CN109831979B - 气流输送式精量施肥播种机及其漏播堵塞检测方法和装置 - Google Patents
气流输送式精量施肥播种机及其漏播堵塞检测方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种气流输送式精量施肥播种机及其漏播堵塞检测方法和装置，其漏播堵塞检测装置包括：播种监测单元，安装在排种管上，包括多普勒微波传感器、风压传感器和采集处理模块，多普勒微波传感器和风压传感器分别与采集处理模块连接；前进速度传感器，安装在地轮上；速度采集模块，安装在地轮上并与前进速度传感器相邻；以及车载控制器，固定在驾驶室内，与车载蓄电池连接取电，并分别与播种监测单元、前进速度传感器和速度采集模块连接；漏播堵塞检测方法包括采集前进速度传感器的信号获得速度信息，并将速度信息实时传输给车载控制器，车载控制器根据速度信息确定播种监测单元是否进入工作状态，并在工作时进行漏播堵塞检测和报警。
Description
技术领域
本发明涉及精密播种机在线监测方法及装置，特别是一种气流输送式精量施肥播种机及其漏播堵塞检测方法和装置。
背景技术
精量播种机在农业生产中占有重要地位。但播种机在作业过程中由于机械故障、田间土壤潮湿等原因，容易发生卡种、种肥管阻塞或种肥箱排空等情况，一旦出现这种情况，就会出现大面积漏播，造成农业损失。目前，针对常规精量播种机的播种监测普遍采用光电传感检测方法。
气流输送式精少量施肥播种机作为一种新型的播种作业机械，其具有作业幅宽大、作业效率高和种子利用率高等特点，正在逐步成为未来精量播种的发展方向。气流输送式播种机的种子在输送管路内高速运动，具有很强的碰撞冲击特性，若安装常规的光电传感器，除了灰尘影响，另外高速运动的种子很容易与接收和发射光电二极管发生碰撞，导致元件磨损，影响测量效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种气流输送式精量施肥播种机及其漏播堵塞检测方法和装置，以有效地对气流输送式播种机的漏播堵塞故障进行在线监测和报警。
为了实现上述目的，本发明提供了一种气流输送式精量播种机的漏播堵塞检测装置，其中，包括：
播种监测单元，安装在气流输送式精量播种机的每一路排种管的外壁上，所述播种监测单元包括多普勒微波传感器、风压传感器和采集处理模块，所述多普勒微波传感器和风压传感器分别与所述采集处理模块连接；
前进速度传感器，安装在所述气流输送式精量播种机的地轮上；
速度采集模块，安装在所述气流输送式精量播种机的地轮上并与所述前进速度传感器邻近设置；以及
车载控制器，固定在所述气流输送式精量播种机的驾驶室内，与所述气流输送式精量播种机的车载蓄电池连接取电，并分别与所述播种监测单元、前进速度传感器和所述速度采集模块连接；
其中，所述速度采集模块采集所述前进速度传感器的信号获得速度信息，并将所述速度信息实时传输给所述车载控制器，所述车载控制器根据所述速度信息确定所述播种监测单元是否进入工作状态。
上述的漏播堵塞检测装置，其中，当所述速度信息显示车速大于0时，所述播种监测单元进入工作状态，所述采集处理模块实时采集所述多普勒微波传感器输出的信号频率，并同时采集所述风压传感器的模拟电压信号，根据所述信号频率和所述模拟电压信号，对比设定的排空频率阈值和堵塞风压阈值，分别生成漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码，并发送所述车载控制器。
上述的漏播堵塞检测装置，其中，所述车载控制器读取所述漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码以及对应的所述排种管的管路编号信息，完成解析并通过显示器将故障状态和对应的所述管路编号显示报警。
上述的漏播堵塞检测装置，其中，所述排空频率阈值为0.9fem～1.1fem。
上述的漏播堵塞检测装置，其中，所述堵塞风压阈值为0.8Pbk～1.2Pbk。
