为验证播种质量监测系统的可靠性与准确性ꎬ试验所用玉米种子为郑单９５８ꎬ千粒质量３０７ｇꎬ平均粒径１０３ｍｍˑ１００ｍｍˑ５０ｍｍꎬ勺轮式播种机采用１８勺播种盘ꎮ在河南科技大学农业装备工程学院实验室ꎬ采用土槽试验台开展相关试验ꎮ土槽试验台基本参数如下:有效土体长㊁宽㊁高为６ｍˑ１.２ｍˑ０.６ｍꎻ台车系统由ＰＡ６００型电动机通过钢丝绳牵引ꎬ可实现水平往复运动ꎻ沙软的土层能起到缓冲作用ꎬ避免种子落下时由于种子弹跳造成的测量误差ꎮ土槽试验如图８所示ꎮ图８㊀土槽试验Ｆｉｇ.８㊀Ｓｏｉｌ ｂｉｎｔｅｓｔ４.２㊀试验方法与结果根据ＧＢ/Ｔ６９７３ ２００５«单粒(精量)播种机试验方法»的相关规定ꎬ试验时采用步进电机模拟地轮通过链传动带动勺轮式播种盘转动ꎮ为保证检测精度ꎬ需精准地控制步进电动机的转速ꎬ通过上位机监控终端人机交互系统设定电机运行参数与农艺参数ꎬ并启动程序ꎻ下位机ＰＬＣ核心控制器控制驱动器驱动步进电动机转动ꎬ带动勺轮式播种盘转动ꎬ步进电动机与台车行进速度相同ꎮ播种机田间作业速度一般在３~７ｋｍ/ｈꎬ试验设定播种机速度为４.５ｋｍ/ｈꎬ播种粒距取２０ｃｍꎬ每次测１００粒种子ꎬ重复试验５次ꎮ将系统检测获得的排种量测量值与人工检测的排种量值进行比较ꎬ测量数据如表２所示ꎮ表２㊀试验对比结果Ｔａｂｌｅ２㊀Ｔｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ项目播种数量系统人工漏播数量系统人工重播数量系统人工１１０７１１２３４５８２１０５１０９２３５４３９８１０１３２５６４１０２１０２１３３３５１０１１０３１１７１０系统精度/％９７.２８５.０８８.１５㊀结论１)基于勺轮式排种器自身结构特征ꎬ以ＰＬＣ为核心控制器ꎬ并结合人机交互㊁光电监测和霍尔效应等原理ꎬ开发设计了一套成本低㊁操作简单㊁便于维护的勺轮式播种质量监测软硬件系统ꎮ２)系统实现了对勺轮式玉米精密排种器播种质量中的重播㊁漏播㊁堵塞状况进行实时监测与反馈ꎮ采用对勺轮式播种盘转速进行检测的方案ꎬ实现了对播种机前进速度的检测ꎮ３)试验结果表明:监测系统播种量监测精度为９７.２％ꎬ漏播精度为８５.０％ꎬ重播精度为８８.１％ꎮ系统对播种量计数具有较高的灵敏度ꎬ可为勺轮式播种机播种质量监测的设计提供参考ꎮ参考文献:[１]㊀苑严伟ꎬ白慧娟ꎬ方宪法ꎬ等.玉米播种与测控技术研究进展[Ｊ].农业机械学报ꎬ２０１８ꎬ４９(９):１－１８.[２]㊀纪超ꎬ陈学庚ꎬ陈金成ꎬ等.玉米免耕精量播种机排种质量监测系统[Ｊ].农业机械学报ꎬ２０１６ꎬ４７(８):１－６.[３]㊀李鑫ꎬ籍俊杰ꎬ曹少波ꎬ等.勺轮式玉米精密排种器设计与参数分析[Ｊ].农机化研究ꎬ２０１８ꎬ４０(３):１３－１６ꎬ２１.[４]㊀袁桂珍ꎬ张涛ꎬ刘月琴.勺轮式排种器设计与大豆种子离散元法排种仿真[Ｊ].农机化研究ꎬ２０１７ꎬ３９(１１):２５－２９.[５]㊀ＳｉｎｇｈＴＰꎬＭａｎｅＤＭ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙｐｅｒｆｏｒｍ￣ａｎｃｅｏｆａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｅｔｅｒｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｏｋｒａｓｅｅｄ[Ｊ].ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎｉｎＡｓｉａＡｆｒｉｃａ＆ＬａｔｉｎＡｍｅｒｉｃａꎬ２０１１ꎬ４２(２):６３－６９.[６]㊀金宏亮ꎬ邱立春ꎬ钱伟.播种机排种监测系统设计与试验研究[Ｊ].沈阳农业大学学报ꎬ２０１０ꎬ４１(６):７４３－７４６. [７]㊀ＴａｇｈｉｎｅｚｈａｄＪꎬＡｌｉｍａｒｄａｎｉＲꎬＪａｆａｒｉＡ.Ｄｅｓｉｇｎａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｆｏｒｒａｐｉｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｓｅｅｄｒａｔｅｏｆｓｕｇａｒｃａｎｅｐｌａｎｔｅｒ[Ｊ].ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ:ＴｈｅＣＩＧＲＪｏｕｒ￣ｎａｌꎬ２０１３ꎬ１５(４):２３－２９.[８]㊀ＮａｖｉｄＨꎬＥｂｒａｈｉｍｉａｎＳꎬＧａｓｓｅｍｚａｄｅｈＨＲꎬｅｔａｌ.Ｌａｂｏｒａｔｏ￣ｒｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｅｅｄｍｅｔｅｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅｕｓｉｎｇｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ[Ｊ].ＡｕｓｔｒａｌｉａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１１ꎬ２(１):１－４.[９]㊀ＬａｎＹꎬＫｏｃｈｅｒＭＦꎬＳｍｉｔｈＪＡ.Ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒｓｙｓ￣ｔｅｍｆｏｒｌａｂｏｒａｔｏｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐｌａｎｔｅｒｓｅｅｄｓｐａｃｉｎｇｗｉｔｈｓｍａｌｌｓｅｅｄｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅ￣ｓｅａｒｃｈꎬ１９９９ꎬ７２(２):１１９－２２７.[１０]㊀刘建英ꎬ刘飞ꎬ张鹏举.气吸式免耕播种机排种器监测系统设计[Ｊ].农机化研究ꎬ２０１５ꎬ３７(９):１４３－１４６.[１１]㊀黄河ꎬ曾欣.基于单片机的玉米智能播种机设计和研究[Ｊ].农机化研究ꎬ２０１８ꎬ４０(５):２０１－２０４.[１２]㊀吴艳艳ꎬ朱瑞祥ꎬ常芳.播种机播种质量检测预警系统[Ｊ].农机化研究ꎬ２０１３ꎬ３５(５):１９６－１９９.[１３]㊀赵斌ꎬ匡丽红ꎬ张伟.气吸式精播机种㊁肥作业智能计量监测系统[Ｊ].农业工程学报ꎬ２０１０ꎬ２６(２):１４７－１５３. [１４]㊀和贤桃ꎬ郝永亮ꎬ赵东岳ꎬ等.玉米精量排种器排种质量自动检测仪设计与试验[Ｊ].农业机械学报ꎬ２０１６ꎬ４７(１０):１９－２７.[１５]㊀王金武ꎬ张曌ꎬ王菲ꎬ等.基于压电冲击法的水稻穴直播监测系统设计与试验[Ｊ].农业机械学报ꎬ２０１９ꎬ５０(６):７４－８４ꎬ９９.[１６]㊀郑雯璐ꎬ衣淑娟ꎬ李抒昊ꎬ等.玉米精量播种机排种性能检测系统研究 基于光电法[Ｊ].农机化研究ꎬ２０１９ꎬ４１(４):２００－２０３ꎬ２０８.[１７]㊀周利明ꎬ张小超ꎬ苑严伟.小麦播种机电容式排种量传感器设计[Ｊ].农业工程学报ꎬ２０１０ꎬ２６(１０):９９－１０３. [１８]㊀车宇ꎬ伟利国ꎬ刘婞韬ꎬ等.免耕播种机播种质量红外监测系统设计与试验[Ｊ].农业工程学报ꎬ２０１７ꎬ３３(Ｓ１):１１－１６.ＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＳｅｅｄｉｎｇＱｕａｌｉｔｙＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＳｐｏｏｎ－ｗｈｅｅｌＳｅｅｄｍｅｔｅｒＺｈａｎｇＦｕａꎬＣｈｅｎＴｉａｎｈｕａａꎬＧｕｏＺｈｉｊｕｎｂꎬＹａｎｇＺｅｎｇｒｏｎｇａꎬＴｅｎｇＳｈｕａｉａ(ａ.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻｂ.ＣｏｌｌｅｇｏｆＶｅｈｉｃｌｅ＆ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＬｕｏｙａｎｇ４７１００３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｅｅｄｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｃｏｏｐｗｈｅｅｌｔｙｐｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｌｏｗｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｓｅｅｄｉｎｇｄｅｔｅｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｃｏｏｐ－ｗｈｅｅｌｓｅｅｄｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＰＬＣａｓｔｈｅｃｏｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｃｏｏｐ－ｗｈｅｅｌｓｅｅｄｍｅｔｅｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅꎬｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎬｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｈａｌｌｅｆｆｅｃｔꎬｅｔｃ.Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｒａｔｅｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｏｖｅｒ９７.２％ꎬｍｉｓｓｓｅｅｄｉｎｇｒａｔｅｉｓｏｖｅｒ８５.０％ꎬｔｈｅｒｅ－ｓｅｅｄｉｎｇｒａｔｅｉｓｏｖｅｒ８８.１％ꎬｗｈｉｃｈｃａｎａｖｏｉｄｒｅｓｅｅｄｉｎｇａｎｄｍｉｓｓｓｅｅｄｉｎｇｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｗｏｒｋｉｎｇｆｉｅｌｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗｒｅｓｅａｒｃｈｉｄｅａｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｓｃｏｏｐｗｈｅｅｌｓｅｅｄｉｎｇｍｅｔｅｒｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｅｅｄｍｅｔｅｒꎻｓｅｅｄｉｎｇｑｕａｌｉｔｙꎻｓｃｏｏｐ－ｗｈｅｅｌꎻｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎻｍｉｓｓｓｅｅｄｉｎｇꎻｒｅ－ｓｅｅｄｉｎｇ２０２１年４月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４期。
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２１ ０ ２月 １年
农 机 化 研 究
吸两 用组 合 ） 种 器 的精 播 、 播 及 条 播 性 能 的 试 验 排 穴 与检 定 。试 验 台 的控 制 系 统 以 Ｐ Ｃ和 变 频 器 为 核 心 ， Ｌ 可简 单快 捷 地无 级 调 控 排 种 器 转轴 的 工 作 速 度 、 床 种
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呼和 浩 特 ００ １ ０１ ８）
摘
要 ：基 于计 算 机 视觉 和 自动控 制技 术 ， 计 了排 种 器 试 验 台检 测 系统 。该 系 统适 用 于 各 种排 种 器 的 精播 、 设 穴
播 及 条播 性 能 的试 验 和 检定 ， 可生 成 丰 富翔 实 的 试验 数 据 报 表 。为 此 ， 述 了检 测 系 统 的 设 计 与 构 成 ， 排 种 并 论 对 图像 采 集 处 理 的总 体 流 程 、 图像 的拼 接 、 阈值 分割 和 种 子边 缘 提 取 等 内容 一 一 做 了 叙 述 ， 讨 论 了数 据 的 综 合处 并 理 、 种 统 计 和评 价 的依 据 等 。 同时 ， 了检 验 该 系统 的可 靠性 和准 确 性 ， Ｊ Ｓ一１ 各 为 在 Ｐ ２排 种 器 试 验 台 上进 行 了 多
