(Engineering Training Center, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China)
Abstract: A precision seeder system is developed in order to improve the sowing quality. The system with closed-loop control collects the speed signal of its movement and sowing with sensors, and the Atmega128 microcontroller controls the speed of its sowing in real time. In sowing, the sowing speed can be automatically adjusted to achieve uniform sowing according to the running speed of system and the actual amount of sowing. When the system sows abnormally, it can rotate the eccentric motor installed on the sowing pipe to clear its pipeline, and gives sound and light alarm after an illegal operation. The experimental results show that the single-seed rate is higher than 85%, the hole rate is less than 5%, eligibility rate is greater than 95%. And it is suitable to sow wheat, corn, soybean and so on.
Keywords: precision seeder; sowing speed; Atmega128; real-time monitoring
1 引 言 随着我国农业和农村经济的发展, 农民对农业机械自动化的需求越来越迫切[1-2]均匀精密的播种。由于采用了可更换的排种器拨轮, 增加了系统的对种子大小的适应性。为了验证系统的播种效果, 针对小麦、玉米等农作物进行播种测试。测试时模拟了变速、输种管堵塞等现象, 并与普通播种机进行了对比试验。试验结果证明: 该设计有效的提高了播种单粒率, 降低了多粒和空穴现象的发生, 证明了设计的可行性。 。目前, 我国大量的耕地位于丘陵、山地或蔬菜大棚等狭窄环境下[3-4], 使得大型播种机具在这样的环境下不能工作, 且老式播种机的播种精度低, 种子浪费严重[5-6]。因此, 对小型农机装置的研究具有一定的实用价值。 为了解决播种机存在的上述问题, 设计了一款适用于狭窄耕地上使用的小型精密播种机系统。系统能够根据播种机运动状态调整播种速度, 并结合实际排种量对下种速度进行实时控制, 实现 2 工作原理 系统主要由种箱、排种电机、排种器、排种传感器、偏心电机、加速度计和控制箱组成。播种前, 农机手将种子放置在种箱内, 并通过控制箱上的本文于2011年4月收到。 *基金项目: 国家自然科学基金(编号: 60572036, 50534060)资助项目; 国家“863”计划(编号: 2007AA01Z259)资助项目。 第12期 小型精密播种机系统的设计 · 1087 · 键盘对播种的种间距进行设置; 播种时, 单片机控制播种电机转动以带动排种器拨轮波动种子, 从而使种子由种箱落入排种通道中, 当种子经过排种通道时, 安装在排种通道内的排种传感器检测到种子经过, 向单片机发出排种信号, 单片机通过对排种信号的分析可以获得排种速度; 通过由加速度计提供的加速度信号可得到播种机的运动速度, 根据此运动速度和排种速度得到实际播种间距, 并将实际播种间距与设定的种间距进行对比, 用以调节排种电机的转速, 实现均匀播; 当播种机处于运动状态, 且系统长时间未检测到排种信号时, 单片机先控制偏心电机转动, 用其产生的震动疏通排种通道, 疏通无效时采用声光报警器发出报警。系统结构示意图如图1所示。 种子的输出速度, 使实际排种间距与预设间距相匹配。当发生排种通道堵塞或种子用完的情况时, 排种传感器会长时间检测不到种子的下落信号。此时, 单片机首先控制偏心电机转动, 产生机械震动疏通排种通道, 疏通无效时, 采用声光报警器发出报警。系统所有状态、参数等信息都通过控制箱上的LCD屏对外显示。 图2 系统结构 Fig. 2 Block diagram of system structure 3.1 排种监测 排种监测电路图如图3所示。排种监测电路是由排种传感元件和信号整形电路组成, 其作用是实现对排种速度的监测。传感元件安装在排种通道内, 用于检测有无种子通过检测截面, 它是由抗电磁干扰性能好, 对种子的运动没有任何影响的红外发光二极管和红外光敏二极管组成。当排种通道种子通过时会阻挡住红外发光二极管与红外光敏 图1 系统结构示意 Fig. 1 Schematic diagram of system structure 二极管之间的通道, 从而改变红外光敏二极管DS2的状态。