基于单片机的精密排种器性能检测装置的研究

精密播种机的广泛应用已经成为现代播种技术的主要方式，同时也是播种技术发展的主要方向。而精密排种器作为精密播种机的核心部件，其性能的好坏直接影响精密播种机的播种质量。所以，在精密播种机播种的过程中如何高效和准确地检测排种器的性能是提高精密播种机精度的关键［1］。随着智能化技术的不断发展，为了提高检测的精度，许多先进技术应用于精密排种器排种性能的检测中。基于虚拟仪器的检测系统，以软件为核心充分发挥了计算机能进行高速数据采集的长处和强大的数据处理功能［2］;利用高速摄影法检测，以提高排种器性能检测的真实性和种子破碎情况［3］。图像处理技术检测运用计算机图像处理技术，来实现对精密排种器性能快速、准确地检测，通过软件对图像进行采集、传送、处理、分析和显示得到对排种器检测的结果［4］。本文研究的内容是利用光电检测技术［5，6］，对外槽轮式排种器性能进行检测并实现实时的显示。外槽轮排种器是现代应用广泛的一种构造简单、通用性强、性能指标好，对种子损伤小，并具有良好的充种性能的机械式精密排种器。因此，配以精确的排种质量检测及液晶显示系统［7—13］，对提高播种质量的精确性及播种不同作物的适应性具有重要意义。

1 检测装置的工作原理

检测装置的硬件采用的是STC89C51单片机来作为检测系统的中央处理器，并配有数据信号的采集装置、液晶显示装置、报警装置以及键盘等装置(图1)。因为水稻的品种不同水稻播种机在播种时的播量也是各不相同，所以检测装置在工作时，首先解决的就是对检测装置的播种量和播种误差进行设置。然后通过数据信号的采集装置对采集到的各行排种管，种子箱内剩余种子的高度以及播种机的行进距离等脉冲信号进行预处理，再将处理完的信号送入STC89C51的I/O口;单片机循环采集I/O口上各排种管的排种信号、种子箱内剩余种子高度的信号以及播种机行进距离的信号。当排种管发生堵塞或排种器不排种时声光报警装置报警;同时从种子面高度传感器获取的信号经STC89C51单片机处理后得到实际播种量，并与预设的播种量进行比较如果超出预设的允许误差范围，则声光报警装置报警;播种机行进的距离信号经单片机处理后转化直观的数字显示模式，也可通过功能键的转换显示总播量和播种面积。

图1 检测装置工作原理框图

2 数据信号的检测

数据信号的检测由排种管信号检测，播种机行进距离检测和种子面高度信号检测三部分组成。

2.1 排种管信号检测

图2 红外光电传感器电路原理图

排种管信号的检测由红外线光电传感器(图2)，排种器和排种管组成。它对信号的采集主要是通过安装在每行排种管底部的红外线光电传感器来完成的。红外线光电传感器由发光器件和受光器件两部分构成，它通过发光器件(常用红外或可见光发光二极管)发出一束光，经受光器件(光敏电阻、光敏、二极管、光敏三极管、硅光电池等)接受，当有种子下落时，由于种子的遮光，受光器件产生的电流小，故200 K电阻产生的电压降也比较的小，这时A点的电势为高电平，经过两个非门的转化到达三极管Q2的基极时为高电平，从而使三极管导通，加之射极上的大电阻作用，故输出为高电平，没有种子下落是则刚好相反。通过这一过程从而实现了监视整个播种过程是否流畅，达到了检测排种管是否堵塞或漏排的效果。如果排种管堵塞，种子便向上堆积遮住传感器，这时传感器也会向单片机发送高电平信号，且信号一直为高电平。这样单片机就会根据预先的设置进行声光报警，并显示出现故障排种管的具体位置。

图3 测距传感器的安装示意图

2.2 播种机行进距离的检测

对于播种机行进距离的检测，由于传感器需要安装在播种机的地轮上(图3)，所以采用的是转速传感器。因为地轮的轮毂(图4)是采用钢铁材料(或其他导磁材料)做的，在地轮转动时，会产生磁通量的变化，通过故态磁性传感元件获得信号，并将这种信号转化成方波脉冲电信号(图5)。通过记录所产生的方波个数便可以得出地轮的转数。采用这种传感器的特点是分辨率高，频响宽，可靠性高。同时由于内装放大整形电路输出为幅度稳定的方波信号，能实现远距离传输。通过如下公式便可得到播种机的行进距离L:

式中N—直播机地轮的转数;

k—转速传感器所记录的方波的个数;

m—地轮轮毂上圆孔的个数;

d—地轮的直径。

通过已得播种机行进的距离L，加上播种机的已知播幅L1，故播种机的播种面积S为:

2.3 种子面高度信号的检测

播种过程中，由于地轮的连续旋转使得种子箱内的种子面的高度在不断地变化，为了及时准确的检测出种子面的高度变化，我们把激光测距传感器安装在种子箱的顶部。这种传感器是利用激光检测原理，将感受的被测量转换成可输出信号的传感器，工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。所以通过连续的测量就可得到测量前种子的高度H1，和测量后种子面的高度H2，二者之差就得到种子面高度的变化量

由于种子箱的形状是规则的长方体，所以由上式便可得到种子的体积变化量ΔV，加之播种前对种子密度ρ已经测得，通过键盘输入单片机，进而就可以得到种子的播种质量ΔM。

3 键盘与显示系统

检测装置的键盘系统主要是用于工作过程中一些工作指令和工作参数的输入，共设置16个按键，设有启动、暂停、播种误差设置、总播量显示、清零、复位等功能键。由于STC89C51的端口是有限的，所以使用的过程中必须对其进行扩展。本检测装置可通过可编程并行接口8155对其端口进行扩展。

显示系统采用的液晶作为显示器，因为液晶显示器可以提供大量的显示信息，它可以显示文字、字符和图形，显示量大，而且功耗低，当不显示时功耗可降为零。当发生排种管堵塞或排种器漏播时，可以显示设备的具体故障位置。

4 结语

本检测装置工作性能试验将以水稻种子为样本，进行播种试验。试样主要是对播量和非正常播种时的报警试验，试验机是参照GB/T 9487—88《谷物条播机试验方法》［14］做的有8根排种管的水稻直播机，排种器是可调式的外槽轮排种器。试验过程是保证直播机按照正常的作业速度在平整的试验田里，按预先调好的播量进行恒速播种。并希望通过试验检测使各项性能都达到了预期设计的目的。

因此对于当前很多播种机没有播种检测装置，容易出现漏播、堵塞及播种量超标或不足等问题，设计了本检测装置。其特点如下:(1)检测精度高，工作可靠;(2)可同时检测多个信号，易于扩展;(3)结构简单，操作方便，价格低廉;(4)本设计易于改进，并可与不同型号的播种机配套使用，增大了使用的范围。总之，本设计解决了直播机在人工播种时遇到的一些无法解决的问题，不但减轻了播种人员的工作负担，而且也提高了播种机的播种质量，为提高水稻的产量和农民的增收创造良好的条件。