程修沛 李洪文 王慶杰 何 進(jìn) 盧彩云 楊 薇

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站， 北京 100083；3.中機(jī)美諾科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

田間育種試驗(yàn)是為培育作物新品種在試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行的小面積試驗(yàn)[1-2]，對(duì)于品種改良、繁殖良種等具有重要的意義。田間育種試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)田間育種試驗(yàn)的機(jī)械化作業(yè)有利于提高育種的工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少成本，保證試驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性[3-4]。

小區(qū)播種機(jī)作為田間育種試驗(yàn)的專用機(jī)械，因試驗(yàn)小區(qū)面積小而數(shù)量多、品種多而播量少的特殊性，需具有定量播種、自動(dòng)清種、間隔播種、連續(xù)播種等要求[5-7]。經(jīng)過(guò)幾十年的研究與推廣，國(guó)外小區(qū)播種機(jī)械商業(yè)化程度高，技術(shù)與裝備逐漸向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，如Wintersteiger公司生產(chǎn)的小區(qū)播種機(jī)配套GPS、播種信息軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)播前規(guī)劃、播中監(jiān)測(cè)以及播后信息處理等功能[7-8]，但其價(jià)格昂貴，不能很好地滿足國(guó)內(nèi)育種機(jī)械需求[9]。

國(guó)內(nèi)小區(qū)播種以人工為主，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)可靠性低、品種多而不能做到同期播種等，制約了育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展[10]，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者從參數(shù)優(yōu)化、關(guān)鍵部件優(yōu)化改進(jìn)等方面進(jìn)行了研究[11-12]。然而，現(xiàn)有的小區(qū)播種機(jī)自動(dòng)化水平低[13]，排種作業(yè)參數(shù)不易設(shè)置和調(diào)節(jié)，小區(qū)播種質(zhì)量差，嚴(yán)重影響小區(qū)育種試驗(yàn)的科學(xué)性。錐體格盤采用地輪或驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，每次需要調(diào)節(jié)機(jī)械傳動(dòng)比，以滿足不同長(zhǎng)度小區(qū)對(duì)錐體格盤轉(zhuǎn)速的要求[14]；分種器多采用固定轉(zhuǎn)速，無(wú)法滿足不同品種、不同長(zhǎng)度小區(qū)播種對(duì)轉(zhuǎn)速的需求，達(dá)不到較優(yōu)的作業(yè)水平，易出現(xiàn)播種均勻性差的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，龔麗農(nóng)等[15]對(duì)小區(qū)播種機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，劉業(yè)宇等[9]研究了里下河小麥小區(qū)播種機(jī)，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。

本文設(shè)計(jì)一種基于STM32的小麥小區(qū)播種機(jī)排種控制系統(tǒng)，以STM32為主控制系統(tǒng)，采用Android終端進(jìn)行人機(jī)交互，由電磁閥控制存種筒提升、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐體格盤、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)分種器，解決排種作業(yè)參數(shù)不易調(diào)節(jié)、排種精度差等問(wèn)題，提高小區(qū)播種機(jī)械的自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

小區(qū)排種控制系統(tǒng)主要由STM32主控制系統(tǒng)、Android終端、存種筒提升控制系統(tǒng)、錐體格盤控制系統(tǒng)和分種器控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，STM32主控制系統(tǒng)由STM32F407單片機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；存種筒提升控制系統(tǒng)由電磁閥、光耦隔離型繼電器和存種筒組成；錐體格盤控制系統(tǒng)由MOS效應(yīng)管、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和錐體格盤裝置組成；分種器控制系統(tǒng)由直流無(wú)刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和分種器等組成。通過(guò)設(shè)計(jì)排種控制系統(tǒng)，能夠采用Android終端對(duì)小區(qū)排種作業(yè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)存種筒提升、錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速的機(jī)電控制，達(dá)到提高小區(qū)播種精度的目的。

圖1 小區(qū)排種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of plot sowing control system1.存種筒 2.電磁閥 3.繼電器 4.STM32F407單片機(jī) 5.Android終端 6.離心分種器 7.直流無(wú)刷電機(jī) 8.直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 9.24 V電源 10.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 11.MOS效應(yīng)管 12.步進(jìn)電機(jī) 13.錐體格盤 14.12 V電源

