播种机智能控制系统及其控制方法与流程

本发明属于农业机械电控技术领域，涉及对播种机施肥排种的自动控制，具体地说是一种播种机智能控制系统及其控制方法。

背景技术：

目前，国内播种机的施肥排种系统，一般使用地轮驱动，经手动变速箱变速后，再通过链条或传动轴连接排种器或施肥器进行工作。利用此控制系统进行播种往往会存有以下不足：

1、播种均匀性差

地轮通过多级传动机构对排种器或施肥器进行驱动，地轮转动阻力大；并且国内大都采用免耕播种技术，土壤表面秸秆、杂草众多，地轮附着力小。这些问题均会使地轮出现打滑情况，进而使播种的均匀性无法得到保证。

2、播种株距调节困难

对播种株距进行调整时，需经人工计算得到播种株距所对应的变速箱链轮比，然后手动调换对应链轮来实现对播种株距的调整，整个操作过程十分复杂，费时费力。并且这种调节方式只能计算出有限的几种株距，很难达到精密播种的要求。

3、故障排除困难

整个系统通过机械结构来实现对播种机施肥排种工作的控制，结构复杂、操作困难，且易发生故障。但是传统播种机的报警器一般设于驾驶室外部，播种作业时只能将故障提示给驾驶员，并不能将故障位置显示给驾驶员。所以播种机发生故障时，驾驶员需先对播种机的各部分一一排查，然后才能对故障发生点进行修复，整个对故障排除的过程十分困难。

4、边行播种易出现重播现象

边行播种时，驾驶员需下车将一部分排种器关闭后，再进行播种作业，操作过程复杂繁琐。并且，排种器一旦关闭不严，就会出现重播现象，浪费了种子，后期还需将重播的植株拔除，给耕农增添了不必要的工作负担。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种播种机智能控制系统及其控制方法，一方面通过简单操作即可对播种机的播种行距、播种株距进行精准控制，另一方面能够快速对播种机的故障进行排除，进而实现精密播种的目的。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种播种机智能控制系统，包括控制单元、执行单元和监控单元；

控制单元包括设有排种控制模块、施肥控制模块和监控报警模块的plc控制器；其中，排种控制模块和施肥控制模块均内置有自动控制程序和手动操作程序；

执行单元包括分别与plc控制器输出端口相连接的第一驱动机构和第二驱动机构；其中，第一驱动机构与播种机的排种器动力连接，第二驱动机构与播种机的施肥器动力连接；

监控单元包括分别与plc控制器输入端口相连接的编码器、排种监控元件和施肥监控元件；其中，编码器固设于播种机地轮的端部，与播种机地轮同轴转动；排种监控元件设于播种机导种管上，施肥监控元件设于播种机排肥管上。

作为本发明的限定，排种控制模块的自动控制程序包括依次交替运行的第一程序和第二程序。

作为本发明的另一种限定，还包括与plc控制器输入端口相连接的光电开关，光电开关设于播种机驱动轮支臂上；

还包括与播种机电源电连接的电压逆变器。

作为本发明的进一步限定，第二驱动机构包括底肥驱动机构和口肥驱动机构；施肥监控元件包括设于底肥施肥器上的底肥监控探头和设于口肥施肥器上的口肥监控探头。

作为本发明的再进一步限定，第一驱动机构和第二驱动机构均包括电连接的步进电机驱动器和步进电机。

本发明还公开了一种精确控制播种机施肥排种的方法，它利用上述所提到的播种机智能控制系统，包括按顺序依次进行的以下步骤：

s1、将基本参数和变量参数输入plc控制器中；其中，变量参数为播种株距和每亩施肥量；

s2、编码器对播种机地轮的转动速度进行实时测定，并将获取的数据传送至plc控制器中；

s3、通过plc控制器中排种控制模块的手动操作程序，对播种机的播种行数进行设定；然后，plc控制器中排种控制模块的自动控制程序进行内部数据的计算，并将计算结果转化为脉冲信号传送至第一驱动机构中，通过第一驱动机构驱动排种器排种作业；

s4、通过plc控制器中施肥控制模块的手动操作程序，对播种机的施肥行数进行设定；然后，plc控制器中施肥控制模块的自动控制程序进行内部数据的计算，并将计算结果转化为脉冲信号传送至第二驱动机构中，通过第二驱动机构驱动施肥器施肥作业；

