引言
目前，我國使用的精播機一直以機械式和氣力式播種機為主，這是因為在播種作業過程中是全封閉的，人為實現實時視聽來解決現場出現的種箱空或排種管堵塞的情況都是很難的； 而這些問題都會導致種子的漏播，影響產量，給農業生產造成巨大損失。此外，對玉米播種量的精確計算也對后續生產及生產規模的設定起到決定性作用，因此所設計的這套排種監測系統具有很大的實際意義。
隨著農業機械的發展及新檢測技術的引入，玉米播種機已經從純機械式的播種方式向精密播種方式轉變。但是如何能準確地監測出播種機的排種量，并針對玉米播種機播種過程中導種管堵塞及種箱空種等問題進行及時的報警停機，一直以來都受到國內外研究人員的關注。根據以往的資料顯示，利用光電檢測方法進行排種監測的例子不勝枚舉，但都在實際應用中由于灰塵堆積問題而受阻； 利用電容極板檢測的方法受到很多人的推崇，但由于在極板的材料、尺寸、間距等因素選擇上需要大量實驗研究，且實際應用中還受機車震動的影響，故目前國內除了實驗研究外，尚無實際應用的成品出現。因此，本文利用 4 對光電管，間距小于常規玉米種子的規格，并排放置，用以進行空和堵的監測報警； 而玉米播種量則采用 1 個安放在排種盤齒輪軸中心的空心轉速編碼器測量轉速并進行空穴率試驗，從而得出排種量。此試驗研究及設計旨在從另一角度監測排種性能，并與常規方法進行比對，得出結論。
1 硬件設計
1. 1 總體結構及設計方案
由于實際播種機上布線的復雜情況，本方案采用上位機與分機之間無線通信模式，即分機來接收傳感器的信號，將信號匯總再由 485 總線傳到上位機，從而實現信息的處理、存儲及顯示報警等功能。
1. 1. 1 上位機設計方案上位機的作用是與各分機之間采用無線模塊連接，接收各分機上傳的轉速編碼器的脈沖個數和 4 對光電傳感器的脈沖信號，并通過計算得出排種總量進行數據存儲和顯示。當出現空或堵的狀況時，則啟動報警。
1. 1. 2 分機設計方案各分機直接負責接收 4 對光電傳感器及空心轉速編碼器的脈沖信號。其中，4 對光電傳感器覆蓋整個導種管進行空和堵的報警監測； 轉速編碼器則安裝在排種盤鏈軸上測速，結合試驗所得空穴率從而計算出排種量； 最后，再通過 485 總線進行無線通信上傳給上位機。
1. 2 排種過程空和堵的報警
在對空和堵的聲光報警的硬件設計中，分析了激光二極管、紅外發光二極管和高亮度發光二極管各自的優缺點： 激光二極管最優但價格昂貴； 紅外發光二極管和高亮度發光二極管兩者結構原理都相似，但高亮度發光二極管的抗塵能力更強?？紤]到播種機工作現場灰塵較大，故選擇波長為 620 ~ 625nm 的紅色高亮度發光二極管作為發光源。在接收端，考慮到較光敏電阻和光敏二極管而言，光敏三極管具有更高的靈敏度及光電流的放大作用，因此選用光敏三極管，型號為 ST -1KL3A,接收半徑角為 ±5°。本文設計了一個可插入到導種管下端的一個殼體，考慮玉米導種管直徑約為 30mm,所選光電管 5mm,故殼體內壁并排均勻安裝 4 對光電管，如圖 1 所示。這種安裝方式基本覆蓋了落種的整個區域： 當有種子落下時，遮擋光束，產生電脈沖，給單片機一個高電平； 而當導種管內處在種箱空或堵的狀態時，在設定時間內光束始終沒有被遮擋或始終被遮擋，則不會產生電脈沖，單片機保持低電平。顯然，并行連接的 4 對光電傳感器只有在同時接收到光束或都被遮擋時，才能說明無種子播下，種箱空或者種子通道堵塞。本文將 4 對光電傳感器采用“與”電路進行整形，如圖 3 所示。