工作時(shí)，育種人員根據(jù)播前小區(qū)育種規(guī)劃，通過(guò)Android終端進(jìn)行小區(qū)排種作業(yè)參數(shù)設(shè)置；設(shè)置完成后，Android終端通過(guò)藍(lán)牙通訊將參數(shù)傳輸給STM32F407單片機(jī)，STM32對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，改變相應(yīng)PWM控制信號(hào)的占空比或脈沖頻率，從而達(dá)到控制錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速的目的；存種筒提升采用Android終端控制的方式，Android終端控制是通過(guò)控制電磁閥的吸合，進(jìn)而控制存種筒的提升與回位。

當(dāng)改變作業(yè)參數(shù)進(jìn)行匹配時(shí)，通過(guò)Android終端的人機(jī)交互界面即可完成參數(shù)設(shè)置，避免了傳統(tǒng)小區(qū)播種機(jī)械改變作業(yè)參數(shù)需要人工調(diào)節(jié)機(jī)械機(jī)構(gòu)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，滿足了不同種子對(duì)作業(yè)參數(shù)的不同需求，提高了育種試驗(yàn)精度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

小區(qū)排種控制系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F407為主處理核心，以無(wú)線藍(lán)牙通訊為數(shù)據(jù)傳輸方式，以Android平臺(tái)為控制終端，完成對(duì)小區(qū)錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速的設(shè)置和調(diào)節(jié)，以及設(shè)置延時(shí)時(shí)間完成提升筒的提升與回位，并在特殊情況或結(jié)束時(shí)停車，控制系統(tǒng)整體電路如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)整體電路圖Fig.2 Overall circuit diagram of control system

2.2 STM32主控制系統(tǒng)

2.2.1STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)作為小區(qū)排種控制系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)上位機(jī)指令信息的接收與應(yīng)答，對(duì)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)以及電磁閥的控制等功能。采用以STM32F407ZGT6為主芯片的單片機(jī)，Cortex M4為系統(tǒng)內(nèi)核，具有1 MB的Flash存儲(chǔ)器，主頻最高達(dá)168 MHz，共有IO端口112個(gè)，有12個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)32位定時(shí)器[16]，滿足擴(kuò)展控制多個(gè)小區(qū)排種單體的需求。

如圖2所示，PF8為控制錐體格盤轉(zhuǎn)速的PWM 1脈沖發(fā)生端口，通過(guò)改變占空比來(lái)控制直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速；PF9為控制分種器轉(zhuǎn)速的PWM 2脈沖輸出端口，采用脈沖頻率調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；PF10為電磁閥的控制端口，置1或置0完成高低電平的轉(zhuǎn)換進(jìn)行電磁閥吸斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)存種筒提升或回位。

2.2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

Android終端與STM32單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線藍(lán)牙通訊方式，選擇ATK-HC05藍(lán)牙串口模塊，原理如圖2藍(lán)牙通訊電路部分所示，采用透?jìng)鞣绞脚c上位機(jī)進(jìn)行通訊[17]，波特率支持4 800～1 382 400 b/s，兼容不同電壓的單片機(jī)系統(tǒng)，如3.3 V的STM32系列單片機(jī)，與計(jì)算機(jī)、手機(jī)、PDA等智能終端相互連接，使用簡(jiǎn)單，比較穩(wěn)定。

2.3 存種筒提升控制系統(tǒng)

圖3 電磁閥安裝位置Fig.3 Installation position of solenoid valve

小區(qū)排種裝置的存種筒提升是通過(guò)電磁閥的吸合來(lái)完成，安裝如圖3所示。電磁閥沒(méi)有通電吸合時(shí)，存種筒與錐體緊密貼合，處于存種狀態(tài)；當(dāng)電磁閥上電時(shí)，電磁閥內(nèi)部線圈得電產(chǎn)生吸力，將提升杠桿下拉帶動(dòng)存種筒提升進(jìn)行落種；落種過(guò)程延時(shí)斷電，落種完成后，電磁閥斷電，吸力消失，提升杠桿回落，存種筒回位，進(jìn)行下次存種。

