王紫玉，張博，梁春英，王洪超

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院）

玉米在我國是主要的主食糧食之一，無論是產(chǎn)量還是種植生產(chǎn)面積，均位居前列[1]。其中，東北三省更是玉米的主要生產(chǎn)地。目前，玉米田地種植大多采用在壟溝中耕作的方式，即條耕，條耕屬于保護(hù)性耕作的一種，條施也同條耕相同，即在開好溝的田地中成條狀施肥，以改善化肥營養(yǎng)利用率低的問題[2-3]。目前國家大力提倡加大力度進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，其中一個重要的部分就是變量施肥技術(shù)[4]。對于施肥，化肥元素種類、施肥技術(shù)水平和先進(jìn)施肥機械是三個決定因素[5]。但同樣，施肥過多帶來的環(huán)境問題也不容小覷。因此，在保證產(chǎn)量的前提下，響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，盡力減少施肥用量，有利于環(huán)境改善與我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

近幾年的精密播種技術(shù)也發(fā)展迅速，一些大株距作物都改用穴播技術(shù)[6]。因為對于這些大株距的作物采用條施的話，會造成施用在沒有作物土壤處肥料的浪費，而這些多余的肥料也會造成一系列農(nóng)業(yè)和土壤的問題[7]。因此，針對大株距作物的穴施肥技術(shù)開始發(fā)展起來。在歐美等發(fā)達(dá)國家，由于人少地多，因此均采用田間全程機械化以確保精準(zhǔn)作業(yè)[8]。國外已研制出帶有定位功能的液態(tài)有機肥定點施用系統(tǒng)，可對排肥量控制，并且可以識別耕作田地以外的地區(qū)，此時不進(jìn)行任何操作；另外也有一些針對牲畜糞便液態(tài)肥的定位施肥系統(tǒng)等[9-11]。國內(nèi)對玉米穴施肥機械的研究尚處于起步階段，主要是高等院校和科研院所研究的比較多。主要包括對扎穴、定穴與二次成穴裝置的施肥結(jié)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動方面主要由機械傳動和電驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)等居多，實現(xiàn)裝置有可控排液閥、電磁鐵吸附開關(guān)與滾輪式穴施器等，分別針對液態(tài)肥與顆粒肥完成穴施[12-15]。

以上研究多是用機械方式實現(xiàn)了扎穴與間歇施肥的效果，對于智能化的控制系統(tǒng)研究較少，因此有必要設(shè)計一種智能化的玉米變量穴施肥的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)化肥利用率高的穴施肥，為玉米穴施肥研究奠定基礎(chǔ)。

1 玉米穴施肥技術(shù)

1.1 玉米穴施肥概念

玉米穴施肥技術(shù)可分為兩種。一種是施肥與播種同時進(jìn)行，即穴播穴施肥技術(shù)，在最初播種時，利用穴施肥裝置機構(gòu)與播種機同步作業(yè)[16]。另一種是穴施肥追肥技術(shù)，在玉米生長中期追肥。

（1）玉米穴播穴施肥技術(shù)

穴播是指在覆土前，按照預(yù)定好的間隔進(jìn)行播種。同樣，穴播穴施肥是指在穴播后，化肥也一堆一堆地按照預(yù)定好的間隔進(jìn)行施肥，如圖1所示。肥料成穴狀分布在種子的右下方，穴播時預(yù)定好的間距為a，即穴距，種子與化肥橫向距離為b，垂直間隔為h。種子與化肥的空間間隔l為

圖1 種子與肥料位置示意圖Fig.1 Location illustration of fertilizer and corn

此技術(shù)改善了傳統(tǒng)作業(yè)時種子肥料分布不均勻造成的浪費，也使化肥供給的營養(yǎng)作用發(fā)揮到最大。

（2）玉米穴施肥追肥技術(shù)

除了在種肥時期施用了緩控釋肥外，作物在生長中期均需要再施用一次追肥。對于玉米來說，它的追肥深度應(yīng)大于8 cm，種子與化肥間側(cè)面間距為10～15 cm[17]。同樣玉米穴施肥追肥技術(shù)也有利于避免肥料的浪費，改善其對環(huán)境的污染，可直接在追肥機上應(yīng)用。