上述的漏播堵塞检测装置，其中，所述多普勒微波传感模块的测频运算公式为：
其中，fs为被测脉冲信号频率，f为晶振工作频率，
为定时器的工作频率，n1为所述多普勒微波传感器输出的脉冲信号遇到第一个上升沿时定时器的计数值，n2为所述多普勒微波传感器输出的脉冲信号遇到下一个上升沿时定时器的计数值。
上述的漏播堵塞检测装置，其中，所述多普勒微波传感器安装在所述排种管的外壁上并与所述排种管的轴线具有一夹角。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种气流输送式精量施肥播种机的漏播堵塞检测方法，其中，包括以下步骤：
S100、采集处理模块采集前进速度传感器的信号获得速度信息，并将所述速度信息实时传输给车载控制器，所述车载控制器根据所述速度信息确定播种监测单元是否进入工作状态；
S200、当所述速度信息显示车速大于0时，所述播种监测单元进入工作状态，所述采集处理模块实时采集多普勒微波传感器输出的信号频率，并同时采集风压传感器的模拟电压信号，根据所述信号频率和所述模拟电压信号，对比设定的排空频率阈值和堵塞风压阈值，分别生成漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码，并发送所述车载控制器；以及
S300、所述车载控制器读取所述漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码以及对应的所述排种管的管路编号信息，完成解析并通过显示器将故障状态和对应的所述管路编号显示报警。
上述的漏播堵塞检测方法，其中，所述信号频率大于所述排空频率阈值则生成所述漏播故障状态码；所述模拟电压信号小于所述堵塞风压阈值则生成阻塞故障状态码。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种气流输送式精量施肥播种机，其中，包括上述的漏播堵塞检测装置，或采用上述的漏播堵塞检测方法进行播种的漏播堵塞检测。
本发明的技术效果在于：
与现有技术相比，本发明针对气流输送播种机的特殊排种形式，采用多普勒微波结合风压检测原理，能有效地对气流输送式播种机的漏播堵塞故障进行在线监测和报警，非常适于田间高尘作业环境。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的气流输送式精量施肥播种机结构示意图；
图2为本发明一实施例的播种监测单元结构示意图；
图3为本发明一实施例的漏播堵塞检测装置结构示意图；
图4为本发明一实施例的播种监测单元安装示意图；
图5为本发明一实施例的漏播堵塞检测方法原理图。
其中，附图标记
1 排种管
2 种箱
3 车载控制器
4 速度采集模块
5 前进速度传感器
6 地轮
7 气流分配系统
8 风机
9 机架
10 多普勒微波传感器
11 采集处理模块
12 风压传感器
13 播种监测单元
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1，图1为本发明一实施例的气流输送式精量施肥播种机结构示意图。本发明的气流输送式精量施肥播种机，包括机架9及安装在机架9上的驾驶室、地轮6、种箱2、排种管1、风机8及气流分配系统7，还包括漏播堵塞检测装置，因该气流输送式精量施肥播种机各部分的组成、结构、相互位置关系、连接关系及其功能、工作原理等均为较成熟的现有技术，故在此不再赘述，下面仅对本发明的漏播堵塞检测装置予以详细说明。
