玉米精量播种机排种性能检测系统研究
—基于光电法
郑雯璐ꎬ衣淑娟ꎬ李抒昊ꎬ刘 坤ꎬ戈天剑
(黑龙江八一农垦大学信息技术学院ꎬ黑龙江大庆 163319)
摘 要:为了确保玉米精播机的播种质量ꎬ在结合了过去排种监测方法优缺点的基础上ꎬ设计了一种以3对红外发光二极管和光敏三极管交叉摆放为监测传感器的排种性能监测系统ꎮ该系统能够实现种粒信号拾取、种箱状态监测、漏播和重播警报等功能ꎮ工作时ꎬ光电传感器检测到的光电信号通过调理电路把数据传给单片机ꎬ如果检测到的数据满足种箱排空、种管阻塞或多粒重播ꎬ单片机就会给报警电路传输指令使其发生警报ꎮ试验结果表明:系统性能可靠且监测无盲区ꎬ检测误差率可控制在97.5%以内ꎬ能对玉米精密排种器排种性能进行精确监测ꎬ有助于提升播种机作业性能ꎮ
关键词:玉米精播机ꎻ排种监测系统ꎻ光电传感器ꎻ精确检测中图分类号:S223.2+5 文献标识码:A
文章编号:1003-188X(2019)04-0200-04
0 引言
在农业高度机械化的今天ꎬ精密播种机作为主要的农器具被广泛应用ꎻ但因为其构造的封闭性使得人们无法在机器运行过程中直观并及时监测播种状态ꎬ一旦发生漏播、重播等排种故障将会对作物产量造成极大损失[1]ꎮ因此ꎬ为播种机配备排种质量监测系统已成为精量播种技术研究的重中之重[2]ꎮ
排种器是精密播种机的核心部件ꎬ高精度的播种
内排种监测无盲区ꎬ对重播、漏播和堵塞等排种性能进行监测ꎬ并与常规监测装置进行数据对比ꎬ得出结论ꎮ
1 主要功能及原理
1.1 种子排种量监测
单片机的定时/计数器T0设置为计数器模式ꎬ可实现播种机排种量计数ꎬ定时/计数器T1设置为定时器模式ꎬ用来实现报警定时ꎮ当种子从排种管落下经过种管上安装的光电传感器ꎬ光敏三极管产生高低电平的变化ꎬ接收端每返回一次高电平ꎬ计数器加1ꎬ在显示屏显示排种数量ꎻ利用高低电平持续时间进行逻辑判断来监测播种机是否出现故障ꎮ1.2 漏播和重播警报
排种器正常工作时ꎬ种子从种箱内有序码入种盘后下落至排种管内ꎬ在播种现场由于工况很差ꎬ导致出现重播和漏播现象[4]ꎬ安装在排种管中部的传感器播和重播[5]ꎮ因此ꎬ本文利用蜂鸣器对播种过程中出恶劣的环境中使用ꎬ声光报警电路如图1所示ꎮ1.3 作业工况监测
播种机上安装GPS定位系统ꎬ按照播种机的行进10km/h为播种机的限定速度ꎬ根据GPS发出的指令可测出播种机的作业速度是否超速ꎮ1.4 种箱状态监测装置设计
种箱排空如果不能及时发现ꎬ则会导致种子漏播距离和作业幅宽ꎬ来计算播种机的作业面积ꎮ8~对种子经过时产生的脉冲变化情况判断是否发生漏现的故障进行报警ꎬ其受外界影响因素较小ꎬ可以在
过程是确保玉米高产量的重要保障ꎮ目前ꎬ播种机排种性能检测常用方法有电容信号、压电信号、激光信号及光电信号几大类ꎮ就实际应用来看ꎬ因光电传感器具有成本低、响应速度快等诸多优点ꎬ以往研究人员多利用光电法对排种器排种性能进行检测[3]ꎮ以种粒受管壁的碰撞、摩擦等因素的影响出现漏播或多粒重播ꎬ若传感器只能产生1个脉冲ꎬ检测重播的误差较大ꎮ
因此ꎬ本文设计了一套基于光电法的玉米精量播种机排种性能监测系统ꎬ传感器安放在排种管中部ꎬ将3对射光电传感器交叉摆放在排种管两端ꎬ目的在于提高排种性能检测的稳定性和可靠性ꎬ实现排种管
收稿日期:2017-11-25
基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B04-03)作者简介:郑雯璐(1993-)ꎬ女ꎬ陕西黄陵人ꎬ硕士研究生ꎬ(E-mail)
1750019672qq.comꎮ
通讯作者:衣淑娟(1965-)ꎬ女ꎬ山东栖霞人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ(E-
mail)yishujuan_2005@126.comꎮ
排种过程中下落的种粒为监测对象ꎬ当种子下落时ꎬ
200
2019年4月 农机化研究 第4期的情况发生ꎮ利用压敏电阻监测种箱内种子情况ꎬ安装在种箱内的压敏电阻阻值受其周围种子量影响ꎬ将压敏电阻安放在种箱中下部ꎬ种量充足输出高电平ꎬ种子和压敏电阻的距离大于9mm标准距离时ꎬ则输出低电平ꎬ持续低电平2s以上时ꎬ向上位机发送报警信息ꎬ微处理器通过其电平的变化就可以判断种箱内的状态ꎮ