1.2 玉米穴施肥農(nóng)藝要求

根據(jù)目前通用的基本施肥農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，包括NY/T 1003-2006《施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)國家文件要求，類比玉米穴施肥技術(shù)的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求如表1所示。

表1 玉米穴施肥的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求Table 1 Agriculturaltechnicalcriterionformaizeholefertilization

另外，除了以上標(biāo)準(zhǔn)，不同于條施，間歇穴施肥更側(cè)重于對施肥時的化肥量進(jìn)行確定。對所施化肥量的確定中需要包含的各種有影響的變量因素有很多種，例如根據(jù)理論計算公式得到的需肥量因素、耕地條件因素、作物自身因素和耕作方法因素等，綜合這些因素決策才能得到較為準(zhǔn)確的應(yīng)施肥量，理論上計算針對玉米的理想施肥量的公式如式（1）～（4）所示[18]。

其中，ɑ為種子穴距（cm）；ρ為每公頃播種密度（穴·hm-2）；c為播種行距（cm）；η為田間出苗率（%）；Φ為每公頃玉米養(yǎng)分目標(biāo)需求量（kg·hm-2）；T為每公頃目標(biāo)收獲量（kg·hm-2）；φ為單位重量經(jīng)濟產(chǎn)量的養(yǎng)分目標(biāo)需求量（kg）；ι為化肥養(yǎng)分使用率（%）；F為單位面積化肥施用量（kg）；ω為化肥養(yǎng)分的含量（%）；ν為每穴化肥量（g·穴-1）。

2 系統(tǒng)總體方案與工作原理

2.1 系統(tǒng)總體方案

玉米變量穴施肥控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 玉米變量穴施肥控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案Fig.2 General design plan of maize variable hole fertilizer control system

2.2 工作原理

玉米穴施肥控制方式根據(jù)施肥時期分為兩種模式：

（1）自主穴施模式，首先設(shè)定排肥器每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，排肥管口安裝好擋片開關(guān)，在運轉(zhuǎn)后擋片開關(guān)開啟，肥料從內(nèi)落出，實現(xiàn)穴施效果，完成排肥后，擋片開關(guān)再次關(guān)閉，開啟與關(guān)閉間隔根據(jù)穴距計算出的下次穴施肥時間依次控制擋片完成穴施肥；

（2）同步穴施模式，首先開啟配套玉米排種器工作，當(dāng)排種監(jiān)控傳感器檢測到信號后，控制排肥電機以一定角度間歇運轉(zhuǎn)排肥，角度大小與所需肥量大小成線性相關(guān)，在這種模式下?lián)跗铋_始已旋轉(zhuǎn)至開口位置不進(jìn)行任何運動以簡化結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

玉米變量穴施肥控制系統(tǒng)的總體電路圖如圖3所示，下面為硬件設(shè)計中的具體模塊介紹。

圖3 控制系統(tǒng)總體電路圖Fig.3 Control system overall circuit diagram

3.1.1 按鍵與顯示模塊

系統(tǒng)界面設(shè)計4個按鍵，根據(jù)需求的參數(shù)量進(jìn)行功能的設(shè)定，分別與STC15F2K60S2核心芯片的P2.4～P2.7口相連，按鍵鍵位與功能如表2所示。

表2 按鍵鍵位與功能Table 2 The keys position and the function of keypads

顯示部分選用LCD12864型圖形點陣液晶顯示屏。它的連接模式為并型，液晶模塊總線（DB0-DB7）接P0口，數(shù)據(jù)命令端、讀/寫端與使能端分別接STC15F2K60S2核心芯片的P3.5～P3.7口，圖4為LCD12864液晶顯示屏顯示菜單時的實物圖。

