孫國(guó)峻，張金然，徐勇，余洪峰，何瑞銀*

基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫國(guó)峻1,2，張金然1，徐勇1，余洪峰1，何瑞銀1*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2.添唯檢驗(yàn)檢測(cè)(江蘇)有限公司，江蘇 鹽城 224007)

針對(duì)蘇南地區(qū)油菜播種一體機(jī)作業(yè)過(guò)程中種子監(jiān)測(cè)困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PVDF雙壓電薄膜的油菜單粒精密播種機(jī)播種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)播種機(jī)安裝在測(cè)速輪上的編碼器采集機(jī)具作業(yè)速度，結(jié)合設(shè)定的目標(biāo)播量，得到理論排種間距，采用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜監(jiān)測(cè)裝置，采集油菜種子落粒數(shù)。為了濾除機(jī)器振動(dòng)信號(hào)干擾，設(shè)置參照壓電薄膜，通過(guò)邏輯運(yùn)算模塊降低振動(dòng)干擾，采用施密特電路遲滯原理消除比較器抖動(dòng)干擾。系統(tǒng)采用STM32F103VBT6單片機(jī)作為中央處理器，結(jié)合設(shè)定的理論株距、相鄰脈沖電壓信號(hào)的時(shí)間間隔與播種機(jī)前進(jìn)速度，計(jì)算得出播種量、排種速度、漏播率與重播率等性能指標(biāo)。試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)表明，在26.5～42.2 r/min排種軸轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)對(duì)排種量的檢測(cè)精度不低于96.4%，漏播檢測(cè)精度高于95.8%，重播檢測(cè)精度高于98.4%；振動(dòng)頻率8～16 Hz條件下，系統(tǒng)播量檢測(cè)精度高于95.2%。

油菜播種機(jī)；播種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；漏播率；重播率；PVDF雙壓電薄膜；振動(dòng)信號(hào)消除；比較器抖動(dòng)消除

油菜免耕播種直播機(jī)因作業(yè)速度快、工作效率高被廣泛應(yīng)用[1–2]。但當(dāng)出現(xiàn)缺種、單行或多行排種裝置故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致重播、漏播，降低油菜播種質(zhì)量[3–5]；因此，對(duì)油菜播種機(jī)加裝監(jiān)測(cè)裝置具有現(xiàn)實(shí)意義。

AL–MALLAHI[3]研發(fā)了一種排種流量光纖傳感系統(tǒng)，結(jié)合田間環(huán)境因素對(duì)排種流量擬合模型修正后，估算以團(tuán)塊形式流動(dòng)的谷物種子的質(zhì)量，檢測(cè)準(zhǔn)確率約為95%。HOBERGE等[4]針對(duì)谷物氣送式播種機(jī)，研發(fā)了一種壓電陣列傳感系統(tǒng)，提高了種子流高頻撞擊條件下的檢測(cè)準(zhǔn)確度。美國(guó)Precision Planting公司研制的WaveVision顆粒傳感器，采用微波監(jiān)測(cè)原理，克服了光學(xué)傳感器會(huì)在連續(xù)2?；蚨嗔７N子穿越傳感器時(shí)被誤測(cè)為1粒的問(wèn)題，適用于玉米、大豆等大籽粒種子。陳建國(guó)等[5]針對(duì)小麥種子設(shè)計(jì)了電容式排種流量傳感器，建立落種數(shù)與電容積分值的回歸模型，檢測(cè)精度都高于97%。黃東巖等[6]研發(fā)了聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜傳感器，將種子與薄膜撞擊信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了玉米精播排種檢測(cè)。這些播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多適用于玉米、花生、大豆[7]等較大粒徑種子的監(jiān)測(cè)。油菜種子質(zhì)量輕、播種頻率較高、粒徑較小(平均粒徑1.72～2.21 mm)，對(duì)光電傳感器的精度要求更高，對(duì)田間塵土污染敏感；而電容傳感器易受到田間振動(dòng)、溫度變化、寄生電容等因素影響，還未用于實(shí)際播種作業(yè)。丁幼春等[8]針對(duì)氣力式油菜播種機(jī)設(shè)計(jì)了一款監(jiān)測(cè)裝置，田間檢測(cè)精度高于96%，但氣力式播種機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，易受到環(huán)境干擾，需要較高的成本，現(xiàn)階段還難以推廣。