s5、排种器排种作业时，排种监控元件对导种管进行故障监控，检测到故障后，将故障信号传送至plc控制器中，plc控制器中断运行程序并报警；

施肥器施肥作业时，施肥监控元件对施肥管进行故障监控，检测到故障后，将故障信号传送至plc控制器中，plc控制器中断运行程序并报警。

作为本发明的限定，以上步骤进行时，光电开关对播种机是否处于行进状态进行实时监控，检测到播种机未行进时，将阻断信号传送至plc控制器中，plc控制器中断运行程序。

作为本发明另一种的限定，步骤s3包括按顺序依次进行的以下步骤：

a1、启动排种控制模块中自动控制程序的第一程序和第二程序；

a2、第一程序进行内部数据的计算，并将计算结果转化为脉冲信号传送至第一驱动机构中，通过第一驱动机构驱动排种器排种作业；

a3、然后，第二程序进行内部数据的计算，并将计算结果转化为脉冲信号传送至第一驱动机构中，通过第一驱动机构驱动排种器排种作业，第一程序和第二程序依次交替运行。

作为本发明的其它限定，步骤s3包括按顺序依次进行的以下步骤：

b1、启动排种控制模块中自动控制程序的第一程序；

b2、第一程序进行内部数据的计算，并将计算结果转化为脉冲信号传送至第一驱动机构中，通过第一驱动机构驱动排种器排种作业。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：

（1）本发明中排种器和施肥器上各安装有独立的驱动机构，利用编码器来反应地轮转速，并通过plc控制器进行自动控制，结构合理、操作简单，对地轮转动的影响小，能够精准控制播种株距和排肥量，有效解决了传统播种机播种不均匀的问题，提高了播种机精密播种的质量；

（2）本发明通过plc控制器即可实现对播种株距和排肥量的调整，且对播种株距的控制能够精确到毫米，操作简单有效，省去了繁琐变换计算的过程，实现了播种机精密播种的要求；

（3）本发明中所设置的排种监控元件和施肥监控元件可以对播种机的播种情况和排肥情况进行实时监控，并通过plc控制器的显示屏进行直观报警显示，能够将故障发生点精确提示给驾驶员，进而协助驾驶员对故障进行快速排除，相应提高了播种机的播种效率；

（4）本发明plc控制器的排种控制模块和施肥控制模块中均设置有自动控制程序和手动操作程序，其中，自动控制程序可以对播种机的播种株距和排肥量进行精确控制，而手动操作程序则可以使驾驶员对播种机的播种行数和施肥行数进行调整。本控制系统在保证播种机精密播种的同时，能够有效解决传统播种机易出现边行重播的问题。

（5）为了保证农作物良好的光合作用，提高农作物的产量，目前国内研究有一种最先进的种植方式：同行农作物具有两种不同的播种株距（例如，株距排列方式为250-250-250-600-600-250-250-250-600-600）。本发明中排种控制模块自动控制程序中依次交替运行的第一程序和第二程序，可以实现单一播种株距和两种不同播种株距的种植方式，进而能够根据土壤肥力、周围环境（光照、湿度、通风性等）、播种季节等差异来选择合适的种植方式。本系统功能强大，可以根据需求控制播种机来实现不同的种植方式。

（6）本发明中设置于播种机驱动支臂上的光电开关，可以对播种机是否处于行进状态进行实时监测，当播种机停止行进时，光电开关即阻断plc控制器输送信号，能够避免机器振动而致使编码器旋转，进而导致plc控制器程序误启动的情况出现，大大提高了控制系统的可靠性，避免了对种子的浪费，保证了播种机精密播种的质量。

（7）本发明中的电压逆变器，可以对播种机的电源进行电压转化，进而通过播种机电源即可为整个控制系统供电，不必额外增加电源装置，结构简单且能够为控制系统提供充足电量。

（8）本发明中的驱动机构均为步进电机，对播种机的播种株距、排肥量的控制更加精准，且可以有效解决地头停车排肥、投种不停的现象。

综上所述，本发明结构合理、操作简单、控制精准，驾驶员在驾驶室内即可对播种株距和每亩施肥量进行精准控制，同时还可以实现对任意一行的播种作业，省时省力且播种高效精准。

本发明适用于播种机上，用于控制播种机进行精密播种。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例1的结构框架图；