圖4 LCD12864液晶顯示屏顯示菜單Fig.4 LCD12864 LCD display menu

3.1.2 排肥軸測速模塊

此次設(shè)計選用了閉環(huán)控制方式，在一般閉環(huán)控制中，涉及到轉(zhuǎn)速調(diào)控時，轉(zhuǎn)速作為反饋量，對它的實時測量是完成反饋過程中所必需的，否則無法構(gòu)成完整的閉環(huán)。此次測量部分的核心為LPD3806-360BM增量式光電編碼器，STC15F2K60S2核心芯片可通過它收集的采樣信號數(shù)量計算排肥器當(dāng)前瞬時轉(zhuǎn)速大小。測量方法按照脈沖的測量脈沖方式的不同，可分為M法、T法、M/T法、變M/T法等[19]。結(jié)合控制系統(tǒng)的功能要求，使用M法進(jìn)行測量，采樣周期設(shè)定為20 ms，測量公式如式5所示[20]：

式中：m為單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)；P為倍頻系數(shù)；N為光電編碼器分辨率；△T為采樣周期。

3.1.3 種子檢測模塊

此部分選用紅外傳感器探頭，屬于光電傳感器一類，將其置于排種口處，每當(dāng)種子通過，隔斷紅外信號，代表有種子排出，即產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過邏輯輸出電路，此時輸出信號為“1”態(tài)；當(dāng)排種器未開啟時，也就是無種子排出時，此時無任何信號，則邏輯輸出電路為默認(rèn)的“0”態(tài)。通過輸出的“0”態(tài)與“1”態(tài)可以判斷是否開啟排種，是否需要啟動排肥口擋片結(jié)構(gòu)電機，另外也可通過輸出信號的規(guī)律性實現(xiàn)播種堵塞漏播故障碼的顯示。假如輸出信號為有規(guī)律的波形，此時應(yīng)為正常的播種流程，反之則為故障。

3.1.4 電機驅(qū)動模塊

（1）排肥驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊采用57BYGH311型號步進(jìn)電機，搭配使用128細(xì)分驅(qū)動器。通過選擇驅(qū)動器上的撥碼開關(guān)進(jìn)一步選擇微細(xì)分步數(shù)，最后在實際控制中將步距角分成800份。要控制步進(jìn)電機位移360°，需要配合800個脈沖驅(qū)動，通過計算細(xì)分脈沖數(shù)量，更能精準(zhǔn)的控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。

（2）擋片開關(guān)驅(qū)動模塊

此部分設(shè)計了一種可以控制排肥口間歇的圓盤擋片，特別選用了材質(zhì)不容易被腐蝕的塑料。擋片以圓心為原點，共有三個相隔120°的圓孔，與排肥管管口一樣大小。當(dāng)?shù)脚欧实臅r間時，擋片圓孔的位置與排肥管口的位置重合，使肥料通過圓孔下落。當(dāng)擋片圓孔轉(zhuǎn)動60°時，擋片呈封閉狀態(tài)，肥料堆積在擋片上方，為下次擋片開關(guān)開啟時提供足夠的肥料。在此期間排肥器排出的肥料被貯存在管內(nèi)。排肥口擋片結(jié)構(gòu)原理圖與實物圖如圖5所示，擋片材質(zhì)比較輕薄，因此選擇它的動力源為小轉(zhuǎn)動慣的57FY56型號步進(jìn)電機，搭配使用最大32細(xì)分驅(qū)動器。通過選擇驅(qū)動器上的撥碼開關(guān)進(jìn)一步選擇微細(xì)分步數(shù)，同樣最后在實際控制中將步距角分成800份。另外，步進(jìn)電機與驅(qū)動器采用傳動比1∶1同步帶輪傳動。

圖5 排肥口擋片開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.5 Fertilizer outlet baffle switch structure

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 同步穴施軟件設(shè)計

軟件部分主要針對在同步穴施模式下的邏輯流程控制。在此模式下，除電機轉(zhuǎn)速外，最小排肥量（排肥器單個槽可排出的肥量）與需肥量在開啟運轉(zhuǎn)前需要事先設(shè)定，兩個量之比即為每次所需轉(zhuǎn)動的槽數(shù)。當(dāng)排種器開始運轉(zhuǎn)，種子檢測模塊開始工作，此時STC15F2K60S2核心芯片馬上發(fā)送相應(yīng)脈沖完成相應(yīng)排肥動作，其中由前面所設(shè)置的兩個變量之比決定排肥器一次轉(zhuǎn)動脈沖數(shù)，之后等待下一次的排種脈沖信號后再次開啟下次的排肥，其程序流程圖如圖6所示。