系統(tǒng)選用伍德沃德公司的1502-12A2U1B2型電磁閥，額定電壓12 V。STM32單片機(jī)不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，因此單片機(jī)與電磁閥之間搭接光耦隔離型繼電器，用于低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)高壓電磁閥。由控制原理圖2所示，繼電器NO端與STM32的PF10端口相連，高低電平信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離型繼電器，控制12 V電源的通斷，實(shí)現(xiàn)電磁閥吸合和斷開(kāi)。

2.4 錐體格盤控制系統(tǒng)

錐體格盤控制系統(tǒng)硬件主要由錐體格盤裝置、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及放大驅(qū)動(dòng)模塊等組成。選用60EBP143ALC-TF0型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，電源為DC 24～110 V，配帶光電式編碼器，配有ZDM-2HA865型全數(shù)字閉環(huán)伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，提供16擋細(xì)分選擇，最大能夠達(dá)到51 200 p/r，與主控制系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器如圖4所示。放大驅(qū)動(dòng)模塊采用深圳市粵豫電子科技公司生產(chǎn)的YYMOS-1型場(chǎng)效應(yīng)管，輸入輸出電壓3.3～24 V，最大頻率為100 kHz，其功能為完成PWM波形放大。

圖4 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器Fig.4 Stepper motor and driver

60EBP143ALC-TF0型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)由5～24 V驅(qū)動(dòng)，STM32單片機(jī)IO端口電壓多為3.3 V，部分會(huì)兼容5 V，但驅(qū)動(dòng)能力弱，不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間增加放大驅(qū)動(dòng)模塊，提高驅(qū)動(dòng)能力，原理如圖2所示步進(jìn)電路驅(qū)動(dòng)部分，電路實(shí)現(xiàn)了STM32引腳端口PF9發(fā)送3.3 V的PWM 1控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)模塊電壓形成12 V的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制和調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)錐體格盤轉(zhuǎn)速控制。

2.5 分種器控制系統(tǒng)

分種器采用57BLY-1230NBB型直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)，直流電源24 V，額定功率125 W，轉(zhuǎn)速最高3 000 r/min；相匹配的為BLD-300B型驅(qū)動(dòng)器，輸入18～50 V直流電源，即可由電位器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)速，又可應(yīng)用于上位機(jī)的PWM或模擬量信號(hào)控制，直流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器如圖5所示，原理如圖2所示直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路部分。

圖5 直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器Fig.5 Direct current motor and driver

其中，SV端口為控制分種器轉(zhuǎn)速的PWM 2脈沖信號(hào)的輸入端，與主控制器IO口PF8相連接；F/R為正反轉(zhuǎn)控制端，EN為控制信號(hào)使能端，低電平有效運(yùn)行；霍爾傳感器輸入電源為5 V，HU、HV、HW分別與直流無(wú)刷電機(jī)的霍爾傳感器A、B、C相接；驅(qū)動(dòng)器U、V、W接口對(duì)應(yīng)直流無(wú)刷電機(jī)繞組A相、B相和C相。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程

STM32F407接收到Android傳輸?shù)男畔?，?duì)協(xié)議進(jìn)行解析，以獲得不同的控制指令，進(jìn)而完成對(duì)小麥小區(qū)排種裝置的控制，控制系統(tǒng)工作流程如圖6所示。正常作業(yè)情況下，可以對(duì)錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速以及存種筒提升進(jìn)行分別控制，相互之間不受影響；在需要緊急停止的情況下，能夠直接完成3路控制，起到保護(hù)作用。

圖6 控制流程圖Fig.6 Flow chart of controller

3.2 存種筒延遲落下時(shí)間確定

存種筒與錐體緊密貼合形成存種空間，當(dāng)存種筒提升時(shí)，存種筒與錐體有一定的間隙，此時(shí)種子沿間隙均勻滑落，進(jìn)行格盤充種；最后一粒種子完全脫離存種筒與錐體形成的充種區(qū)域后，此時(shí)存種筒可以下落，再次與錐體形成閉合空間，等待下一次倒入種子，為下一小區(qū)播種作業(yè)做準(zhǔn)備。