参见图2-图4，图2为本发明一实施例的播种监测单元结构示意图，图3为本发明一实施例的漏播堵塞检测装置结构示意图，图4为本发明一实施例的播种监测单元安装示意图。本发明的漏播堵塞检测装置，包括：播种监测单元13，安装在气流输送式精量播种机的每一路排种管1的外壁上，作为排种管1的一部分，所述播种监测单元13包括多普勒微波传感器10、风压传感器12和采集处理模块11，所述多普勒微波传感器10和风压传感器12分别与所述采集处理模块11连接，所述多普勒微波传感器10安装在所述排种管1的外壁上，排种管1并非完全垂直设置，其一端连接种子分配器的出种口，另一端连接播种圆盘上的导种口，完成播种，多普勒微波传感器10的轴线与所述排种管1的轴线具有一夹角θ，该夹角θ优选为30°～60°；前进速度传感器5，安装在所述气流输送式精量播种机的地轮6上；速度采集模块4，安装在所述气流输送式精量播种机的地轮6上并与所述前进速度传感器5邻近设置；以及车载控制器3，固定在所述气流输送式精量播种机的驾驶室内，与所述气流输送式精量播种机的车载蓄电池连接取电，并分别与所述播种监测单元13、前进速度传感器5和所述速度采集模块4连接；其中，所述速度采集模块4采集所述前进速度传感器5的信号获得速度信息，并将所述速度信息实时传输给所述车载控制器3，所述车载控制器3根据所述速度信息确定所述播种监测单元13是否进入工作状态。
当所述速度信息显示车速不为0时，所述播种监测单元13进入工作状态，所述采集处理模块11实时采集所述多普勒微波传感器10输出的信号频率，并同时采集所述风压传感器12的模拟电压信号，根据所述信号频率和所述模拟电压信号，对比设定的排空频率阈值和堵塞风压阈值，分别生成漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码，并发送所述车载控制器3。所述车载控制器3读取所述漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码以及对应的所述排种管1的管路编号信息，完成解析并通过显示器将故障状态和对应的所述管路编号显示报警。
其中，所述排空频率阈值优选为0.9fem～1.1fem。所述堵塞风压阈值优选为0.8Pbk～1.2Pbk。由于不同型号的气流输送播种机具的风机8工作参数不同，种子在排种管1内运动速度也会有所差异。通常对于某一型号的播种机，在首次安装后，应对监测系统进行离线标定测试，主要确定排空阈值频率和堵塞风压阈值。堵塞风压阈值离线标定方法如下：保持气流输送播种机处于正常播种工作状态，将排种管1的出种口堵塞，观察风压传感器12输出风压p，待风压稳定后记录此时风压数据，该风压数据即为堵塞风压阈值Pbk，考虑到风压工作时转速可能存在一定的波动，故堵塞风压阈值优选为0.8Pbk～1.2Pbk。排空阈值频率离线标定方法如下：启动风机8保持气流输送播种机处于正常播种工作状态，待种子基本输送完毕，排种管1内种子呈稀疏状输送时，记录此时多普勒微波传感器10输出频率fem，该频率即为排空阈值频率。本发明将排空频率阈值范围优选为0.9fem～1.1fem。
当管路内种子正常运动时，多普雷微波传感模块输出频率信号，通过CCP模块捕获方式进行测频。以单片机PIC18F2580为例，晶振工作频率f，设置定时器信号源为指令时钟
定时器预分频为1：1，则定时器的工作频率为
设置CCP模块的工作方式为每次上升沿捕捉，当多普勒微波传感器10输出的脉冲信号接入CCP模块后，遇到第一个上升沿，记录此时定时器的计数值n1，当遇到下一个上升沿时，再次记录此时定时器的计数值n2，则本实施例中，所述多普勒微波传感器10的被测脉冲信号频率的测频运算公式为：
其中，fs为被测脉冲信号频率，f为晶振工作频率，
为定时器的工作频率，n1为所述多普勒微波传感器10输出的脉冲信号遇到第一个上升沿时定时器的计数值，n2为所述多普勒微波传感器10输出的脉冲信号遇到下一个上升沿时定时器的计数值。