筆者針對(duì)蘇南地區(qū)油菜播種一體機(jī)工作過(guò)程中振動(dòng)干擾大、小籽粒種子難檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PVDF壓電薄膜的油菜播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)定壓電傳感器1與壓電傳感器2，采集到的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)邏輯運(yùn)算，降低了外部振動(dòng)環(huán)境干擾，提高了監(jiān)測(cè)精度?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1　油菜播種機(jī)一體機(jī)的結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

基于江蘇欣田機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的油菜旋耕滅茬施肥播種開(kāi)溝一體機(jī)，機(jī)具結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)裝置安裝位置如圖1所示。

1　機(jī)架；2　種箱；3　排種電機(jī)；4　播種監(jiān)測(cè)裝置；5　測(cè)速輪；6　編碼器；7　圓盤(pán)開(kāi)溝器；8　鎮(zhèn)壓輪；9　護(hù)溝板；10　開(kāi)溝犁；11　旋耕刀；12　傳動(dòng)箱；13　三點(diǎn)懸掛裝置；14　肥箱。

該油菜播種一體機(jī)可以一次性完成旋耕、滅茬、開(kāi)溝、播種、施肥、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。針對(duì)該機(jī)具工作會(huì)受到較大的振動(dòng)干擾的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種聚偏二氟乙烯(PVDF)雙壓電薄膜監(jiān)測(cè)裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1　入種口；2　導(dǎo)種管；3　矩形孔；4　壓電傳感器1；5　導(dǎo)種槽；6　傾斜基板；7　出種口；8　壓電傳感器2。

播種作業(yè)時(shí)，油菜種子流經(jīng)導(dǎo)種管落至傾斜向下的壓電傳感器1，與其在碰撞腔發(fā)生擦碰后沿導(dǎo)種槽從出種口流出。采用沉槽基板–壓電薄膜結(jié)構(gòu)，在傾斜基板上開(kāi)出矩形孔槽，可降低種子因碰撞薄膜產(chǎn)生的自激振蕩，提高信號(hào)的收斂速度(小于1 ms)，并同一傾斜基板相同結(jié)構(gòu)處設(shè)置壓電傳感器。

2　基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1　結(jié)構(gòu)

油菜播種機(jī)排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由壓電傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理電路、增量式編碼器測(cè)速模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、聲光報(bào)警模塊與中央處理器等構(gòu)成，如圖3所示。油菜直播機(jī)排種作業(yè)時(shí)，使用按鍵模塊設(shè)置相關(guān)播種參數(shù)(理論粒距、測(cè)速輪直徑、滑移率、報(bào)警系數(shù)范圍等)，單片機(jī)通過(guò)傳感器信號(hào)調(diào)理電路獲取種子下落信號(hào)，通過(guò)編碼器測(cè)速模塊獲取機(jī)具前進(jìn)速度，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]計(jì)算得到相關(guān)的油菜播種量信息。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)液晶屏顯示模塊實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前播種狀態(tài)信息，并在出現(xiàn)重播、漏播、報(bào)警系數(shù)不合格等情況下，控制聲光報(bào)警模塊發(fā)出聲光報(bào)警。

圖3　播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2.2　壓電傳感器監(jiān)測(cè)方法

聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜是一種新型的壓電高分子材料，近年來(lái)在醫(yī)療電子、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[10–11]。較傳統(tǒng)的壓電陶瓷，具有壓電系數(shù)高(為壓電陶瓷的10～20倍)、響應(yīng)速度快、頻率范圍寬、柔順性好等優(yōu)點(diǎn)[11–14]。

壓電傳感器會(huì)因油菜種子碰擦到PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生形變，出現(xiàn)極化現(xiàn)象，產(chǎn)生尖脈沖壓電信號(hào)。經(jīng)過(guò)油菜種子碰撞試驗(yàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，選用MEAS公司的LDT0–028K壓電薄膜，其厚度為0.2 mm，最小感應(yīng)應(yīng)力為0.01 N。