种速 度 下 的 玉米 精 播性 能检 测 试验 。
关键 词 ：排种 器 试 验 台 ；计 算 机视 觉 ；图 像 拼接 ；种 子边 缘 检 测 中图分类号 ：Ｓ ２ ． ２３ ２ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ ０ ３—１ ８ ２ １ ） ２— ０ ５— ５ ８ Ｘ（ ０ １ ０ ０ ６ ０
图 １ 检 测 系统 总体 构 成 框 图
Ｆ ｇ １ Ｄｅｅ ｔ ｎ ｓ ｓｅ ｂ ｏ ｋ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｔ ｅ ｏ ｅ ａｌｃ ｍｐ ｓ ｉ ｎ ｉ． ｔ ｃｉ ｙ ｔ ｍ ｌ ｃ ｉｇ ａ ｏ ｈ ｖ ｒ ｌ ｏ ｏ ｉ ｏ ｏ ｔ
满 足 以上 试 验 台操 作 、 行 和 试 验 等 多 方 面要 求 ， 运 设 计 了一 套试 验 台检 测 系统 。
摄像机工作于逐行扫描方式 ， ３ 以 ０帧／ ｓ的 帧 速
・
６ ・ ６
２１ ０ １年 ２月
３ ２ 排种 图像 的阈值 分 割 ．
农 机 化 研 究
第 ２期
心 ， 粒 种子 的粒距 则 等 于形 心 Ｙ值 之差 。 两
Ｋ
种 子 附着 在 油 层 表 面 ， 过 摄 像 装 置 箱 ， 箱 内 经 被 均匀 分布 且无 闪烁 的 直 流灯 组 照射 ， 被 黑 白工 业 摄 并
口
种
图 ２ 图像检测分析处理过程
Ｆ ｇ ２ Ｄｅｅ ｔ ｎ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｐ ｏ ｅ ｓｏ ｍａ ｅ ｉ． ｔｃ ｉ ｎ ｎ ｌ ｓｓ ｒ ｃ ｓ ｆｉ ｇ ｏ
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向
３ １ 排种 图像 的有 效 区 ．
图３ 一帧图像 的检测区分布
Ｆ ｇ ３ Ｔ ｅ ｄ ｔ ｃｉ ｎ ａ ｅ ｉ ｒ ｕ ｉ ｎ ｏ ｎ ａ ｉ ． ｈ ｅ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｓ ｉ ｔ ｆＯ ｅ ｆ ｍｅ ｏ ｔｂ ｏ ｌ
检测要求 ， 将其检测 系统分为 ４个 部分 ： 一是多路数
据 采 集部 分 ， 括 对排 种 器 转 速 、 床 带 速 度 、 泵 开 包 种 油
区分 ， 分 为 光 电 式 和 摄 像 式 Ｊ 可 。无 论 形 式 如 何 ， 试 验 台操 作 运行 的 自动化 程 度 、 试 测 量 手 段 的 技 术 水 测
须 大 于 ｈ值加 上拼 接偏 差 校正 长 度 ｅ 。在 实 际 工 作条
ＭＣ， ＭＤ和 ＭＧ指 令 。该 组 指 令 通 过 先 期 注册 待 监 视 的接 触器 区和数 据 区 ， 行 时使 用 ＭＧ指令 快 速 应 答 运 来 提 高通信 效率 。 通 过 串 口与 安 装 在 排 种 器 架 上 的 角 度 传 感 器 通 信 ， 时 获 取排 种 架 前 后俯 仰 和 左 右倾 斜 角 度 ， 据 实 根 国家 标准 的试验 要求 ， 角度 调整 范 围为 ０～１。 ５。
接口或千兆网络接 口传至计算机 ， 由图像分析处 理软
件 进 行种子 检测 ， 出种 子 粒 距 。图 像 检 ｛ 分 析处 理 得 贝 ０
过 程 如 图 ２所示 。
为 了实现 偏 差 的 校 正 ， 一 帧 图像 的有 效 区域 分 将 成 前偏差 区 、 检测 区和 后偏 差 区 ３部 分 ， 图 ３所 一般 如
式 中 一 种床 带速 度 ； ￡ 帧间 隔 。 一 以 ｈ为 有 效 区 高 度 进 行 序 列 图 像 的 拼 接 。 当 最 大 等 于 １ｋ ｈ， ６ ｍ／ ｈ＝１８ １ ｍ 时 ， ４ ．ｍ 即意 味着 摄 像 机 的最 大 视 野 区 域 在 种 床 带 前 进 方 向上 的长 度 必
