排种器性能试验台测量控制系统的研究1

张磊：排种器性能试验台测量控制系统的研究目 录1引言21.1 论文的目的及意义21.2 国内外技术发展状况21.3 主要研究内容22 排种器性能参数的确定及测试方法33 传感器选型及信号调理电路设计43.1 测量排种量传感器的选型43.1.1光电传感器43.1.2对射性光电传感器的测量及调理电路设计53.2测量排种器转速传感器的选型63.2.1霍尔传感器63.2.2排种器转速的测量及调理电路设计74 试验台参数控制策略94.1 排种器排种量参数控制94.2排种器转速参数的控制124.2.1综合试验124.2.2排种盘转速对排种性能的影响125 排种器性能指标的计算126 主要结论13参考文献14致谢16排种器性能试验台测量控制系统的研究1引言1.1 论文的目的及意义实现对排种器性能的测量控制，对排种器的性能进行了分析，有利于改进排种器，使其更先进，能够更好的调节排种性能，具有一定科研和使用价值。1.2 国内外技术发展状况到目前为止，精密排种器正朝着快速、高效的方向发展，国内外研究人员都非常关注精密排种器的测试手段的研究，已出现了多种检测设备和检验方法。国内采用的方法有：裸眼直接观测、人工黄油粘胶带法、高速摄影法、基于微机的检测法、基于虚拟仪器的检测系统和基于图像处理的检测法等。精密排种器的检测手段从人工检测到计算机视觉系统和图像处理技术的应用，检测性能有了很大的提高，为了能更精确、高效地检测敬慕排种器的性能，达到能检测精密排种器的各项指标，还得进一步地研究种子从排种口排出到落地的一系列的动态随机因素。现在我国有几所大学和研究所正在进行此项技术研究，已取得成效。今后，播种机应向着发展适应性、多功能、高效率的高速精密播种器方向发展，高速精密播种机的性能检测将依靠更先更可靠的高精度检测设备来完成。1.3 主要研究内容本文主要对排种器性能参数进行测量和分析，目前，覆膜穴播技术已经成功应用与实际作业种，其排种部件窝眼式排种器也得到广泛应用，针对窝眼式排种器进行控制与排种检测，通过步进电机对排种时间、排种速度进行控制，同时利用MSP430单片机作为中央处理器，对步进电机动作进行控制。选用对射式光电传感器和LED显示器对排种量进行检测和显示，可显示每次排种量、排种总量、空穴数量。窝眼式排种器可以对多种作物的种子进行排种检测。2 排种器性能参数的确定及测试方法窝眼式排种器的机械结构如图1所示,步进电机控制排种轴的转动,排种口下方接检测管,传感器布置在检测管上,对排种进行检测.其中窝眼的直径大小由种子的类型决定,以绿豆为例，绿豆的直径大小由种子的类型决定，以绿豆为例，绿豆的直径为46mm，所有窝眼的直径选择6mm，排种轴每隔90度有一窝眼以实现精密排种，对排种器进行多次的排种试验，排种器每次排出一粒或两粒种子。当排种器哦爱出两粒种子时，在通过排种管时由于种子碰撞等方面的原因，出现两粒种子平行下落的概率非常低，所以可以不考虑两粒种子同时通过检测管。图1窝眼式排种器结构图窝眼式排种器的自动控制和排种检测系统共有三部分组成：步进电机控制装置、检测装置、LED显示装置。整个系统由宏晶公司的STC89C52RC单片机控制，负责对控制步进电机动作、信号采集及显示。本系统选择23HS3002型步进电机，采用的步进电机驱动器为：SH 2H057M型驱动器。这样可以精确的控制排种轴转动的角度，而且通过方便的实现排种轴的转动和停止。对步进电机的控制主要是对步进电机的驱动器发送步进脉冲。在对步进电机的步距角进行设定后，每发送一个脉冲信号，步进电机便转动一定的角度。在本试验种，步进电机的细分数设定为5细分，其细分步距角为0.36度，也就是每发送一个脉冲，步进电机转动0.36度。单片机对步进电机的控制为顺序动作的过程。3 传感器选型及信号调理电路设计本文主要对窝眼式排种器的排种量和排种转速进行检测3.1 测量排种量传感器的选型3.1.1光电传感器构成光电传感器件常用红外或可见光发光二极管，受光器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等但是，多数的研究都停留在有盲区的光电法检测如用1对光电器件或2对光电器件十字交叉等构成的传感器很可能会出现漏检现象，不能够准确反映排种器性能。