基于所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置，油菜種子與壓電薄膜碰撞產(chǎn)生的電壓峰值經(jīng)運(yùn)算放大器放大后約為2 V，信號(hào)衰減時(shí)間低于1 ms；機(jī)具振動(dòng)下壓電薄膜產(chǎn)生的電壓峰值經(jīng)運(yùn)算放大器放大后可達(dá)到2 V以上，產(chǎn)生相似的干擾信號(hào)，造成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤檢測(cè)。用雙通道示波器(LDS21010)觀測(cè)，并將波形用外部U盤(pán)存儲(chǔ)方式保存，當(dāng)油菜種子碰擦壓電薄膜產(chǎn)生的信號(hào)如4–a，振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)如圖4–b。

a　油菜種子下落信號(hào)；b　振動(dòng)干擾信號(hào)。

2.3　播種質(zhì)量的監(jiān)測(cè)

排種作業(yè)時(shí)，通過(guò)按鍵設(shè)定株距，記錄PVDF傳感器輸出信號(hào)的時(shí)間間隔，結(jié)合安裝在測(cè)速輪上的編碼器采集實(shí)時(shí)機(jī)具車(chē)速，根據(jù)GB/T 6973— 2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[9]，可計(jì)算出播種機(jī)的排種速度、播種面積、排種量、重播漏播率等性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油菜精密直播機(jī)播種狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。判斷依據(jù)為式(1)。

式中：Δ為相鄰2粒種子下落時(shí)間間隔：為播種機(jī)行進(jìn)速度；為設(shè)定的油菜種子理論株距，由人機(jī)交互模塊設(shè)定。

在油菜播種機(jī)上外接測(cè)速輪，選用增量式編碼器(型號(hào)E6B2–CWZ6C 400P/R)采集測(cè)速輪旋轉(zhuǎn)信息，通過(guò)編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)獲取機(jī)具前進(jìn)速度()。

式中：為編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)；為機(jī)具速度測(cè)量周期；為外接測(cè)速輪直徑；為測(cè)速輪轉(zhuǎn)動(dòng)滑移率。

定義單位時(shí)間內(nèi)播種機(jī)前進(jìn)距離除以按鍵設(shè)定的理論株距為理論排種量Q，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的油菜粒數(shù)為p，傳感器1檢測(cè)得到的脈沖數(shù)為m(包括油菜種子數(shù)與達(dá)到電壓闕值以上的振動(dòng)次數(shù))、傳感器2檢測(cè)到的達(dá)到電壓闕值以上的振動(dòng)次數(shù)，則

由于油菜種子下落與機(jī)具振動(dòng)均產(chǎn)生1 ms內(nèi)的信號(hào)，且為相互獨(dú)立的事件，則油菜籽下落信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)同時(shí)發(fā)生概率為。

為了提高油菜種子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度，降低振動(dòng)信號(hào)干擾，在單位時(shí)間內(nèi)用傳感器1檢測(cè)到的脈沖數(shù)量m減去傳感器２檢測(cè)到的脈沖數(shù)量并加上，即可得到播量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的油菜粒數(shù)p。

定義報(bào)警系數(shù)為Q與p的比值。

在播種作業(yè)時(shí)，當(dāng)報(bào)警系數(shù)的值不在設(shè)定的范圍時(shí)，判定作業(yè)效果為不合格，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制報(bào)警模塊報(bào)警。

2.4　硬件設(shè)計(jì)

油菜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控電路由傳感器檢測(cè)模塊、地輪測(cè)速模塊、聲光報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊等6個(gè)模塊組成，如圖5所示。采用STM32F103VBT6單片機(jī)作為中央處理器，包括內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，獲取采樣信息，數(shù)據(jù)運(yùn)算以及驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路等，其中電源由12 V蓄電池經(jīng)過(guò)LM2596S降壓芯片DC12V–DC5V降壓后提供。

圖5　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控電路

由于PVDF傳感器受到油菜籽沖擊后產(chǎn)生的電荷較小，必須經(jīng)過(guò)電荷放大裝置來(lái)放大碰撞信號(hào)，再通過(guò)比較器電路轉(zhuǎn)換為可以計(jì)數(shù)的方波。由于輸入比較器的電壓信號(hào)在闕值附近變化會(huì)出現(xiàn)比較器抖動(dòng)現(xiàn)象，因而采用單電源反向施密特電路的遲滯消除比較器抖動(dòng)。選用了LF412CN運(yùn)算放大器，并結(jié)合LM393芯片構(gòu)成了遲滯比較器，輸出單片機(jī)可處理TTL信號(hào)，調(diào)理電路如圖6所示。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻Rt6、Rt7的電阻值大小來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)靈敏度與TTL信號(hào)高電平電壓，最終輸出約1 ms脈寬的方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單粒油菜種子與單個(gè)方波信號(hào)的轉(zhuǎn)換。示波器觀測(cè)結(jié)果如圖7所示，表明該調(diào)理電路可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到油菜種子下落和振動(dòng)信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)的方波。