圖6 同步穴施控制模塊程序流程圖Fig.6 Program flow diagram of synchronous hole fertilization control mode

3.2.2自主穴施軟件設(shè)計

軟件部分主要針對自主穴施肥模式進(jìn)行控制，主要控制擋片轉(zhuǎn)動的啟止時間，并對每次的時間間隔進(jìn)行設(shè)置，計算如公式（6）所示。

式中：t為擋片此次開啟至擋片再次開啟的間隔時間（s）；ɑ為穴距（m）；ν車為機車作業(yè)速度（km·h-1）。

其程序流程圖如圖7所示。

圖7 擋片開關(guān)控制模塊程序流程圖Fig.7 Program flow diagram of baffle switch control mode

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗臺介紹

針對該控制系統(tǒng)設(shè)計了一臺配套的試驗臺以供試驗，試驗臺的主要組成和結(jié)構(gòu)如圖8所示。平臺材質(zhì)為鋁合金，長和寬分別為2.5、0.4 m。傳送帶動力源和調(diào)速裝置使用交流齒輪減速電機和調(diào)速器配合作業(yè)，電機轉(zhuǎn)速范圍為90～1 400 r·min-1，功率為200 W。試驗臺的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示，實物圖如圖9所示。

圖9 玉米變量穴施肥試驗臺實物圖Fig.9 Maize variable hole fertilizer test bed physical map

表3 試驗臺主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of test bed

圖8 玉米變量穴施肥試驗臺設(shè)計圖Fig.8 Maize variable hole fertilizer test bed design diagram

4.2 玉米穴施肥性能試驗

4.2.1 排肥器性能試驗

理論計算外槽輪排肥器每周排肥量大小公式為[21]：

式中，q為槽輪轉(zhuǎn)動每周的施肥量（g·rad-1）；d為排肥器垂直工作高度（mm）；L為排肥軸工作長度（mm）；γ為每立方米化肥重度（g·cm-3）；t為節(jié)距（cm）；α為化肥與容器容積之比；f為每格槽面積（cm2）；cn為帶動層特性系數(shù)。由于實際作業(yè)中肥料顆粒不均勻，排肥軸轉(zhuǎn)動與部件和肥料形成摩擦等狀況，導(dǎo)致公式（7）計算的施肥量有一定誤差，因此采用臺架試驗來估算參數(shù)。

基于排肥器轉(zhuǎn)動每周時間的可控性，設(shè)轉(zhuǎn)速為15、20和30 r·min-1，也就是對應(yīng)時間分別為4、3和2 s，開度確定范圍為5～20 mm，每隔5 mm進(jìn)行一次試驗。開啟運行至少5 s后，觀察等待排肥器運轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定，穩(wěn)定后開始計時器記時，稱量容器內(nèi)的肥量，重復(fù)4次，將試驗結(jié)果做成擬合曲線，如圖10所示，橫軸為排肥軸工作長度大小，縱軸為排肥量大小，得到R2≈0.999，求出排肥器每周排肥量與排肥軸工作長度大小成線性關(guān)系，擬和方程如式（8）所示：

圖10 一周施肥量的擬合曲線Fig.10 The fitting curve of one turn of the fertilizer distributor

根據(jù)該方程可求得試驗中的目標(biāo)穴施肥量。

4.2.2 自主穴施性能試驗

設(shè)定穴距為30 cm，排肥軸工作長度為15 mm，改變排肥電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值范圍為30～40 r·min-1，每隔5 r·min-1進(jìn)行一次試驗的情況下，基于試驗臺大小，每次設(shè)定肥料掉落地為結(jié)束。另由于車速過快會影響成穴效果，調(diào)試后決定固定傳送帶傳送速度為2.7 km·h-1。試驗測量結(jié)果如表4所示。以擴散在傳送帶上相鄰圓形化肥圓心為端點測量穴距大小，所得試驗測量結(jié)果如表5所示。