本文設(shè)計(jì)的存種筒提升由電磁閥控制，小麥顆粒開(kāi)始下落至全部種子離開(kāi)存種空間的時(shí)間段內(nèi)電磁閥應(yīng)處于吸合狀態(tài)。由于種子落下時(shí)間比較短，采用常規(guī)觀察進(jìn)行時(shí)間確定時(shí)會(huì)出現(xiàn)人眼反應(yīng)延遲的問(wèn)題，因此借用EDEM離散元仿真方法確定不同提升高度小麥顆粒的落下時(shí)間。小麥顆粒大小根據(jù)試驗(yàn)用品種進(jìn)行設(shè)定，近似為橢圓體，以長(zhǎng)度6.2 mm、寬度和厚度3.2 mm為顆粒三維尺寸均值進(jìn)行正態(tài)生成，其他參數(shù)由實(shí)測(cè)得到，仿真提升過(guò)程如圖7所示。

圖7 存種筒提升仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of storage cylinder lifting1.外部隔板 2.小麥顆粒 3.存種筒 4.錐體 5.存種空間分界線

如圖7所示，直線為存種筒與錐體組成存種空間的邊界，以存種筒開(kāi)始提升為初始時(shí)間、最后顆粒脫離存種空間為結(jié)束時(shí)間，時(shí)間差即為小麥顆粒落下時(shí)間。

圖8 種子落下時(shí)間與提升高度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve of seed drop time and lifting height

不同提升高度小麥顆粒落下時(shí)間如圖8所示。由圖8可知，隨著存種筒提升高度增大，落種時(shí)間逐漸減小，提升高度大于30 mm，種子落下時(shí)間為0.25 s，提升高度的增加對(duì)于種子落下時(shí)間的改變影響較小，趨于平穩(wěn)。提升高度為15 mm時(shí)，種子落下時(shí)間為0.77 s，分別是提升高度20、25、30 mm時(shí)種子落下時(shí)間的2.08、2.85、3.08倍。

本文選取存種筒提升高度25 mm，則種子落下時(shí)間為0.27 s。綜合考慮仿真誤差與電磁閥頻率，確定存種筒延遲落下時(shí)間t為0.5 s。在本文試驗(yàn)中，存種筒提升符合作業(yè)要求，尚未出現(xiàn)種子沒(méi)有完全脫離存種區(qū)域而存種筒落下的情況，但小區(qū)播量較大時(shí)，存種筒延遲落下時(shí)間應(yīng)相應(yīng)加大。

3.3 錐體格盤轉(zhuǎn)速控制模型

步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)減速后，經(jīng)過(guò)錐齒輪對(duì)換向帶動(dòng)錐體格盤，轉(zhuǎn)速采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法進(jìn)行控制[18]，利用STM32控制器設(shè)置定時(shí)器裝載值以及定時(shí)器捕獲/比較值[19]，從而自動(dòng)產(chǎn)生PWM波，通過(guò)改變脈沖頻率的方式實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，其實(shí)質(zhì)為調(diào)整脈沖周期的時(shí)間，得到每秒不同的脈沖數(shù)，每秒所產(chǎn)生的脈沖數(shù)越大，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，錐體格盤轉(zhuǎn)速則越快。

本文選用60EBP143ALC-TF0型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，則驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部有細(xì)分情況下為細(xì)分值×200 p/r；錐體格盤轉(zhuǎn)速與脈沖頻率之間的關(guān)系式為

(1)

式中n0——錐體格盤轉(zhuǎn)速，r/min

f——PWM脈沖頻率，Hz

N0——驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部細(xì)分值

i——減速機(jī)傳動(dòng)比

STM32定時(shí)器占空比一定的情況下，通過(guò)改變自動(dòng)重裝載寄存器值實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的變化，自動(dòng)重裝載寄存器值與脈沖頻率之間關(guān)系為

(2)