之所以采用“與”操作，是考慮到當種粒下落經過此處時，一定會遮蓋住這 4 對光電傳感器的任意一對，產生脈沖信號。因此，4 對傳感器的信號端選擇了“與”操作來實現對空或堵的報警。
1. 3 排種量檢測
在轉速傳感器的選擇上，考慮了很多種編碼器和霍爾速度傳感器?；魻杺鞲衅髟诎惭b上很麻煩，需要固定在齒輪軸的側面，且震動影響很大，故選擇編碼器。就播種機工作的實際工況，最常用的玻璃碼盤就不適合，很容易震碎，因此選用了金屬碼盤。最初選用的金屬編碼器是需要軸與彈性聯軸器相連的，伸出很長且不能震動太大。因此，為了讓編碼器和軸同步運轉，且易于安裝，本文最終選擇了 PKT100 型空心轉速編碼器。這款用于排種量檢測的型號為 PKT100 的空心轉速編碼器分辨率為 360P/R.將編碼器安裝在排種盤中心的鏈軸中心軸上，與中心軸同步運轉，繼而測量出排種盤的轉速，由排種盤轉過的角度計算出總的排種量。
當然，在此過程中還要考慮空穴率的問題。為此，將空穴率的試驗研究在一套氣吸式玉米排種高速攝像的試驗臺中來完成。試驗臺裝有排種試驗軟件，在啟動試驗臺后，排種盤旋轉，轉速編碼器同軸轉動，在 8 位數碼管上顯示檢測的排種量。每組試驗結束后，人工查出傳送帶上粘著的種子粒數，反復幾組試驗后，統計出排種過程的空穴率。
試驗所用玉米選用的品種是四單 19,種粒直徑7mm.利用單片機開發板作為試驗基板，將編碼器脈沖信號輸出端（ 白色線） 連接在單片機的定時/計數器T1 口，其余兩條紅色線、黑色線分別接于 + 5V 電源及地線。P0 口以動態顯示方式在連接 8 個 7 段數碼管上進行顯示。經過空穴率試驗研究表明，空穴率約為2. 6% < 3% .
1. 4 聲光報警電路設計
當排種過程中出現空或堵的情況時，播種機需要及時停機處理發生的狀況，否則會造成大面積的漏播。由于現場環境噪聲很大，為了讓駕駛員能夠及時發現問題，設計了聲光報警電路，如圖 4 所示。
2 軟件設計
整個軟件功能包括初始化模塊、定時/計數器的數據統計模塊、空或堵情況調用及聲光報警模塊和顯示模塊幾部分。此外，還應包括各分機與上位機之間的無線通信協議等內容。這里，只給出系統的主程序框圖，如圖 5 所示。
在排種量的計算上，利用編碼器旋轉時的脈沖數除以 360 再乘上排種盤上吸滿種粒的個數，最后考慮空穴率，即可得到最終的排種量結果以進行顯示。
3 試驗結果及分析
試驗選用了黑龍江省農業機械工程科學研究院研制的播種機排種試驗臺進行，將排種盤更換成玉米排種盤，作業速度選定 8 ~ 10km/h,玉米粒品種依然選用四單 19 進行試驗； 將報警監測器安裝在排種盤側面，空心編碼器固定在排種盤中心鏈軸上。
1） 空或堵的報警試驗： 為了模擬現場灰塵很大的實際工況，在光電傳感器上涂抹 2mm 左右厚的濕土，然后啟動排種盤工作； 在經過 10 組測試試驗后，在種箱排空和模擬的堵塞狀態下，報警器均能正常報警。
2） 排種量檢測試驗： 啟動排種盤工作，進行 3 組試驗，經過人工統計傳送帶上種子排種量情況，與數碼管顯示的數量進行比對，得出結論。試驗結果如表1 所示?！?】
可見，對于排種量和空堵的報警監測能夠滿足要求，精度較高。
4 結論
利用光電傳感器和轉速編碼器，開發了一套具有檢測排種量及排種過程空堵情況的報警系統，結構簡單，易于安裝。試驗研究表明： 在模擬實際工況時，系統對導種管空或堵的情況能夠做到 100% 報警，對排種量的檢測精度平均值達到 98. 37% ,完全滿足實際需要。
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