这种状态的改变通过红外光敏二极管变换成电脉冲信号, 该信号经过由LM324组成的放大整形电路后, 输出给Atmega128单片机, 单片 机通过脉冲信号的频率和宽度可计算出排种速度。 3 系统结构设计 系统采用闭环控制, 结构框图如图2所示。系统的工作过程为: 单片机利用加速度传感器采集系统的加速度信号, 积分后计算出播种机的运动速度信号; 同时, 利用安装在排种通道上的光电传感器采集排种量信号, 然后, 单片机通过分析播种机的运动速度和排种速度得到排种间隔, 并将这个间隔量与通过键盘预设的排种间距进行比对, 比对结果作为控制排钟电机转速的依据。改变单片机的PWM 输出可以改变排钟电机转速, 以调整 图3 排种监测电路 Fig. 3 Monitoring circuit for sowing · 1088 · 电子测量与仪器学报 第25卷 3.2 运动状态的采集 种子的落地间距和排种速度与播种机的运动速度有直接关系。为了实现均匀播种, 系统需要对播种机的运动信息进行采集。由于小型播种机的应用场合一般不具备播种机长时间匀速运动的条件, 播种机运动状态的改变对播种质量的影响也比较大, 且传统的播种机构地轮容易打滑和空转[7-8]款传感器。 3.3 信号的抗干扰处理 加速度传感器所采集的信号除了有效的加速度信号外, 还存在来自外部的其他干拢信号[10-11]。如果对传感器的输出不进行任何处理而直接进行分析应用, 得到的播种机运动信息与实际值就会有很大的误差, 所以必须对传感器输出的信号进行相应的降噪处理, 以得到正确的加速度信息。对信号的抗干扰处理好坏会直接影响整个系统运行的精度和稳定性[12-13]。 由于系统运动加速度的频率一般为0~20 Hz, 所以对于高于20 Hz的加速度信号, 可视为干扰, 为了减小干扰信号的影响, 在传感器的输出端设[9], 所以, 系统选用了不依靠机械装置的加速度传感器对播种机的运动信号进行采集。一般农耕时, 播种机运动加速度的频率和幅度都较低, 所以选取加速度传感器的频率范围在0~20Hz, 测量幅度范围为−3g~+3g, 且体积尽可能小、集成度高、成本低。 综合上述因素, 系统选择基于MEMS技术的加速度传感器ADXL330。这是一款小型低功耗三轴加速度传感器, 具有信号调理电压输出, 能测量满刻度±2g的加速度, 能够测量在倾斜应用的静态重力加速度以及运动、振动的动态加速度, 具有3路模拟量输出, 分别表示Z、Y、Z 3个敏感轴的加速度信号。尽管其测量幅度范围较小, 但由于其价格低且基本满足实验研究的要求, 故选择此计一个截止频率为20 Hz的低通滤波器, 以去除高频噪声。 为了减小加速度传感器输出信号在传递过程中的衰减, 利用电压跟随器进行阻抗的匹配, 以提高下一级电路的输入阻抗。同时, 系统采用集成运算放大器NE5532和RC滤波网络组成巴特沃斯二阶有源滤波电路[14-15], 以加快带宽外传输系数的衰减速度, 电路如图4所示。 图4 加速度信号调理电路 Fig. 4 Conditioning circuit for acceleration signal 第12期 小型精密播种机系统的设计 · 1089 · BW=
1由于被测点实际加速度a与Y轴成90°夹角, (1) 2πRFILTC(x,y,z)所以对传感器Y轴的输出不会产生影响, 传感器Y轴的输出依然满足下式: 在RC滤波网络中, 令带宽BW=20 Hz, 电阻RFILT=33 kΩ, 则C=0.24 μF, 在实际电路中, 可选取0.22 μF的电容值。 图4中滤波器的幅频响应表达式为: A(jw)Auf
=
1⎡1−(w/wn)+w/wnQ⎣⎦2⎤222aY=gcosθ⇒θ=arccos
aY
(4) g
瞬时加速度: (2) a=aYcosθ+aZsinθ−g (5) 当式(5)计算结果为正时, 表示加速度方向与Z式中:Auf为通带内的增益, Auf=1+R6/R7, wn为截止角频率, wn=1/RC (R=R1=R2,C=C4= 轴正方向相同, 否则相反。 瞬时速度: t0
C5), Q为等效品质因数, Q=1/(3−Auf)。 此低通滤波器的上限截止频率为: fH=1/(2πRC) v=v0+∫adt (6) 式中: v0表示测量的初始速度。在工程计算中, 一般要将时间微分成若干小的区间, 在每一个小的时间区间认为质点的加速度是不变的, 以方便计算。则上式可简化成: 令fH=20 Hz, 则RC=1/(40π) 取R=33 kΩ, 则C=0.24 μF, 所以电路中R1、R2取值为33 kΩ, C4、C5取值为0.22 μF。 vi=vi−2+ai−1Δt (i≥0) (7) 由于单片机运算能力的限制, 在实际应用中4 播种机速度信号的处理 系统通过加速度传感器ADXL330得到播种机的加速度信号后, 需要建立运动模型以得到播种机的运动速度, 从而实现播种机的匀速运动。运动模型[16]如图5所示。 使用了查表法对加速度信号进行处理, 以得到速度信号。 5 实验研究 为了验证系统的播种效果及可靠性, 分别选取玉米和小麦作为播种对象, 在选定的实验田里进行了播种实验, 并与普通播种机在同一试验田的播种效果进行了对比试验。每次试验重复100次, 随机抽取10次, 统计单粒率、多粒率和空穴率的平均值。 