参见图5，图5为本发明一实施例的漏播堵塞检测方法原理图。本发明漏播堵塞检测方法的基本原理是，播种监测单元13的采集处理模块11通过CCP采集模块实时采集多普勒微波传感器10的发射信号与接收信号，计算输出信号的频率，经过测频运算后得到发射信号与接收信号的频率，计算频率的差值得到频移，经过多次测量后得到频移，并实时判断播种状态。根据多普勒原理，当种子在排种管1道内运动时，其反射信号与发射信号的频率存在偏差，即出现频移，此时多普勒微波传感器10输出一个与频移近似线性的方波信号；若没有频移，则微波传感器输出低电平信号，通过判断输出信号频率，可以识别是否有种子通过排种管1路。若出现频移，表明管路内部种子正常运动，此时是正常播种状态；没有频移时，管路无种子，此时为漏播状态，即当频移值小于排空频移阈值时，监测单元判定该路排种管1排空处于漏播状态，并生成漏播故障状态码；播种监测单元13同时通过AD模块采集风压传感器12模拟电压，并对模拟电压进行分析，经过平均值滤波后得到风压的电压值，与堵塞风压阈值比较，若大于该阈值，则播种监测单元13判定该路排种管1处于堵塞状态，同时生成堵塞故障状态码，即当出现管路阻塞时，排种管1内气压增大，若超过一定阈值，则表明管路阻塞。若频移值大于排空频移阈值，且风压的电压值小于堵塞风压阈值时，播种监测单元13判定该路排种管1正常工作，处于正常播种状态，同时生成正常播种状态码。每一路播种监测单元13均通过CAN总线，将作业状态码发送到车载控制器3，车载控制器3对状态码进行解析，并在控制器的显示屏上显示当前故障管路序号及故障状态，提醒驾驶员停车排除故障。
本发明的漏播堵塞检测方法，包括以下步骤：
步骤S100、采集处理模块11采集前进速度传感器5的信号获得速度信息，并将所述速度信息实时传输给车载控制器3，所述车载控制器3根据所述速度信息确定播种监测单元13是否进入工作状态；
步骤S200、当所述速度信息显示车速大于0时，所述播种监测单元13进入工作状态，所述采集处理模块11实时采集多普勒微波传感器10输出的信号频率，并同时采集风压传感器12的模拟电压信号，根据所述信号频率和所述模拟电压信号，对比设定的排空频率阈值和堵塞风压阈值，分别生成漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码，并发送所述车载控制器3；以及
步骤S300、所述车载控制器3读取所述漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码以及对应的所述排种管1的管路编号信息，完成解析并通过显示器将故障状态和对应的所述管路编号显示报警。
其中，所述信号频率大于所述排空频率阈值则生成所述漏播故障状态码；所述模拟电压信号小于所述堵塞风压阈值则生成阻塞故障状态码。
工作时，气流输送式精量播种机在田间进行正常播种作业，速度采集模块4采集前进速度传感器5的信号，通过模块的CAN总线接口，将速度信息实时传输给车载控制器3，车载控制器3根据车速信息确定漏播堵塞检测装置是否进入工作状态。当车速不为0时，表明播种机开始播种，此时漏播堵塞检测装置也开始正常工作。每一路排种管1上安装的播种监测单元13的采集处理模块11，通过内置的CCP通道实时采集播种监测单元13的多普勒微波传感器10输出的方波信号的频率，同时通过AD模块采集风压传感器12模拟电压信号；采集处理模块11根据多普勒微波传感器10输出的信号频率和风压传感器12的模拟电压信号，并对比排空频率阈值和堵塞风压阈值，确定漏播状态和阻塞状态以及正常播种状态，生成相应的作业状态码。采集处理模块11通过CAN总线将排种管1的管路编号及对应的作业状态码发送给车载控制器3。车载控制器3读取管路编号信息和对应的作业状态码，完成解析后，通过控制器的显示模块，将管路编号和故障状态进行显示报警。
本发明通过采集多普勒微波传感器和风压传感器信息，并对其信号特征进行分析结合堵塞漏播故障信息特征阈值，判断排种管作业状态，识别管路漏播、堵塞故障并进行故障声光报警，提醒驾驶员采取措施排除故障。根据气流输送播种机特点，采用微波检测与风压检测相结合的非接触式测量方法，从根本上消除了光电式播种监测方法抗尘性能差的问题，能够及时发现漏播、堵塞故障，提高了播种监测的可靠性。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种气流输送式精量播种机的漏播堵塞检测装置，其特征在于，包括：