表4 自主穴施模式試驗測量結(jié)果Table 4 The measurement results of fertilizer amount in autonomous hole fertilization mode

表5 穴距試驗測量結(jié)果Table 5 Hole distance experiment measurement results

依據(jù)表4數(shù)據(jù)得到，每穴肥量平均誤差絕對值與穴施肥總變異性系數(shù)都小于3，符合國家規(guī)范中低于7.8%的標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱DG/T 007-2016》中單粒精密播種機的粒距合格系數(shù)合格標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)合表5中得到穴距合格指數(shù)為96%。

4.2.3 同步穴施性能試驗

此模式采用間歇啟停方式，排肥器作業(yè)啟動的時間公式為：

式中，t為每次排肥持續(xù)的時間（s）；n為單位理想肥量（g·穴-1）；ν為排肥器轉(zhuǎn)速（r·min-1）；qr為排肥器轉(zhuǎn)動每周施肥量（g）。

由于穴施肥的間歇空隙較短，基于考慮種肥同步性，因此每次排肥應(yīng)越快小效果越好。依據(jù)式（9），每次啟動施肥的時間t與排肥器轉(zhuǎn)速ν和排肥器每周排肥量qr成反比，選定開度為20 mm，也就是根據(jù)式（8）估算出排肥器每周排肥量為44.3 g，每槽肥量約為6.3 g，設(shè)定轉(zhuǎn)速為65 r·min-1，試驗測量結(jié)果如表6所示。

表6 同步穴施模式肥量測量結(jié)果Table 6 The measurement results of fertilizer amount in synchronous hole fertilization mode

由于傳送帶承重過多會影響運行速度，所以在無土的情況下也未設(shè)置扎穴裝置，因此測量中的種子與化肥間距主要是指在平臺上的橫向距離，即肥料的中心位置至種子的距離，測量結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表6可知，經(jīng)過計算每穴施肥量的平均誤差絕對值均小于1，根據(jù)目標(biāo)施肥量的變異系數(shù)范圍為1.57%～2.78%。根據(jù)表7可知，通過測量20穴樣本并采集到的種子與化肥間橫向距離進(jìn)行計算合格率，得到合格率為95%。以上測量的數(shù)據(jù)指標(biāo)，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和施肥要求。

表7 種子與化肥間距測量結(jié)果Table 7 Lateral range between maize and fertilizer measurement results

4.3 試驗結(jié)果分析

由上述試驗結(jié)果分析可知，自主穴施模式與同步穴施模式的施肥變異性系數(shù)分別為2.53%與2.2%。自主穴施模式的穴距合格指數(shù)為96%，同步穴施模式的種子與化肥間橫向距離合格率為95%，各項指標(biāo)均滿足國家要求。

5 結(jié)論

基于降低化肥土壤污染的目的與相關(guān)理論，設(shè)計了一套玉米變量穴施肥的控制系統(tǒng)。建立自主穴施肥和同步穴施肥兩種施肥模式并進(jìn)行性能試驗，所得整體結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)選用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，硬件設(shè)計主要包括排肥器以及驅(qū)動模塊、排肥軸轉(zhuǎn)速測量模塊、菜單功能顯示模塊和種子檢測模塊等電路搭建，軟件設(shè)計包括針對兩種模式不同功能進(jìn)行程序編寫，兩部分構(gòu)成了整體的控制系統(tǒng)，完成了控制系統(tǒng)的整體設(shè)計。

（2）通過設(shè)計的配套試驗臺進(jìn)行了性能試驗，通過得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行排肥器一周排肥量線性擬合，得到擬合方程q=1.9856L++4.59，可滿足后期穴施肥理想量推算。針對自主穴施肥和同步穴施肥兩種模式分別進(jìn)行試驗，自主穴施與同步穴施模式的施肥變異性系數(shù)平均值分別為2.53%與2.2%；自主穴施模式的穴距合格指數(shù)為96%，同步穴施模式的種子與化肥間橫向距離合格率為95%，兩種模式的排肥變異性系數(shù)都符合國家文件規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。可見，該控制系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性與可靠性，可為后期玉米穴施肥的控制奠定基礎(chǔ)。