式中NT——定時(shí)器最大頻率，Hz

Npsc——預(yù)分頻系數(shù)，0為不分頻

Narr——自動(dòng)重裝載寄存器值

聯(lián)立式(1)和式(2)，得到錐體格盤轉(zhuǎn)速與自動(dòng)重裝載寄存器值之間的關(guān)系模型為

(3)

3.4 離心分種器轉(zhuǎn)速控制曲線與關(guān)系

直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制方式類似，均采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)調(diào)速，不同點(diǎn)在于通過(guò)改變脈沖占空比的方式進(jìn)行直流無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速[20]。占空比越高，轉(zhuǎn)速越大，反之越小，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但關(guān)系復(fù)雜，多采用實(shí)測(cè)辦法進(jìn)行確定。因此，為了得到直流無(wú)刷電機(jī)與占空比之間的關(guān)系，參考文獻(xiàn)[21]方法與思路，以1 kHz為固定頻率，以占空比0～80%變化范圍，采用轉(zhuǎn)速表進(jìn)行實(shí)際測(cè)速，得到直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比之間的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between DC motor speed and duty cycle

以占空比為自變量x、直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速為因變量y，進(jìn)行曲線擬合得到兩者之間的關(guān)系式為

y=27.087x

(4)

其中，R2=0.997 8，說(shuō)明直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比具有較好的擬合關(guān)系，將式(4)應(yīng)用于直流無(wú)刷電機(jī)控制算法，從而能完成離心分種器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍0～2 167 r/min，滿足了小區(qū)播種機(jī)對(duì)分種器轉(zhuǎn)速的需求。

3.5 Android終端設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面基于Java 語(yǔ)言在 Android Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境下編譯而成[22]，主要包括通訊連接、錐體格盤轉(zhuǎn)速、離心分種器轉(zhuǎn)速的作業(yè)參數(shù)設(shè)置，以及存種筒提升控制、緊急停止等功能，控制界面如圖10所示。育種人員能夠根據(jù)小區(qū)播種長(zhǎng)度、播量與不同品種等信息進(jìn)行作業(yè)參數(shù)匹配設(shè)置，以解決傳統(tǒng)小區(qū)播種機(jī)人工調(diào)節(jié)錐體格盤轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比以及離心分種器轉(zhuǎn)速無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整等問(wèn)題，使小區(qū)排種機(jī)構(gòu)在較優(yōu)的參數(shù)情況下運(yùn)行。

圖10 Andriod終端人機(jī)交互界面Fig.10 Interactive interface of Android mobile phone terminal

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

為了驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，開(kāi)展基于該排種系統(tǒng)的小區(qū)排種試驗(yàn)。以目前國(guó)內(nèi)典型的錐體格盤式排種裝置(中機(jī)美諾科技股份有限公司)為基礎(chǔ)，搭配設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)保護(hù)性耕作實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)臺(tái)，主要包括臺(tái)架、錐體、存種筒、漏斗、提升杠桿、分種機(jī)構(gòu)以及所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，如圖11所示。為了便于試驗(yàn)后種子的收集和數(shù)據(jù)記錄，分種機(jī)構(gòu)下方布置集種袋進(jìn)行種子收集。

采用美國(guó)OHAUS公司的ARA520型電子天平稱量，稱量范圍為0～1 500 g，精度0.01 g。

圖11 小區(qū)排種試驗(yàn)臺(tái)Fig.11 Test bench of plot seeding1.臺(tái)架 2.底板 3.錐體 4.存種筒 5.漏斗 6.提升杠桿 7.電磁閥 8.外部隔板 9.步進(jìn)電機(jī) 10.分種機(jī)構(gòu) 11.直流電機(jī) 12.錐齒輪

4.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用小麥品種為煙農(nóng)19，千粒質(zhì)量40 g左右，隨機(jī)選取50粒小麥顆粒對(duì)其進(jìn)行三維尺寸測(cè)量，其長(zhǎng)度方向范圍為5.35～6.96 mm，均值為6.23 mm，長(zhǎng)度尺寸變異系數(shù)為6.13%，寬度和厚度范圍分別為2.63～3.48 mm和2.28～3.46 mm，均值分別為3.23 mm和3.04 mm，變異系數(shù)為7.76%和10.35%，寬度和厚度基本一致，小麥顆粒可以近似為橢圓體，各尺寸分布基本符合正態(tài)分布。