为此，寻找一中可靠有效、实用性强、没有盲区的检测排种器性能的方法非常必要。传感器由1个发红外光二极管、一个焦距为5cm凸透镜、16片面积的PD0120A型硅光电池裸片组成。将16片硅光电池贴成的硅光电池组；将发光管作为点光源放在凸透镜焦点上，在透镜的另一面产生平行光束均匀地照在硅光电池上，当有种子下落时就会由硅光电池产生相应的脉冲经电路放大整形后送入单片机系统，单片机系统经过计算模块计算后输出所需要的信息。窝眼式排种器检测电路的传感器采用对射式光电传感器，采用+5V作为电源电压，使用电流为1020mA，所以与传感器串连的电阻选为，发光和接收部分的截面积为1mm2.它自带发光二极管和接收三极管，灵敏度高、体积小、不受自然光的影响、安装方便。基于以上特点只要解决了传感器的覆盖性就能较好的完成检测任务。考虑种子下落时，传感器都能检测到种子，所以采用两个传感器平行放置的安装方式，如图1所示，检测截面直径为6mm，无论种子从哪个方位落下，都会经过传感器，引起传感器信号的变化，这样较好的解决了传感器的覆盖性问题。 12图1 检测电路1 传感器 2 检测截面3.1.2对射性光电传感器的测量及调理电路设计如图2所示，系统正常工作时，单片机首先驱动步进电机的动作，进行排种，排种轴每转动就排种一次，当种子经过检测管口时，传感器检测到信号，转换到电路中为传感器电信号输出的变化。通过放大整形电路，将传感器的脉冲信号整理为TTL电平信号，输入单片机。单片机根据脉冲的数量来显示排种量。本系统采取实时检测，所以针对本套排种器，用一个LED显示器显示空穴数量。每隔1s排种一次，而单片机对每隔1s对脉冲量进行采集，考虑到系统的连续工作和人的视觉特点，每次的排种量显示在显示器上的时间为0.7s，其后有0.3s的黑屏，从而和下一次的显示相区别。而空穴数和总排种量为累加量，所以每次更新数字就可以。总的显示控制通过单片机、译码器来选择和控制显示器及显示器的值。传感器1传感器2放大整形放大整形或门 P3.6P2.1 89C52 P0步进电机LED显示图2 系统原理图由于传感器检测到的种子下落脉冲信号需要进行放大整形才能变成被单片机接收的TTL脉冲所以检测电路的关键技术是将种子下落的脉冲信号进行处理的放大整形。如图3所示，放大整形电路的原理图，采用LM311比较器，它的特点决定了可以快速的对输入电压和基准电压进行比较，输出TTL电平，比较器发射极接地，并用+5V电压供电，所以输出不用加限幅稳压管，就可与TTL直接相连。在电压比价器的输出端，接有带触发器的反向器，它可以将有种子通过的脉冲反映到单片机中为高电平，而且还具有去除噪声的作用。由于种子在通过检测管时都是单粒通过的，所以为保证种子不漏检，用两套放大整形电路的输出作为或门的输入端。或门输出端直接和单片机的P2.1相连。3.2测量排种器转速传感器的选型3.2.1霍尔传感器霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏传感器，已发展成一个品种多样的磁敏传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即：IBVH其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B种产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系统时，可以表示为 等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。本检测系统采用了霍尔开关集成传感器，这种传感器主要是利用是霍尔效应与信号整形电路集成而成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁有关的物理量，并以开关信号的形式输出。它不仅使用不同磁场的测量，还能控制不同的电路，尤其可作为开关电路来满足自动控制和检测的要求。开关型霍尔元件具有开关型的输出转换特性，即输出电压是随磁通密度突跳性变化。