圖6　信號(hào)調(diào)理電路

a　油菜種子下落信號(hào)與TTL信號(hào)；b　振動(dòng)干擾信號(hào)與TTL信號(hào)。

為了降低振動(dòng)信號(hào)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)精度的干擾，采用雙傳感器采集法，傳感器1檢測(cè)得到的脈沖數(shù)為m(包括種子數(shù)與達(dá)到電壓闕值以上的振動(dòng)次數(shù))、傳感器2檢測(cè)到的達(dá)到電壓闕值以上的振動(dòng)次數(shù)，依據(jù)公式(4)，由單片機(jī)程序計(jì)算出消除振動(dòng)干擾后的種子數(shù)。

2.5　軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖8所示。對(duì)系統(tǒng)的工作模塊、相關(guān)I/O和寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置化后，啟動(dòng)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器，并讀取按鍵模塊輸入信息。

圖8　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程

傳感器1檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，觸發(fā)外部中斷0，關(guān)閉定時(shí)器0，讀取定時(shí)值Δ，計(jì)數(shù)器0加1，之后再開(kāi)啟定時(shí)器0重新計(jì)時(shí)，定時(shí)值Δ為相鄰2粒種子下落時(shí)間間隔。傳感器2檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，觸發(fā)外部中斷1，計(jì)數(shù)器0減1，計(jì)數(shù)器1加1。將2個(gè)傳感器信號(hào)返回STM32F103ZET6單片機(jī)，結(jié)合編碼器所采集前進(jìn)速度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲取播種機(jī)的排種量、排種速度、播種面積、報(bào)警系數(shù)、重播漏播率、粒距合格率等信息，同時(shí)作出相應(yīng)的聲光報(bào)警，并通過(guò)液晶屏顯示有關(guān)性能指標(biāo)及報(bào)警信息。

3　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1　播種質(zhì)量的檢測(cè)

播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)在試驗(yàn)臺(tái)架[15]上進(jìn)行?！须p11號(hào)’油菜種子，含水率為7.65%，平均粒徑為1.72～ 2.21 mm，千粒質(zhì)量為4.68 g，自然休止角為27.2°，純凈度為98.5%。選用窩眼輪式排種器，其窩眼輪直徑為60 mm，厚度為20 mm，窩眼直徑為3.5 mm，圓周上均勻分布12個(gè)窩眼，即排種軸旋轉(zhuǎn)1周排種12粒，充種角度為90°，護(hù)種區(qū)角度為120°。

在試驗(yàn)臺(tái)輸送帶上鋪油，以減小種子彈跳與落點(diǎn)誤差。設(shè)定油菜精量排種系統(tǒng)播種穴距為16 cm，根據(jù)現(xiàn)有的油菜精量直播機(jī)一般工作速度，分別設(shè)置種床輸送帶前進(jìn)速度0.85、1.1、1.35 m/s，根據(jù)理論粒距以及排種器窩眼數(shù)設(shè)定排種軸轉(zhuǎn)速分別為26.5、34.3、42.2 r/min[16]，即實(shí)際每秒落粒數(shù)分別為5.3、6.86、8.44，設(shè)定播種粒數(shù)500粒時(shí)停止播種，在排種試驗(yàn)臺(tái)上采集不同工況下的實(shí)際粒數(shù)與粒距[19]。每種播量與轉(zhuǎn)速條件下重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

壓電薄膜采用沉槽–基板式安裝，在安裝位置與排種管內(nèi)未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。由表1可知，在排種軸轉(zhuǎn)速為26.5～42.2 r/min時(shí)，單粒播種量檢測(cè)精度不低于96.4%。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于漏播檢測(cè)精度高于95.8%，對(duì)于重播檢測(cè)精度高于98.4%。

表1　不同轉(zhuǎn)速下播種質(zhì)量的監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2　振動(dòng)排種性能的檢測(cè)

