胡雪花

（河北工业职业技术大学智能智造系，河北 石家庄 050091）

播种质量的好坏直接影响农作物的后期生长与最终产量，高质量的播种机械是现代化农业生产的必然选择[1-5]。点式播种法常用于铺设好地膜后再打孔种植，地膜可以为种子保温保湿，幼苗长出后又可以直接露出地膜，防止幼苗在地膜下晒枯，且种植时秧苗距离可控，避免秧苗过于稠密不利于生长[6-10]。此外，点式播种法配合浇水工序既可以保证种子发芽所需要的水分，又不用漫灌式浇灌，能极大地节约水资源。然而，目前点式播种法却没有非常合适的自动播种设备，大型的点式播种机价格昂贵且没有浇水工序。部分可以完整实施打坑、浇水、播种、填土4个工序的点式播种机械仍需要人工完成，种植速率低，费时又费力，无法充分发挥点式播种方式的优势。针对目前点式播种机存在的技术问题，笔者设计了一种小型自动打穴点播机，设计了各部分的机械结构和电气控制，并通过仿真验证了电气控制的可行性。仿真结果表明，设计的点式播种机能够一键式完成点式播种的打坑、浇水、播种和填土4个工序，不仅提高了点式播种的效率，而且极大地节省了人力，对新型点式播种机的研发也具有重要的指导意义和参考价值。

1 点式播种机结构设计

笔者设计的点式播种机将打坑、浇水、播种和填土等功能安装于一辆能够自动行驶的小车上，通过控制器协调小车启停、打坑、浇水、播种和填土工序的执行顺序实现自动点式播种，整体设计如图1所示。自动点式播种机整体上是四轮小车，小车上设置扶手支架，用于人工把控小车的行进方向；在扶手上设置系统电源开关，用于控制点式播种机的启动和停止；小车后两轮为万向轮，前两轮为定向轮，且前车轮装有电机；小车上设置了一个车载平台，用于固定和安装各个功能部分。点式播种机播种主体部分的切面结构如图2所示。

图1 整体设计图

图2 播种机播种主体部分切面结构图

1）打坑功能部分由打坑装置、打坑装置驱动电机、旋转圆盘和连杆组成。打坑装置用一个下端坚韧、边缘锋利、形状上宽下窄的金属圆筒来实现，当打坑装置陷入地面时，泥土卡入打坑装置，待抬出地面后，带出卡入其内的泥土，从而打出种植农作物的种坑。为了实现打坑装置的自动电气控制，将打坑装置通过两根连杆固定于旋转圆盘的边缘位置，而旋转圆盘固定在步进电机的旋转轴上，因此驱动步进电机旋转一周即可带动打坑装置上下移动一轮，完成一次打坑操作。

2）浇水功能部分包括储水箱、浇水管道和控制浇水的电磁阀，浇水管道出口连接支撑架上的专设孔，需要浇水时，控制器控制电磁阀打开进行浇水，通过控制电磁阀打开的时间长短来控制浇水量，储水箱端还设置有进水孔和溢水孔。

3）播种功能部分包括储种箱和旋转挡板，储种箱设置为底部稍尖的结构，使种子始终填满在播种孔的位置；旋转挡板设计为十字交叉的扇叶结构，通过控制旋转挡板的转数控制播种量，其安装在储种箱内播种口的位置。将旋转挡板安装在步进电机旋转轴上，通过控制步进电机旋转的角度和转数控制播种量。

4）填土功能部分是一个两段的连杆，安装在打坑功能部分的旋转圆盘上，填土连杆与打坑连杆在旋转圆盘上的安装位置可间隔180°，完成打坑和填土操作过程时，两个连杆相对结构关系如图3所示。图3（a）为初始状态，此时填土连杆的末端在打坑圆筒的上端；当圆盘向右旋转90°至图3（b）所示位置时，打坑连杆处于最底端，此时打坑圆筒深入泥土；当圆盘继续旋转90°到图3（c）所示位置时，打坑圆筒抬起，将泥土卡入筒中，完成在地面打坑的操作；当圆盘旋转至图3（d）所示位置时，填土连杆向下运动，打坑连杆向上运动，填土连杆将打坑圆筒中的泥土推出，使泥土坠入种坑，从而完成填土操作。