图3是霍尔开关集成传感器工作特性曲线。排种器转速的检测，就是利用霍尔效应的这个原理。B/mT工作点ONOFF3 Uo2+12V 1Uo/V12V图3 霍尔开关集成传感器工作特性曲线3.2.2排种器转速的测量及调理电路设计硬件设计是由霍尔传感器产生的脉冲信号经整形后送给单片机系统，单片机系统经过必要的计算由显示器输出所需要的信息。单片机系统采用宏晶公司的STC89C52RC芯片作为控制芯片。另外，选用MAX7219作为显示器驱动芯片，对Led显示器进行控制及对显示器数据、显示方式进行管理。其中测排种器转速的霍尔集成电路输出接至P1.1口，由传感器将接收的非电物理量转换为电信号，并经放大、整形和电平转换等处理后直接送入单片机系统。本检测系统采用霍尔开关集成传感器配以8mmx4mm的磁钢共同组成检测电路。速度的获得是通过求得距离与时间的商来实现的，所以在一定距离的条件下，求得速度的根本问题在于求得时间。本检测系统利用霍尔效应原理，再配以磁钢共同组成一个能实现实时检测的测速系统。在转速测量系统的霍尔开关集成电路中配以8mmx4mm的磁钢，因为磁钢贴在与转轴相连的链轮边缘上，而链轮直径大小，故可以采用测周法来求得时候，并且按圆周平均分配4块磁钢。电压波形信号由霍尔开关集成传感器受磁钢影响来获得，随着排种轴的转动，贴在链轮边缘的磁钢也随之转动，排种器每转动一周，4块磁钢就会与霍尔元件各相遇一次，使霍尔元件输出4次低电平，即产生4次脉冲，记录此脉冲的时间，测出这个周期，便可求得轴的转速。每秒钟转速计算如下：n =60X l000/t(r/s)为了使求得的转速更精确，保留两个小数部分，并且取转速的5次平均值为显示值并保留。每次检测的上升沿记时间初值，本周期的结束时间的种植，时间差即为周期。功能键为测转速时的按键。在主程序运行钟，按键可转入测转速子程序，即可了解当时的转速并进行相应的调节。当检测完毕后，按其它键即可返回到主程序。主程序设计框图如图4所示。初始化读键值有键值输入吗？键值为0？键值为1？键值为2？SLECT=0SLECT=1SLECT=2显示77转速子程序显示有键值移动子程序显示有键值NYNYNNYYYYYNN图4 主程序设计框图4 试验台参数控制策略4.1 排种器排种量参数控制检测系统主要包括：1）系统初始化；2）步进电机驱动；3）排种检测；4）显示输出。 程序的初始化是程序工作的基础，它主要完成外部晶振启动、端口设定、看门狗定时时间设定、设定显示数据存储地址等工作，设定每次排种量、空穴数、总的排种量存储地址分别为0200H、0202H、0204H；步进电机的驱动主要用P3.6对步进电机发送转动信号；排种检测部分则实现对排种量信号用P2.1端口进行采集，利用定时/计数功能进行计数，在看门狗定时器WDT定时时间到时，将脉冲数存储到相应的地址；显示输出主要将脉冲数经过转化后输出，直接输出相应的数字，其程序框图如图5所示。开始启动晶振WDT定时到取中数定时/计数器初始化存储地址内容清零I/O口设定启动定时/计数器开WDT中发送脉冲至步进电机显示0200H内N=0？0202内容+1送N到0200H中断返回WDT中断子程序显示0202H内容0204内容+N显示0204H内容内容清零延时0.7S实施显示器显示黑屏延时0.3S图5 系统工作原理图4.2排种器转速参数的控制4.2.1综合试验整个检测装置被安装在播种机试验台上，检测转速时，磁钢被贴在排种轴的链轮上，在磁钢的上方放有霍尔传感器，随着转轴的旋转，磁钢不断地与霍尔传感器相遇，这样传感器不断地接收脉冲信号并传递给单片机系统，单片机系统经计算输出。由于转轴的转动是不稳定的，所以转速的速度值也在不断的变化，分别对5次不同转速下检测的结果进行分析，其方法仍采用相对数据检测方法。4.2.2排种盘转速对排种性能的影响通过提高排种盘转速来提高排种器排种频率是提高播种机田间作业速度的主要方法,为了考察排种盘转速变化对充种率的影响程度,排种盘转速不同情况下的充种性能,从而反映了不同排种器转速下排种性能的变化情况.4.3 排种均匀性对排种参数的影响精密播种机均匀种子流及均匀株距的形成取决于排种、投种和着地3个主要环节的协调配合。