油菜播種一體機(jī)旋耕轉(zhuǎn)速為270 r/min，同一截面裝刀數(shù)量為3，所以旋耕產(chǎn)生的理論基準(zhǔn)頻率為13.5 Hz[17]。經(jīng)檢測(cè)，機(jī)具正常播種工作時(shí)播種機(jī)的振動(dòng)頻率主要集中在8～16 Hz[18–19]。設(shè)置激振器振動(dòng)頻率為8、12、16 Hz，使用單PVDF壓電薄膜與雙PVDF壓電薄膜進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。鑒于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同播量情況下檢測(cè)精度變化較小，設(shè)定播種數(shù)為500粒時(shí)停止工作。

由表2可知，在振動(dòng)干擾頻率8～16 Hz條件下，隨著振動(dòng)頻率增加，使用雙PVDF壓電薄膜監(jiān)測(cè)精度不低于95.2%，單PVDF壓電薄膜檢測(cè)精度最低為76.2%。表明采用雙傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較好地解決了外部環(huán)境振動(dòng)干擾，能夠有效地監(jiān)測(cè)機(jī)具排種性能。

表2　不同轉(zhuǎn)速和不同振動(dòng)頻率下的播量檢測(cè)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定的偏差，產(chǎn)生的原因：一方面，油菜種子下落時(shí)與導(dǎo)種管碰撞或與壓電薄膜碰撞飛離后與第2粒下落種子發(fā)生碰擦，造成油菜種子動(dòng)量損失較大，甚至未能撞擊壓電薄膜，導(dǎo)致壓電傳感器無(wú)法產(chǎn)生有效信號(hào)；另一方面，油菜種子碰撞信號(hào)衰減時(shí)間為1 ms，多粒種子在1 ms內(nèi)與壓電薄膜發(fā)生碰撞會(huì)導(dǎo)致漏檢測(cè)，但播種機(jī)工作時(shí)落種頻率不超過(guò)10 Hz，經(jīng)計(jì)算這種情況發(fā)生的概率低于0.1%?？稍诤罄m(xù)改進(jìn)試驗(yàn)中增加修正系數(shù)，提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。

4　結(jié)論

針對(duì)小粒徑油菜種子播種監(jiān)測(cè)困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PVDF雙壓電薄膜傳感器的油菜直播機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用遲滯比較器電路消除波形抖動(dòng)，采用雙傳感器檢測(cè)去除機(jī)具振動(dòng)信號(hào)干擾，并對(duì)其檢測(cè)精度與抗振動(dòng)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，在26.5～42.2 r/min排種軸轉(zhuǎn)速條件下，無(wú)振動(dòng)干擾播種作業(yè)時(shí)，該系統(tǒng)播量檢測(cè)精度不低于96.4%，漏播檢測(cè)精度高于95.8%，重播檢測(cè)精度高于98.4%；在8～16 Hz振動(dòng)條件下，系統(tǒng)播量檢測(cè)精度高于95.2%。

[1] 廖慶喜，雷小龍，廖宜濤，等．油菜精量播種技術(shù)研究進(jìn)展[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(9)：1–16．

[2] 周廣生，左青松，廖慶喜，等．我國(guó)油菜機(jī)械化生產(chǎn)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及對(duì)策[J]．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52(9)：2153–2157．

[3] AL-MALLAHI A A，KATAOKA T．Estimation of mass flow of seeds using fibre sensor and multiple linear regression modelling[J]．Computers and Electronics in Agriculture，2013，99：116–122．

[4] HOBERGE S，HILLERINGMANN U，JOCHHEIM C，et al．Piezoelectric sensor array with evaluation electronic for counting grains in seed drills[C]//IEEE．IEEF Africon. Victoria Falls，Zambia：IEEE，2011：1–6．

[5] 陳建國(guó)，李彥明，覃程錦，等．小麥播種量電容法檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(18)：51–58．

[6] 黃東巖，賈洪雷，祁悅，等．基于聚偏二氟乙烯壓電薄膜的播種機(jī)排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(23)：15–22．

[7] 聶秀展，于艷，江景濤，等．花生精量播種漏播檢測(cè)及補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2020，37(2)：140–145．

