引言
玉米是重要的工業和農業生產原料。國家統計局公布的數據表明，2014 年我國玉米種植面積為37 076. 1khm2,總產量達到 21 567. 3 萬 t,其種植面積和產量均居國內農作物之首。隨著現代科技的發展，玉米種植過程中的種子處理、播種、田間管理及收獲等已經大部分實現了機械化和自動化。隨著農業科技的不斷發展，在提高科技含量、改善生態環境的方針指引下，保護性耕作技術正在不斷地推廣。實踐表明，保護性耕作在蓄水保墑、培肥地力、控制沙塵暴等方面成效顯著[1].保護性耕作中的一個重要環節是在實現盡可能小地對地表破壞的基礎上實現播種，要求播種機要具有良好的剛度、強度和結構； 同時，要充分利用電子技術對以往的機械式播種機進行升級改造，實現播種機工作狀態數據的實時傳輸、顯示和記錄[2].為此，進行了以平行四桿仿形機構為主體構架的玉米播種機械的播深檢測傳感器設計與試驗。該裝置采用了編碼傳感器作為核心元件，不同于以往的電位器式[3]、角度式[4]、電感式[5]等傳感器，具有易于安裝、調試、更換等特點，在實際應用中取得了較好的效果。
1 整體原理
本設計基于黑龍江八一農墾大學工程學院自主研發的播種單體平行四桿仿形機構（ 如圖 1 所示） ,其具體工作原理見參考文獻[2].圖 1 所示中，仿形拖板與播種器單體之間采用軸連接方式，橫軸處帶有復位彈簧，傳感器與連接橫軸同心，復位彈簧分為正、反兩個方向，保證仿形拖板在正向和反向都有力矩促使其復位。播種機工作時，應首先保證仿形拖板下沿與開溝器底部在同一水平面上，當仿形拖板在工作一段時間后發生形變，應予以更換。仿形拖板上端橫軸上縱向安裝編碼傳感器，結構如圖 2 所示。圖2中，仿形拖板橫軸從編碼傳感器中孔穿過并固定，正面 4 個定位螺栓與機架剛性連接。編碼傳感器采用 360 等分的形式，相當于中軸轉動 1 周產生360 個 TTL 脈沖信號，并且自帶數字濾波電路，信號具有較強的抗干擾性。圖 2 所示的傳感器共有 5 條輸出信號線，分別是 1（ +5V 電源） 、2（ 正轉信號） 、3（ 脈沖信號） 、4（ 反轉信號） 、5（ GND） .當播種機單體在工作時，仿形拖板隨地形運動，正、反向都輸出相應數量的脈沖信號。其中，2、4 引腳輸出信號反映了當前播種機開溝器工作效果過深或過淺，開溝過深 2 號引腳輸出高電平，開溝過淺 4 號引腳輸出高電平。
2 硬件設計原理
圖 3 所示為播深檢測電路的原理。其中，主控芯片采集到編碼傳感器送出的信號，判斷當前是正傳或反轉，同時接受編碼信號。編碼盤采用每周 360 個脈沖的形式，當檢測到一個信號代表仿形拖板與地面之間呈 1°夾角的位置關系。所以，在硬件設計上只需檢測編碼信號發生變化的次數，即可得到仿形拖板與地面之間的夾角。2、4 引腳輸出當前編碼傳感器正、反轉信號，設計時考慮到在上、下限臨界點會出現震蕩的情況，故在輸出信號上加入硬件濾波電路； 當正、反轉信號持續輸出 0. 01s 以上的時間后，系統認為該信號有效，進而執行相應的服務程序。報警單元采用聲光報警器，當播種深度不符合要求時，系統發出警報聲和報警燈光； 同時，將信號傳送至上位機，為操作者提供參考信息。顯示模塊在調試系統時使用，由于控制電路部分在使用時一般進行封閉處理，所以在系統上只保留相關的指示燈進行狀態顯示。無線通信模塊具有連接上位機和控制器的功能，上位機給定的耕深處理結果和下位機檢測到的實際耕深都將通過此模塊進行傳送。由圖 1 可知，仿形拖板在工作時隨地面起伏而與垂直方向呈一定的夾角，其工作原理如圖 4 所示。設圖 4 中實線部分是仿形拖板的初始位置，拖板長度為 L,與垂直面呈 α 角度，可以計算出原始地面高度為L0= L·cosα （ 1）由此推斷出： 播深最淺位置 - A 和播深最深位置+ A 分別為+ A = L - L·cosα （ 2）- A = L·cosαmax- Lcos（ αmax+ β） （ 3）其中，L 為仿形拖板長度； α、β 為編碼傳感器輸出的脈沖信號個數，同時是最淺播深角和最深播深角。