每个环节都对均匀株距的形成有影响，而排种器的排种均匀性则起主导作用。各种排种器的工作原理不同，影响因素各不相同。5 排种器性能指标的计算转速和排种的计算方法：1.运用逐对比较法即分别做各对数据的差 = 一 ，并假设dl，d2，dn来自正态总体N(， )，这里 、均属未知，若两种测试方法的性能一样，则各对数据的差异，属随机误差t而随机误差可以认为服从正态分布，其均值为0，则可进行假设检验。 分别记，的样本均值和方差为d, ，根据单个正态总体均值的检验，可知其拒绝域为：样本标准差式中,di和d分别为该试验中的样本值和样本均值 。根据成对数据检测原理，计算结果如下：假设：，由公式(1)，(2)则其拒绝域为：，其中数据处理：种子株距总数、合格率、重播率、漏播率、标准差、变异系数按单粒(精密)播种机试验方法统计。6 主要结论本论文设计了一种窝眼轮式排种器,介绍了对其播量、均匀性、破碎率和每转排量的试验方法.通过试验得到了油菜排种器转速与播量、均匀性和破碎率之间的关系曲线,分析了转速对播量、均匀性和破碎率的影响,得到了该型排种器各行排量的一致性和总排量的稳定性,探索出了适宜排种器工作的转速范围. 简单介绍了窝眼式排种器性能检测的主要内容，包括性能指标，检测方法；论述了窝眼式排种器性能检测技术的发展高狂，并指出了发展趋势。通过对窝眼式排种器的研究，以便以后能够更好的设计排种器。对我国这样一个农业大国农业占有重要地位，所以农用器材是非常重要的，那么排种器就占有很大的优势和发展空间。研究排种器就变得相当有价值了，本论文就针对这些问题进行的讨论和研究设计。参考文献1刘宏新.侧充重力清种圆盘型孔式精密排种器:中国02283930.5P.2003-10-01.2刘宏新,蒋长春,陈海涛,等.侧充重力清种圆盘型孔式精密排种器J.农机化研究,2000,(1):45-47,57.3刘宏新,王福林.2B-JP-FL01精密排种器的工艺设计J.东北农业大学学报,2007,38(2):36-38.4刘宏新,王福林.排种器试验研究因素选择及分析J.农机化研究,2007,(5):77-79.5GB-6973-1986单粒(精密)播种机试验方法S.北京:中国标准出版社,1986-11-01.6中华人民共和国机械行业标准.JB/T 10293-2001 单粒(精密)播种机技术条件S.北京:中国机械工业联合会,2001-06-22.7张军,丁元法,李英,等.精密排种器性能检测技术的发展与现状J.农机化研究,2002,(3):16-17,32.8孙裕晶,马成林,张勇智.基于均匀设计的精密排种器结构优化方法J.吉林大学学报,2004,34(4):569-572.9崔清亮,秦刚,王明富.几种典型精密排种器的对比分析J.山西农业大学学报,2003,23(1):69-71.10李成华,夏建满,何波.倾斜圆盘勺式精密排种器清种过程分析与试验J.农业机械学报,2004,35(3):68-71.11孙齐磊,张晓辉.排种器的机理及影响因素的研究J.农机化研究,2002,3:40-41.12赵月霞,蹇兴东.机械式精密排种器清种过程分析J.农业机械学报,2006,37(11):193-194.13Singh R C,Singh G,Sarawat D C.Optimisation of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting cotton seedsJ.Biosystems engineering,2005,92(4):429-438.14Jayas D S,Murray C E,Bulley N R.An automated seed presentation device for use in machine vision identification of grainJ.Canadian Agricultural Engineering,1999,41(2):113-118.15Bumakov V.Parameters of the mechanical sowing device.RomanianJ.Scien