图3 填土连杆和打坑连杆安装及结构图

2 点式播种机控制电路设计

笔者设计的点式播种机控制系统包括单片机、小车行进步进电机、打坑和填土控制步进电机、撒种控制步进电机、浇水控制电磁阀等部分。控制核心采用STC15W4K32S4单片机，3个步进电机分别采用一个高耐压、大电流复合晶体管阵列ULN2003芯片和单片机的一组I/O口的低四位引脚进行驱动。其中，小车行进步进电机连接在P7口，打坑和填土控制步进电机连接在P6口，撒种控制步进电机连接在P5口。模拟浇水的电磁阀采用一个NPN型放大电路进行驱动，电磁阀输入端用P4.0引脚进行控制，输出端连接一个发光二极管，当发光二极管点亮时，代表浇水操作，反之表示停止浇水状态。同时，采用LCD1602液晶显示屏显示播种机的工作状态，具体播种机控制电路设计如图4所示。

图4 播种机控制电路设计图

3 系统软件设计

笔者设计的点式播种机采用单片机作为系统控制核心，控制小车依序执行打坑、浇水、播种、填土4个动作，完成高质量的点式播种任务。

第一步：采用步进电机1模拟小车行进，通过控制步进电机的转数设定小车行进距离；当小车行驶到指定位置后，停止行驶。

第二步：采用步进电机2模拟旋转圆盘的转动，当小车停止后，控制步进电机2向右旋转90°，使打坑连杆上连接的打坑圆筒伸入泥土，再次使步进电机2向右旋转90°，使打坑连杆抬起，打坑圆筒中的泥土被带出，停止转动步进电机2。

第三步：P4.0引脚输出高电平，使得继电器吸合，发光二极管点亮，此时相当于执行浇水操作；启动定时器设定特定的时间，时间到了以后，将P4.0引脚置于低电平，停止浇水。

第四步：转动播种控制步进电机3，使得播种箱内的旋转挡板旋转，通过控制步进电机旋转的圈数，设定播种量，然后停止转动步进电机3。

第五步：控制步进电机2继续向右转动180°，完成填土操作并使打坑连杆复位。

具体来说，在控制步进电机转动的程序中，通过定时器控制步进电机的节拍，一方面可以更加准确地控制步进电机的转速；另一方面可以通过启停定时器控制步进电机的启动和停转。

4 结论

农业机械化是“三农”改革的重要内容，在农村经济发展条件越来越好和较为普及的散耕农业模式下，小型农用机械成本低、自动化水平高、使用便利，在农业市场前景广阔，发展空间大。基于此，笔者设计了一种小型自动点式播种机，将打坑、浇水、播种和填土等功能集成于一个电驱行驶的小车上。将各功能部分与小车通过一个控制器进行控制，通过控制小车的启停控制秧苗间距，当小车停止前进时，依次执行打坑、浇水、播种和填土功能，通过控制器协调控制该设备自动完成点式播种的4个工序，能够极大地提高点式播种的效率。为了验证点式播种机自动控制的可行性，笔者以STC15W4K32S4单片机作为控制系统的核心，通过步进电机模拟小车的运动和停止，利用步进电机模拟打坑、播种和填土操作，通过继电器控制点亮LED灯，模拟控制电磁阀执行浇水操作，再利用Proteus和Keil软件对控制系统进行设计与功能仿真。仿真结果表明，笔者设计的自动点式播种机结构简单，成本低廉，有利于产品市场化、普及化，对促进农业现代化具有重要意义。