4.3 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

4.3.1試驗(yàn)因素

根據(jù)小區(qū)排種各因素對(duì)排種效果的影響，本試驗(yàn)主要分析錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速對(duì)排種作業(yè)性能的影響。

錐體格盤轉(zhuǎn)速：小區(qū)育種試驗(yàn)時(shí)，每完成一個(gè)小區(qū)的播種作業(yè)，錐體格盤正好旋轉(zhuǎn)一周，種子無(wú)殘留。播量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越快，每秒落種量則越多，對(duì)于分種器的要求就越高。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，小區(qū)長(zhǎng)度不同，則錐體格盤對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)速，因此本文選取錐體格盤轉(zhuǎn)速分別為4、6、8 r/min進(jìn)行試驗(yàn)。

離心分種器轉(zhuǎn)速：根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]以及預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小麥育種試驗(yàn)分種器轉(zhuǎn)速一般在1 100～1 550 r/min之間能取得較優(yōu)的分配轉(zhuǎn)速，因此本文選取分種器轉(zhuǎn)速為1 100、1 250、1 400、1 550 r/min進(jìn)行試驗(yàn)。

4.3.2試驗(yàn)內(nèi)容與指標(biāo)

選擇行間均勻性變異系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)[16]，分析錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速對(duì)小區(qū)播種性能的影響規(guī)律，進(jìn)行12組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。每次小區(qū)播種試驗(yàn)結(jié)束后，將各行種管所對(duì)應(yīng)的集種袋依次取下，并采用電子天平進(jìn)行稱量，求各行種量均值、標(biāo)準(zhǔn)差，最終計(jì)算出行間均勻性變異系數(shù)。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，參數(shù)設(shè)置方便快捷，實(shí)現(xiàn)了錐體格盤排種裝置的穩(wěn)定控制，未出現(xiàn)系統(tǒng)停頓等現(xiàn)象，滿足小區(qū)排種作業(yè)要求?；谠撓到y(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，雙因素重復(fù)試驗(yàn)方差分析如表2所示，不同分種器轉(zhuǎn)速和錐體格盤轉(zhuǎn)速時(shí)的行間均勻性變異系數(shù)變化曲線如圖12所示。

錐體格盤帶動(dòng)小麥種子依次經(jīng)過(guò)排種口，不同轉(zhuǎn)速會(huì)形成不同的落種量，速度越高，單位時(shí)間落種量則越大，從而對(duì)分種均勻性造成影響。如表1所示，隨著錐體格盤轉(zhuǎn)速的增加，行間均勻性變異系數(shù)呈不斷增加趨勢(shì)，如錐體格盤轉(zhuǎn)速4 r/min時(shí)，經(jīng)過(guò)排種口的平均落種量為5.0 g/s，平均行間均勻性變異性系數(shù)為5.35%，而錐體格盤轉(zhuǎn)速分別為6、8 r/min時(shí)，平均落種量為7.5、10.0 g/s，平均行間均勻性變異系數(shù)為5.62%、6.45%，分別較4 r/min增加約5.05%和20.56%；當(dāng)錐體格盤轉(zhuǎn)速增加，若要獲得較優(yōu)的分種均勻性效果，則分種器轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增加，在錐體格盤轉(zhuǎn)速為4 r/min，較優(yōu)的分種器轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，行間均勻性變異系數(shù)4.53%，而錐體格盤轉(zhuǎn)速達(dá)到6、8 r/min，較優(yōu)的分種器轉(zhuǎn)速均為1 400 r/min，行間均勻性變異系數(shù)分別為4.79%、5.53%。

表1 行間均勻性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of coefficient of variation at different rows

表2 方差分析Tab.2 Analysis of variance

注：** 表示在0.01水平下影響非常顯著。

圖12 不同分種器轉(zhuǎn)速和錐體格盤轉(zhuǎn)速時(shí)的行間均勻性變異系數(shù)變化曲線Fig.12 Variation curves of variation coefficient between rows for different rotation speeds of seed dispenser and cone compartment tray