播种机行进速度设定为6 km/s。根据播种对象的不同, 分别设定不同的排种速度和播种间距。播种玉米时排种速度设定为250粒/min, 播种间距设定为17 cm; 播种小麦时排种速度设定为80粒/min, 播种间距为0, 连续播种。测试结果如表1、表2所示。 表1 玉米播种实验对比 Table 1 Experiment comparison of sowing for corn 播种类型普通播种精密播种 单粒率 玉米 多粒率 空穴率 图5 运动模型 Fig. 5 Motion model 假设重力加速度g在Y轴和Z轴上的分量分别为gY和gZ, 测量点的线加速度为a, 传感器Y轴和Z轴输出电压经变换后得到的加速度值分别为aY和aZ, 根据矢量关系, 可得出: GKKKK⎧aY+aZ=gY+gZ+aKGKK
⇒a=aY+aZ−g (3) ⎨KKK
⎩gY+gZ=g
% 76.30 18.82 4.88 87.27 10.85 1.88 · 1090 · 电子测量与仪器学报 第25卷 表2 小麦播种实验对比 Table 2 Experiment comparison of sowing for wheat 播种类型 普通播种 精密播种 单粒率 小麦 多粒率 空穴率 % [4] 72.27 22.02 8.71 85.12 10.52 4.36 实验结果表明: 单粒率在精密播种玉米时最高为87.27%, 对应的普通播种为76.3%; 多粒率在精密播种小麦时最低为10.52%, 对应的普通播种为22.02%; 空穴率在精密播种玉米时最低为1.88%, 对应的普通播种为4.88%。由此可见, 使用精密播种机播种, 单粒率最高, 多粒率和空穴率都比较低, 综合播种效果最好, 而使用普通播种机播种, 单粒 率最低, 多粒率和空穴率最高, 综合播种效果最差。同时, 对排种通道堵塞和种子用尽情况也分别进行了测试。在这两种情况下, 系统均进行了报警提示。 [7] [6] [5] 6 结 论 1) 采用加速度传感器实现播种机运动信息的采集, 避免了传统的播种机容易受地面环境影响的缺点, 提高了播种的精度。 2) 采用了光电排种监测装置对排种信息进行采集和检测。当排种不畅时, 利用偏心电机疏通排种通道, 疏通无效时采用声光报警器发出报警, 避免漏播现象的产生。 3) 试验表明该系统对漏播现象具有较高的检测精度, 提高了播种单粒率, 降低了多粒和空穴现象的发生。 [8] [9] [10] 参考文献: [1] 戴泽文. 农业机械的自动化建设[J]. 湖南农机, 2010, 37(4): 7-8. DAI Z W. Brief discussion of agricultural machinery automation [J]. Hunan Agricultural Machinery, 2010, 37(4): 7-8. [2] 温玲丽. 浅谈推进县域农业机械自动化应用的途径[J]. 科学之友, 2010(11): 33-35. WEN L L. Discussion on the approach to promoting applications of county agricultural machinery Automa-tion [J]. 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His present research interests include communication technology, electrical application instrumentation design and so on. 2011版中国科技期刊引证报告发布 电子测量与仪器学报成绩喜人 2011年12月2日, 中国科学技术信息研究在北京国际会议中心举行发布会, 公布了2010年中国科技论《中国科技核心期刊引证报告(核心版)》, 《电子测量与仪器学报》影响因子1.443, 在文统计结果及2011年版电子、通信与自动控制类期刊中排名第二, 同时被评为“2011年度中国科技精品期刊”。 中国科学技术信息研究所从1987年开始, 每年对中国科技人员在国内外发表论文的数量和被引用情况《2011年版中国科技期刊引证报告》共收进行统计分析, 并利用统计数据建立了中国科技论文与引文数据库。录中国科技论文统计源期刊1998种, 《电子测量与仪器学报》的影响因子及被引频次分别为1.443和963次, 在电子、通信与自动控制类期刊中分别排名第2名和第11名, 较2010年的影响因子(0.466)与被引频次(385次)有了飞跃式的增长。在1998种期刊的综合排名中, 《电子测量与仪器学报》位列176位。在发布会上, 《电子测量与仪器学报》被评为“科技精品期刊”, 并授予证书。 《电子测量与仪器学报》自创刊以来始终把学术质量放在首位, 坚持打造一流学术交流平台, 为读者服务, 为行业发展服务, 为建设创新型国家服务的办刊理念, 紧密联系高校、科研院所、生产企业和用户, 贯彻产、学、研、用相结合的方针, 采用多种途径扩大期刊影响力, 发行渠道已经覆盖全国, 并为5个国家的图书馆收藏。网络发行用户已达30000个。
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