光强度不够ꎬ激光二极管发光强度大ꎬ但成本高ꎻ加之播种机在田间作业期间ꎬ环境十分恶劣ꎬ尘土会很容易进入到导种管内部ꎬ进而将传感器挡住ꎬ严重影响光信号的传递[7]ꎮ因此ꎬ本系统采用波长940nmꎬ其光线平行性好ꎬ重要的是使用时不需要外加透镜ꎮ同时ꎬ其体积小、稳定性好ꎬ能够满足在户外使用ꎮ接收端选用ST-1KL3A型光敏三极管、EL-1KL5型红外发光二极管作为发光源ꎬ该光源波的有效感光波长范围为400~1050nmꎬ对EL-1KL5所发射光波长度敏感[8-9]ꎮ播种机排种管直径为25~30mmꎬ玉米种子直径一般不超过排种管直径的1/3ꎮ考虑到1对光电传感器的覆盖面积有限ꎬ且种子从排种器出来时具有一定的初速度ꎬ会在导种管内发生弹跳现象并产生检测盲区ꎬ因此设计将3对光电传感器发射端和接收端交叉嵌入在排种管内部ꎮ这种传感器的摆放方式使得排种管内基本无盲区ꎬ如图2所示ꎮ
图1 声光报警电路图
Fig.1 Soundandlightalarmcircuitdiagram
2 硬件设计
信号的采集、整形滤波、传输及显示和报警[6]ꎬ包括光电传感器信号采集处理电路、显示终端硬件设计两大部分ꎬ应采用分模块的方式解决ꎮ光电传感器检测到的光电信号通过接受调理电路把数据上传给单片机ꎬ由单片机通过ZigBee无线模块传送给上位机并进行显示ꎮ2.1 传感器电路设计
光电传感器的选型种类繁多ꎬ普通发光二极管发
图2 传感器检测无盲区示意图Fig.2 Sensordetectionofblindzoneschematic
在排种性能检测系统硬件设计上ꎬ要实现对脉冲
种子通过光电检测区产生高电平信号ꎬ经过调理电路进行整形、滤波、逻辑门后进行显示ꎮ光电传感器连接图如图3所示ꎮ
图3 光电传感器连接图
Fig.3 Photoelectricsensorconnectiondiagram
201
2019年4月 农机化研究 第4期2.2 信号调节电路设计
由于光电传感器输出波形不规整ꎬ会导致单片机对光电信号产生误判ꎬ需对光电传感器输出信号进行整形[10]ꎬ提高传感器采集数据精度ꎬ本文采用了C-D40106B施密特触发器ꎻ由于采用3对光电传感器会输出3组脉冲信号ꎬ施密特触发器在设计中相当于两个电脉冲信号的时差就是种子下落时间差ꎬ当输种管中有种子流动时传感器有脉冲输入到判别电路ꎬ则判别电路输出为“1”态ꎻ当输种管无种子流动时ꎬ传感器无脉冲输出ꎬ则判别电路无脉冲输入ꎬ其输出为“0“态[11]ꎮ
本文将3对光电传感器采用“与”电路和“或”门“非门”ꎬ对下位机采集的脉冲信号进行了整形滤波ꎮ
屏同步显示故障信息ꎬ提醒机手及时对故障做出处理ꎮ
3 软件设计
整个软件程序包括程序初始化、数据采集子程序、无线发射子程序、报警子程序和显示子程序ꎮ对STC12C5A60S2单片机及各控制芯片进行初始化ꎬ保证控制系统做好工作准备ꎻ调用信息采集及数据处理、运算子程序ꎬ调用无线传输子程序ꎬ当有信息需要发送或接收时ꎬ无线模块便会调整工作模式完成数据的无线收发ꎻ调用报警子程序ꎬ在播种机工作过程中ꎬ当发生漏播情况时ꎬ报警系统能够及时报警ꎻ调用显示子程序ꎬ实时对播种参数进行显示ꎬ当发生漏播故障时ꎬ显示屏会自动跳转到故障页面显示相关故障信息ꎮ系统的总程序框图如图5所示ꎮ
电路进行整形ꎬ是考虑到当种粒下落经过此处时一定会遮盖住这3对光电传感器的任意1对ꎬ产生脉冲信号(图4)ꎬ因此3对传感器的信号端选择了与门和或门操作来实现对空、堵及重播的报警ꎮ
图4 整形电路原理图
2.3 无线模块电路
Fig.4 Schematicdiagramofplasticcircuit
本试验采用nRF24L01芯片组成的无线收发模2Mbpsꎬ工作效率快ꎻ抗干扰能力强ꎻ功耗低ꎬ掉电模式下电流仅为1μAꎻ可软件设置地址ꎬ能够直连各种单片机使用ꎬ软件编程非常方便ꎻ由于无线模块的工作电压是1.9~3.6Vꎬ因此可以将无线模块直接连接单片机的电源输出端ꎬ给其提供3.3V电压就可以正常工作ꎮnRF24L01+的模式选择控制引脚CE置为1时ꎬ芯片工作在接收模式ꎻIRQ引脚是中断信号输出端ꎬ当数据发送或接收完毕后ꎬIRQ端口会发出中断信号ꎬ通知单片机及时对寄存器中的数据进行处理ꎮ2.4 报警电路
为了改善播种机播种工况ꎬ提高播种机作业性能ꎬ在作业过程中播种机出现故障时ꎬ要及时进行报本文设计了故障报警电路ꎬ与主单片机的P1.2口连接ꎮ当输出的高低电平发生变化时ꎬ单片机判断故障类型并发送给主机ꎬ进而控制蜂鸣器报警ꎻ同时ꎬ液晶
202
图5 主程序流程图Fig.5 Masterprogramflowdiagram
块ꎬ其优点可总结以下几点:传输速率最高可达
警ꎬ避免大面积缺苗、断垄等情况的发生[12]ꎮ为此ꎬ
4 实验分析与结果分析
4.1 排种量检测试验
试验在黑龙江八一农垦大学播种机进行ꎬ选择整理好的平整地面作为试验地ꎮ玉米种子型号为金山8