播种监测单元，安装在气流输送式精量播种机的每一路排种管的外壁上，所述播种监测单元包括多普勒微波传感器、风压传感器和采集处理模块，所述多普勒微波传感器和风压传感器分别与所述采集处理模块连接；
前进速度传感器，安装在所述气流输送式精量播种机的地轮上；
速度采集模块，安装在所述气流输送式精量播种机的地轮上并与所述前进速度传感器邻近设置；以及
车载控制器，固定在所述气流输送式精量播种机的驾驶室内，与所述气流输送式精量播种机的车载蓄电池连接取电，并分别与所述播种监测单元、前进速度传感器和所述速度采集模块连接；
其中，所述速度采集模块采集所述前进速度传感器的信号获得速度信息，并将所述速度信息实时传输给所述车载控制器，所述车载控制器根据所述速度信息确定所述播种监测单元是否进入工作状态；
当所述速度信息显示车速大于0时，所述播种监测单元进入工作状态，所述采集处理模块实时采集所述多普勒微波传感器输出的信号频率，并同时采集所述风压传感器的模拟电压信号，根据所述信号频率和所述模拟电压信号，对比设定的排空频率阈值和堵塞风压阈值，分别生成漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码，并发送所述车载控制器，所述排空频率阈值为0.9fem～1.1fem，所述堵塞风压阈值为0.8Pbk～1.2Pbk，其中，fem为排种管排空时所述多普勒微波传感器输出的信号频率值，单位为Hz；Pbk为所述排种管出现阻塞时风压传感器输出的风压数据值，单位为Pa。
2.如权利要求1所述的漏播堵塞检测装置，其特征在于，所述车载控制器读取所述漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码以及对应的所述排种管的管路编号信息，完成解析并通过显示器将故障状态和对应的所述管路编号显示报警。
3.如权利要求1或2所述的漏播堵塞检测装置，其特征在于，所述多普勒微波传感器的测频运算公式为：
其中，fs为被测脉冲信号频率，f为晶振工作频率，
为定时器的工作频率，n1为所述多普勒微波传感器输出的脉冲信号遇到第一个上升沿时定时器的计数值，n2为所述多普勒微波传感器输出的脉冲信号遇到下一个上升沿时定时器的计数值。
4.如权利要求1或2所述的漏播堵塞检测装置，其特征在于，所述多普勒微波传感器安装在所述排种管的外壁上并与所述排种管的轴线具有一夹角。
5.一种气流输送式精量施肥播种机的漏播堵塞检测方法，其特征在于，采用上述权利要求1-4中任意一项所述的漏播堵塞检测装置进行播种的漏播堵塞检测，包括以下步骤：
S100、速度采集模块采集前进速度传感器的信号获得速度信息，并将所述速度信息实时传输给车载控制器，所述车载控制器根据所述速度信息确定播种监测单元是否进入工作状态；
S200、当所述速度信息显示车速大于0时，所述播种监测单元进入工作状态，所述采集处理模块实时采集多普勒微波传感器输出的信号频率，并同时采集风压传感器的模拟电压信号，根据所述信号频率和所述模拟电压信号，对比设定的排空频率阈值和堵塞风压阈值，分别生成漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码，并发送所述车载控制器；以及
S300、所述车载控制器读取所述漏播故障状态码、阻塞故障状态码或正常播种状态码以及对应的所述排种管的管路编号信息，完成解析并通过显示器将故障状态和对应的所述管路编号显示报警。
6.如权利要求5所述的漏播堵塞检测方法，其特征在于，所述信号频率大于所述排空频率阈值则生成所述漏播故障状态码；所述模拟电压信号小于所述堵塞风压阈值则生成阻塞故障状态码。
7.一种气流输送式精量施肥播种机，其特征在于，包括上述权利要求1-4中任意一项所述的漏播堵塞检测装置，或采用上述权利要求5或6所述的漏播堵塞检测方法进行播种的漏播堵塞检测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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