侯攀登 韩冲冲

摘 要 介绍了一种用于玉米种子精密播种的智能播种装置的设计与研发，该装置的特点是采用电机驱动排种，可以按照农艺要求任意调整株距。电机的转速获取是在测速轮前进的速度基础上实现的，通过测速轮获取的速度信号，传递给单片机进行处理，经过公式分析，最终得到目标电机转速。试验采用的排种器为指夹式排种器，排种效果好，排种均匀，能够为单粒精播提供可靠保障。

关键词 智能；可变量；播种装置

中图分类号：S435.11 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.14.090

1 研制背景及意义

播种是农业生产中的重要环节，提高播种机的工作性能、工作质量和工作效率已成为人们在播种过程中的追求目标。现有播种机排种一般都是采用齿轮、链轮等机械传动，依靠地轮驱动排种器排种，改变播种株距需要通过改变传动比来实现[1]。改变传动比需更换链轮、齿轮，不能在作业中改变株距，而作业过程中拖拉机速度波动和地轮打滑会造成株距变化，从而会影响播种的均匀性。为此，针对目前农村播种出现的问题，研制出可变量智能播种装置。

该可变量智能播种装置以单片机为主控芯片，采用步进电机驱动排种轴转动，实现播种人员快速调整播种株距和播种株距的连续调节[2]。该装置使用步进电机实现种子排种，可以提高播种株距的精确性，减小地轮打滑对株距变动的影响，实现作业过程技术参数的实时显示，系统工作可靠性强。

2 可变量智能播种装置的结构及组成

可变量智能播种装置主要由指夹式排种器步进电机、行走轮（测速轮）、机架几部分组成。步进电机用来为排种器转动提供动力。测速轮用来测速，同时还起到支撑和压实作用[3]。此外，测速轮被安装在播种机单体的后方，其主要起到承重作用，因为地况良好，所以测速轮打滑率较低。

3 可变量智能播种装置的总体设计方案

3.1 控制系统硬件的总体设计方案

控制系统的硬件设计主要进行信息采集部分、排种驱动部分两大模块的设计。硬件部分完成的工作主要是信息收集、信息处理、信息传遞和输出控制等。

3.1.1 信息采集部分

在设计中，测速模块安装在测速轮上面，主要采集排种器的前进速度，将采集的信息发送至单片机主控芯片进行处理[4]。单片机内部主要进行预设株距，构建前进速度、播种株距和排种器转速3者之间的数学模型，通过计算分析出要发给步进电机的脉冲数。

3.1.2 步进电机驱动排种部分

在设计中，对传统排种器驱动方式进行了改进，将地轮驱动方式改变为步进电机驱动方式，该驱动方式有效避免地轮打滑的干扰，提高了排种器的排种效果。传感器将排种器前进的速度信号传输到单片机中。单片机根据排种器的前进速度和预设株距，通过数学模型计算，将信号脉冲发送给步进电机驱动排种器，最终实现精确排种。

3.2 控制系统软件的总体设计方案

软件部分的设计是整个控制系统设计中的核心部分，对于提升系统的准确性、稳定性、抗干扰性具有重要的意义。

本项目以C语言作为编程工具，采用模块化编程方法，将所需功能按照实际需要拆解成若干个小模块，分别对每一个模块进行独立编程，然后分别进行调试，最后在综合在一起成为完整的软件系统，测试最终的控制效果。对应需要完成的工作，软件部分的程序设计包括主程序、信息采集子程序、电机驱动子程序等的设计。

4 硬件的选择与设计

4.1 单片机系统的选取与设计

单片微型计算机简称单片机，是指在一块芯片上继承了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器及串行和并行I/O接口等部件。其确切的称谓是微控制器，单片机只是其习惯称谓，在实际应用中最为广泛。概括来讲，一块芯片就成了一台计算机。

4.2 速度检测模块的选择与设计

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种检测磁场的传感器。用于工业上检测技术和信息处理技术等，在农业上也有广泛应用。霍尔传感器具有精度高、电气隔离性好、宽带宽和测量范围广泛等优点。传感器特设M3固定安装孔，调节方向与固定方便易用，使用宽电压LM393比较器，通过对霍尔元件传过来的值和电位器值进行比较，可以直接输出高低电平，信号干净，波形好，驱动能力强。当电流超过15 mA时，配可调精密电位器调节灵敏度，如果电位器顺时针旋转，灵敏度越高，反之越低。

驱动器采用28 mm二相步进电机，型号为SS1102A10A，采用永磁硅钢片及日本NSK原装轴承制造，电机长度51 mm，静力矩150 mNm，重量0.2 kg，电流1A，定位精度高，输出力矩高，响应频率高，运行噪音低，动态特性好。步进电机：J-5718HB6401-J，机高113 mm，2相4线，3.6 N.m，4.0 A，性能好、温升低、噪音小。配驱动器DM542128细分4.2 A，广泛应用于自动化设备行业。

5 可变量智能播种装置的主程序设计

可变量智能播种装置的主程序设计包括以下几个步骤。1）对AT89C2051单片机以及各控制芯片进行初始化，保证控制系统做好工作准备；2）调用信息采集及数据处理、运算子程序，依据霍尔传感器和激光传感器发送回来的信号，通过分析、计算，判断有无故障发生和得出步进电机转速；3）调用电机驱动子程序，根据前进速度的变化，将单片机计算好的脉冲数实时发送至步进电机驱动器，驱动步进电机转动。

6 结语

本文设计的可变量智能播种装置具有以下优势：1）采用步进电机驱动排种器排种的驱动系统，有效解决了地轮打滑影响播种株距的问题，提高了精密播种机播种株距的准确性；2）通过单片机依据拖拉机前轮速度控制步进电机转动来调节播种株距，实现了播种株距的无级调节，避免了停机手动调节，提高了播种机的工作效率，播种均匀性也明显提高；3）经过对该控制系统的试验测试可以看出，在播种过程中，系统能够依据机组速度调节播种株距，不仅提高了精密播种机的工作质量和劳动生产率，而且还降低了劳动强度。

参考文献：

[1] 黄河，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，2018（5）：201-204.

[2] 孟鹏祥.玉米精密播种机智能监控系统的研究[D].淄博：山东理工大学，2016.

[3] 彭强吉，孙宜田，荐世春，等.智能玉米精密播种施肥机的研制[J].中国农机化学报，2016（3）：15-19.

[4] 蒋春燕.玉米精密播种机智能控制系统的研究[D].淄博：山东理工大学，2015.

（责任编辑：刘昀）