[8] 丁幼春，楊軍強(qiáng)，朱凱，等．油菜精量排種器種子流傳感裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：29–36．

[9] GB/T 6973—2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[S]．

[10] 張兢．基于PVDF的表面計(jì)測(cè)傳感特性分析與應(yīng)用[J]．壓電與聲光，2008，30(2)：164–166．

[11] 劉昭博，彭光正．基于PVDF壓電薄膜靈巧手觸覺(jué)傳感器的研究[J]．傳感器世界，2007，13(11)：11–14．

[12] 周利明，張小超，劉陽(yáng)春，等．聯(lián)合收獲機(jī)谷物損失測(cè)量PVDF陣列傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(6)：167–171．

[13] 舒方法，姜壽山，張欣，等．PVDF壓電薄膜在足底壓力測(cè)量中的應(yīng)用[J]．壓電與聲光，2008，30(4)：514–516．

[14] 楊清志，孫式運(yùn)．基于壓電薄膜便攜式脈搏儀的設(shè)計(jì)[J]．東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，24(5)：27–31．

[15] 郝向澤，何旭鵬，鄒翌，等．基于光電傳感器的精密播種機(jī)排種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]．華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38(1)：120–124．

[16] 張金然，李存超，李詢，等．基于GIS的油菜播種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2020，32(3)：518–526．

[17] 邱白晶．旋耕機(jī)整機(jī)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1996，27(S1)：29–33．

[18] 王奇，朱龍圖，李名偉，等．指夾式玉米免耕精密播種機(jī)振動(dòng)特性及對(duì)排種性能的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(9)：9–18．

[19] 張旭，趙滿全，劉飛，等．免耕播種機(jī)排種裝置振動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型的建立[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(6)：56–59．

Design and experiment of rapeseed sowing monitoring system based on PVDF bi-piexoelectric film

SUN Guojun1,2，ZHANG Jinran1，XU Yong1，YU Hongfeng1，HE Ruiyin1*

(1.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031, China; 2.Tianwei Inspection and Testing(Jiangsu) Co. Ltd, Yancheng, Jiangsu 224007, China)

In order to address the difficulty of monitoring small seeds during the operation of an integrated rape sowing machine in southern Jiangsu, a monitoring system for the sowing performance of a single seed precision seeder for rapeseed is designed based on PVDF bi-piezoelectric film. The system collects the operating speed of the machine through the encoder installed on the tachometer wheel of the seeder, and obtains the theoretical seeding spacing in combination with the set target seeding rate. The PVDF bi-piezoelectric film monitoring device is used to collect the number of rapeseeds. In order to filter the interference of machine vibration signal, a reference piezoelectric film is set up to eliminate vibration interference through logic operations, and the Schmitt circuit hysteresis principle is used to eliminate comparator jitter interference. The system uses the STM32F103VBT6 microcontroller as the central processor to calculate the performance indicators such as sowing volume, seeding speed, omission rate and reseeding rate by combining the set theoretical plant distance, the time interval between adjacent pulse voltage signals and the forward speed of the seeder. The test bench shows that under the conditions of 26.5-42.2 r/min seeding shaft speed, the system detects the seeding volume with an accuracy of 96.4%, the missed sowing with an accuracy of 95.8% and the resowing with an accuracy of 98.4%. Under the condition that the vibration frequency is 8-16 Hz, the system can detect the sowing volume with an accuracy higher than 95.2%.

rapeseed planter; seeding performance monitoring system; leakage sowing rate; replay rate; PVDF bi-piezoelectric film; vibration signal cancellation; comparator jitter cancellation

孫國(guó)峻，張金然，徐勇，余洪峰，何瑞銀．基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2022，48(5)：601–607．

SUN G J，ZHANG J R，XU Y，YU H F，HE R Y．Design and experiment of rapeseed sowing monitoring system based on PVDF bi-piexoelectric film[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2022，48(5)：601–607．

http://xb.hunau.edu.cn

S223.2

A

1007-1032(2022)05-0601-07

10.13331/j.cnki.jhau.2022.05.014

2021–04–28

2022–04–01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300908)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目[CX(19)2012]；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目(NJ2019–14)

孫國(guó)峻(1996—)，男，江蘇濱海人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備研究，guojunsun0318@163.com；*通信作者，何瑞銀，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究，ryhe_njau@163.com

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立