2019年4月 农机化研究 第4期号ꎬ种子直径6mmꎮ选择3000粒玉米种子进行排种量检测试验ꎬ将3000粒种子随机分为15组ꎬ依次将各组种子进行试验ꎬ将试验结果进行误差分析ꎮ种子从排种箱匀速下落ꎬ经过安装在排种管内部的光电传感器ꎬ上位机得出种子下落的数目ꎬ将其与实际值进行比较ꎬ如表1所示ꎮ
表1 排种量检测结果
Table1 Theresultsofthedetectionofseedvolume
试验序号
123456789101112131415平均值
实际播种量/粒
199200201195189197201202195189195202201194195197
监测排种量/粒
194196196200195193195197202195198198198199199197
误差率/%2.512.02.492.53.172.032.992.483.593.171.541.991.52.582.052.44
总计32试验序号
显示:在模拟漏播和排种堵塞的情况下ꎬ异常发生到传给上位机报警延时时间为2sꎬ漏播和重播报警监测精度达到要求ꎻ排种器漏播报警可靠率100%ꎬ报警系统可靠率100%ꎮ
表2 监测精度试验Table2 Monitoringaccuracytest项目实际值/粒
1
测量值/粒精度%实际值/粒测量值/粒精度%实际值/粒测量值/粒精度%实际值/粒测量值/粒精度%
漏播量605285.2898494.311210997.326124593.8
重播量726995.8373286.4807796.318917894.2
5 结论
对排种器性能监测系统的综合测试表明:设计的交叉摆放光电传感器能够实现对排种过程的实时监控ꎬ并能对种箱排空和输种管堵塞等异常情况发出实时报警信号ꎮ该排种器监测传感器对排种量检测精度可以达到97.5%ꎬ对漏播量和重播量的监测精度分别为93.8%和94.2%ꎬ满足工况要求ꎮ参考文献:
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试验表明:该排种器监测传感器对排种量检测精度可以达到97.5%ꎬ达到工况要求ꎬ能够准确地检测排种量ꎮ
4.2 漏播和重播异常报警试验
在对漏播量和重播量进行统计时ꎬ取适量金山8号玉米种子随机分为3组ꎬ投入排种管内ꎬ为增加漏播重播种粒样本数量ꎬ在排种器与导种管之间加装了小挡板ꎬ种粒下落时有一部分会撞击挡板ꎬ相邻种粒的下落时间差将会改变ꎬ从而模拟排种异常状况ꎮ试验结果如表2所示ꎮ
在做异常警报试验时ꎬ采取人为制造异常的方法ꎬ来检测报警系统的灵敏度ꎮ报警试验时ꎬ在种子下落过程中将调速器关闭ꎬ人为地使两粒种子下落的时间间隔超过定时器警报时间tꎬ用秒表记录多长时间上位机发出警报、显示屏显示故障信息ꎮ试验结果
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(下转第208页)
203
2019年4月 农机化研究 第4期
DesignofAutonomousPathPlanningforHarvesterBasedon
PCAPatternRecognitionAlgorithm
(HenanPolytechnicInstituteꎬNanyang473000ꎬChina)
XuNaꎬZhouWeiming
Abstract:Inordertoaccuratelytargetrecognitionofhighresolutionvisiblefarmlandlandmarknavigationimagesbasedonprincipalcomponentsanalysis(PCA2principalcomponentanalysis)andthetemplatematchingmethodisintroducedtocombinecontrolsystemꎬenhancethelevelofimagerecognitionandcombineautonomouspathplanningability.Intheandrotatetheimagespindleintohorizontaldirectionandtrainingsamplelibrarytomatch.Finallyꎬweidentifythenaviga ̄tionroadsignandrecognizethenavigationpathsignautomaticallyꎬandthenautomaticallygeneratethepresetpath.Inor ̄thetestisdoneinflatopenfarmlandꎬaccordingtothetestresultꎬusingPCApatternrecognitionalgorithmcansuccess ̄pathplanningꎬwhichhasimportantsignificanceformodernautomationtoenhancethecapacityoftheharvester.Keywords:harvesternavigationꎻpathplanningꎻPCApatternrecognitionꎻtrainingsamples(上接第203页)
processofrecognitionꎬweusePCAalgorithmtoextractfeatureandprincipalcomponentanalysisforsegmentedimageꎬdertoverifythefeasibilityofPCApatternrecognitionalgorithmisembeddedintothecontrolsystemoftheharvesterꎬandfullyidentifythefieldsofnavigationsignsꎬtherecognitionaccuracyandefficiencyarehighꎬandcanautomaticallythe
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AbstractID:1003-188X(2019)04-0200-EA
ResearchontheSowingPerformanceMonitoringSystemfor
PrecisionSeeders
ZhengWenluꎬYiShujuanꎬLiShuhaoꎬLiuKunꎬGeTianjian
—BasedonPhotoelectricSensor
Abstract:InordertoensuretheseedingqualityoftheseederꎬBasingontheadvantagesanddisadvantagesofothermoni ̄toringsystems.ThispaperstudiesakindofplatoonmonitoringsystemꎬThismonitoringsystemconsistsofthreeinfrarede ̄stateoftheseedboxꎬAlarmingtheleakseedsandtherepeatseeds.ThroughshapingcircuitꎬThephotoelectricsensorde ̄Ifthedetecteddatacansatisfyakindofemptyboxꎬpipeblockingormulticast.Thetestresultsshowthatthesystemper ̄seeder.
mittingdiodeandthreelightsensitive.ThesystemcanperformseveralfunctionsꎬCapturingseedsignalꎬMonitoringthetectsthelightsignalandpassesittosingle-chipmicrocomputer.Thesinglechipwillsendanalarmtothealarmcircuitꎬformanceisreliableandtheblindzoneismonitoredꎬandtheerrorratecanbecontrolledwithin97.5%.ItcanbeusedtoaccuratelydetecttheperformanceoftherowofmaizeprecisionplatterꎬwhichcanhelptoimprovetheperformanceoftheKeywords:cornprecisionplanterꎻplanterseedingmonitoringsystemꎻphotoelectricsensorꎻaccuratedetection
(CollegeofInformationandTechnologyꎬHeilongjiangBayiAgriculturalUniversityꎬDaqing163319ꎬChina)
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