在實際應用中，由于玉米播深與當地土壤墑情、積溫、播種時間、土壤溫度及地表等諸多條件相關，根據黑龍江省農作物種植規范，玉米播深一般在 6cm 左右為宜。當土壤含水率較低時，可適當深播； 反之，適當淺播，其播種范圍大致在 4 ~8cm 之間。本設計中，仿形拖板長度 L 取 25cm,可推算出 α、β 角度取 23. 07°和 18. 98°，分別取整數 α = 24°，β = 19°，代表正向最大脈沖為 24 個，反向最大脈沖為 19 個； 當系統檢測數值超過上述數值時，將進行報警處理。由圖 4 可知： 播深檢測角度在 + α ~ - β 變化過程中，+ A ~ - A的變化過程存在一定的非線性，采用相應的余弦函數即可得到相應的線性關系。本設計中，選擇仿形拖板的長度為 25cm,通過公式（ 2） 和公式（ 3） 可得到表 1,即 + α ~ - β 的變化過程中相應檢測深度的變化范圍。由表 1 可知： 系統檢測的最大步長為 0. 17cm,最小步長為 0. 01cm,滿足設計要求。
3 軟件流程
根據設計原理，制定如圖 5 所示的軟件流程圖。
在接受傳感器信號過程中，采用硬件濾波和軟件濾波相結合的方式，能有效減少外部干擾的影響。在開始部分包括初始化程序，重點是檢測編碼盤初始狀態是否在原始位置上。初始位置的狀態信息是正傳、反轉信號都為低電平，使用過程中如發現初始狀態存在正、反信號存在，應調整傳感器靈敏度，保證系統能夠正常運行。
4 對比分析
目前，國內外對耕深檢測方面已經做了很多的研究，主要有機械方式和電子方式： 機械方式由于調整速度慢、誤差較大等因素的影響，目前只在一些低成本、精度要求不高的場合進行應用； 電子方式包括電感式、電容式、電位器式及角度測量儀等方案，部分實現了檢測裝置與控制裝置相結合，取得了一定的生產實際效果。電子方式采用的傳感器多為數字式或模擬式，信號在進行發送前需進行預處理，一般存在檢測速度慢的缺點。本設計有效地減小了系統檢測信號的延時，可實現實時測量播深。
有效檢測種子播深，能較好地控制種子發芽率、出苗率，保證播種深度的一致性，進而提高農產品的產量。設計中采用的編碼傳感器結構簡單、可靠性高，能有效檢測播種機的播深。其最大檢測精度為0. 03cm,通過調整正、反向標志之間的距離，能夠有效地避免系統在臨界點的穩定性。實驗分析表明： 當正、反向之間保持 20 個脈沖的裕量時，其檢測精度在± 0. 75cm 之間，完全滿足實際生產需求。
5 結論
1） 設計的基于編碼器的播深檢測裝置，可實時測量免耕播種機的播種深度，在仿形輪無堵塞、運動良好的情況下，系統運行穩定。
2） 耕深檢測傳感器的檢測范圍為 （ 6 ± 2 ） cm,系統穩定裕量范圍設定在（ 6 ±0. 75） cm.當傳感器檢測到的信號 <4cm 或 >8cm 時，向上位機發出報警信號，同時自身也發出相應的報警信息。
3） 系統檢測精度與編碼器精度有關，如想提升或降低檢測精度，可通過選擇不同脈沖數量的編碼器來進行調整。
4） 系統的檢測精度與仿形托板的長度有關系，如播種機在更換仿形拖板后，要根據實際測量的數值對系統軟件進行校正。
參考文獻：
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