由圖12分析可知，錐體格盤轉(zhuǎn)速一定的條件下，分種器轉(zhuǎn)速在1 100～1 550 r/min變化，行間均勻性變異系數(shù)均先減小后增大，區(qū)別在位于谷點(diǎn)的轉(zhuǎn)速各不相同，分別為1 250 r/min和1 400 r/min。離心分種器轉(zhuǎn)速較小時(shí)，行間均勻性變異系數(shù)較大，其原因可能是由于轉(zhuǎn)速較小，尚未達(dá)到較優(yōu)的離心分種速度，不能將落下的種子均勻分開(kāi)，同時(shí)后續(xù)落下的種子對(duì)此前落下的種子造成干擾，影響了分配均勻性，如錐體格盤轉(zhuǎn)速8 r/min、分種器1 100 r/min時(shí)，行間均勻性變異系數(shù)為6.90%；分種器轉(zhuǎn)速較高時(shí)，落下的小麥顆粒由于高轉(zhuǎn)速可能會(huì)增大種群離心分配的無(wú)序性，且部分顆粒由于回旋或碰撞折回等因素來(lái)不及分離出去，被分種面重新帶入到分種器空間，增加了行間的不均勻性。

通過(guò)方差分析可知，錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速以及錐體格盤轉(zhuǎn)速與分種器轉(zhuǎn)速之間的交互作用對(duì)于行間均勻性變異系數(shù)均有非常顯著影響。綜合考慮，較優(yōu)參數(shù)組合為錐體格盤轉(zhuǎn)速為4 r/min、離心分種器轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，此時(shí)行間均勻性變異系數(shù)均值為4.53%，各行種管內(nèi)種子一致性較好。

為了更好地反映排種性能，同時(shí)對(duì)每次試驗(yàn)后的小麥顆粒進(jìn)行觀察，將破損的種子進(jìn)行收集稱量，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)12組試驗(yàn)均出現(xiàn)了不同程度的籽粒破損，破損率在0.12%～0.25%之間。其中錐體格盤轉(zhuǎn)速4 r/min、分種器轉(zhuǎn)速1 250 r/min時(shí)，平均破損率較低，為0.12%；錐體格盤轉(zhuǎn)速8 r/min、分種器轉(zhuǎn)速1 550 r/min，出現(xiàn)了較高的籽粒破損率，為0.25%。

通過(guò)分析可知小麥籽粒破損的原因?yàn)椋河捎诮Y(jié)構(gòu)和加工精度問(wèn)題，錐體格盤與底板、分種器與分種管外殼之間均存在一定的間隙，作業(yè)過(guò)程中種子進(jìn)入到間隙，對(duì)顆粒造成摩擦損傷、擠壓或剪切破碎；小麥顆粒分種過(guò)程中顆粒與管壁產(chǎn)生多次碰撞，增大籽粒破損的可能性。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了小麥小區(qū)播種機(jī)排種控制系統(tǒng)，以STM32單片機(jī)為控制核心，確定存種筒延遲落下時(shí)間，分別建立錐體格盤轉(zhuǎn)速和分種器轉(zhuǎn)速控制模型，采用Android終端進(jìn)行人機(jī)交互具有良好的操作性，能夠快速完成小區(qū)播種機(jī)排種作業(yè)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)排種裝置的精確控制，提高了小區(qū)播種質(zhì)量。

(2)搭建了室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)，以錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠滿足小區(qū)排種作業(yè)要求。錐體格盤轉(zhuǎn)速、分種器轉(zhuǎn)速和兩者之間交互作用對(duì)行間均勻性均具有非常顯著的影響。

(3)試驗(yàn)分析得出，小區(qū)排種較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)為錐體格盤轉(zhuǎn)速4 r/min、分種器轉(zhuǎn)速1 250 r/min，此時(shí)行間均勻性變異系數(shù)均值為4.53%，各行種管之間的行間一致性較好，籽粒破碎率較低。