示 。排种 图像分 析检测 算 法首 先 检测 一般 检测 区 内的 种 子 ； 次将前 偏 差 区 内的 种子 与前 一 帧 图 像 后偏 差 其 区 内的种 子 进 行 比较 ， 别 算 法 根 据 种 子 的 形 状 特 判
征 ， 匹配 和后偏差 区种 子行进 路线跟 踪等来 决策 ， 以 避免漏检 和重 复 检 测 ； 后 ， 测 后 偏 差 区 内的 种子 ， 最 检 待下一 帧图像检 测 时使 用 。
各种 速度 和 状 态 。视 觉 采 集 处 理 系 统 可 实 时 检 测 排 种 器所 排 落种 子 的粒 距 和粒 数 ， 而 输 出 试 验 要 求 的 从
、 ｌ 摄
像 机
合格指数 、 播指数和漏播指 数等排种性 能指标 ， 重 以
及 平均 值 、 准差 和 变 异 系 数 等 播 种 精 度 指 标 。为 了 标
业 摄像 机对 落种 区域 （ 以种 子 为 中 心左 右各 ８ ｍｍ宽 ０
考 表 １数据 ， 取 ｅ ４ｍ 选 ＝ ｍ。
表 １ 各试验速度下 的偏差
Ｔ ｂ １ Ｄｅ ｉｔｏ ｆｅ ｃ ｅ ｔ ｓ ｅ ｄ ａ ． ｖ ａｉ ｎ ｏ ａ ｈ ｔ ｓ ｐ ｅ
度 范 围 ） 一定 的 帧 速 率 摄 像 。 图像 数 据 经 由 １９ 以 ３４
第 ２期
寄存 器则 保 存 着 试 验 台当 前 的 运 行 状 态 数 据 。 由 于 选用 的是松 下 Ｐ Ｃ， 算 机 与之 通 信 规 范 采用 松 下 专 Ｌ 计
用 的 ＭＥ Ｏ Ｏ ＷＴ Ｃ Ｌ—Ｃ Ｍ 标 准 协 议 ， 可 为 了扩 展 Ｏ 也
率 对种 床 带表 面连 续 拍 摄 。不 同 的试 验 速度 下 ， 前后 两帧 图像 上会 有 与速 度 成 反 比 的重 叠 ， 种 床 带 在 帧 则
行， 信息帧由 Ａ ＣＩ Ｓ Ｉ字符 串组成 ， 可分为命令帧 、 响应
帧和错 误 帧等 ３种 。考虑 到信 息帧 之 间有延 时 和串行 通 信 速 率 的 限制 ， 大 限 度 地 增 强 系 统 的 响 应 速 度 ， 最
提 高数 据 的 采 样 频 率 ， 本 系 统 中 主 要 执 行 专 有 的 在
收 稿 日期 ：２ １ ０ ２ ００— ４— ６
２ 多路数 据 的采集
以计算 机 为 核心 ， 过 Ｒ ２ ２串 口与 Ｐ Ｃ及 角 度 通 Ｓ３ Ｌ 传 感 器进 行 多路 通 信 。Ｐ Ｃ的高速 脉 冲计 数 器接 口采 Ｌ
基 金 项 目： 国家 科 技 支 撑 计 划 项 目（ ０ ７ Ａ ３ １ ７ ２０ Ｂ Ｄ ５３ ） ０ 作者 简 介 ：吴 泽 全 （ ９ ７ 一）， ， 北 三 河 人 ， 程 师 ， Ｅ —ｍａｌ １７ 男 河 工 （ ｉ）
２１ ０ １年 ２月
农 机 化 研 究
第 ２期
排 种 器 试 验 台 检 测 系 统 的 设 计 与 试 验
吴泽 全 ，徐 冬 ，程 睿 ，蔡 晓华 ，王 振华
（ ． 龙 江 省 农 业 机 械 工 程 科 学 研 究 院 ，哈 尔 滨 １ ０ ８ ；２ 中 国农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 呼 和 浩 特 分 院 １黑 ５０ １ ．
人 界面
Ｕ
数 掘综 合 处理 立 Ｑ
Ｉ 数据 图 集处理 多路 采集 ｌ 像采
１ｒ ＿ Ｕ Ｕ
角 度 传
感 器
ｔ Ｐ Ｌ
Ｃ
带 的运行 速度 、 流压 力 和喷 油 量 等 。数 据 监 控 系 统 气 通过 计算 机 和 Ｐ Ｃ的 串行 通信 ， 时 显示 试 验 台 的 Ｌ 实
件下 ， 在帧 间 隔 内种 床 带 速 度会 有 一 定 范 围 的 动态 波 动（ 如表 １所 示 ） 造 成 的结 果 就 是 图像 拼 接 有 偏 差 。 ，
对 于检 测 粒径 小于 ３ｍ 的小粒 种 子和 ３～ ｉ 的中 ｍ ５１ｍ Ｔ
一一 一一 一一 一一 一
粒 种 子¨ 如 蔬 菜 种 子 、 草 种 子 、 稻 和 小 麦 等 ） ¨（ 牧 水 ， 当遇 拼接 偏差 大于 ３ｍ ｌ时 ， ｉ ｌ 有可 能 发 生检 测 遗漏 ， 导 致 统计 误 差 ， 因此 必 须进 行 图像 拼 接偏 差 的校 正 。参