图2为本发明实施例1的电控接线图；

图中：1、plc控制器；2、第一步进电机驱动器；3、第一步进电机；4、排种器；5、第二步进电机驱动器；6、第二步进电机；7、底肥施肥器；8、第三步进电机驱动器；9、第三步进电机；10、口肥施肥器；11、编码器；12、电压逆变器；13、播种机电源；14、光电开关、15、空气开关。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本发明，并不用于限定本发明。

实施例1一种播种机智能控制系统

本实施例采用步进电机驱动排种器4、施肥器旋转，并通过plc程序实现对步进电机的控制，播种机行进过程中能够对播种株距和每亩施肥量精准控制，进而达到精密播种的要求。

如图1至图2所示，本实施例包括控制单元、执行单元和监控单元。

一、执行单元

执行单元用于驱动施肥器、排种器4旋转，进而完成施肥、排种工作。执行单元包括分别与控制单元输出端口相连接的第一驱动机构和第二驱动机构，其中，第一驱动机构与播种机中的排种器4动力连接，用于驱动排种器4中吸种盘的旋转；第二驱动机构与播种机中的施肥器动力连接，用于驱动施肥器中槽轮的旋转。

更具体的，第一驱动机构包括电连接的第一步进电机驱动器3和第一步进电机3，如图2所示，第一步进电机驱动器3与控制单元的输出端口相连接，第一步进电机3用于驱动排种器4中吸种盘的旋转。本实施例共设有四组第一驱动机构。

第二驱动机构包括底肥驱动机构和口肥驱动机构，与第一驱动机构相同，底肥驱动机构包括电连接的第二步进电机驱动器5和第二步进电机6，如图2所示，第二步进电机驱动器5与控制单元的输出端口相连接，第二步进电机6与播种机中的底肥施肥器7动力连接，用于驱动底肥施肥器7中槽轮的旋转；口肥施肥器10包括电连接的第三步进电机驱动器8和第三步进电机9，如图2所示，第三步进电机驱动器8与控制单元的接线端口相连接，第三步进电机9与播种机中的口肥施肥器10动力连接，用于驱动口肥施肥器10中槽轮的旋转。本实施例共设有四组口肥驱动机构和两组底肥驱动机构。

二、控制单元

控制单元用于接收监控单元的检测信号，并向执行单元下达执行命令。本实施例中，控制单元即为plc控制器1，包括排种控制模块、施肥控制模块和监控报警模块。其中，排种控制模块用于控制第一驱动机构中每个第一步进电机3的旋转角度，进而实现对播种机播种株距的精准控制；施肥控制模块用于控制第二驱动机构中每个第二步进电机6和每个第三步进电机9的旋转角度，进而实现对播种机每亩底肥施肥量和每亩口肥施肥量的精准控制；监控报警模块则用于接收处理监控单元的检测信号，对播种机是否发生故障实时监控。

需要重点说明的，排种控制模块和施肥控制模块均内置有自动控制程序和手动操作程序。自动控制程序用于控制第一驱动机构和第二驱动机构中各步进电机的旋转角度，对播种机的播种株距和每亩施肥量进行精准控制；手动操作程序用于控制任意一个第一驱动机构、任意一个口肥驱动机构和任意一个底肥驱动机构的启停，对播种机的播种行数和施肥行数进行控制。

其中，排种控制模块的自动控制程序包括依次交替运行的第一程序和第二程序，可以控制播种机实现单一播种株距和两种不同播种株距的播种方式。具体实施时：如采用单一播种株距进行播种，仅运行第一程序，并在程序内预设定播种株距的数值即可；如采用两种不同播种株距进行播种，依次交替运行第一程序和第二程序，并在第一程序和第二程序内各预设定一个播种株距的数值。

三、监控单元

监控单元用于对播种机的播种、施肥过程进行实时检测，并能将检测到的故障信号传送至控制单元。如图2所示，监控单元包括分别与plc控制器1输入端口相连接的编码器11、排种监控元件和施肥监控元件。其中，编码器11固设于播种机地轮的端部，与播种机地轮同轴转动，用于检测播种机地轮的旋转速度；排种监控元件设于播种机导种管上，用于检测播种机的播种情况是否正常；施肥监控元件设于播种机排肥管上，用于检测播种机的排肥情况是否正常。

为了适配大部分播种机的结构，本实施例中的施肥监控元件包括设于底肥施肥器7上的底肥监控探头和设于口肥施肥器10上的口肥监控探头。

为了避免地头停车，排肥、投种不停的现象，本实施例中在播种机驱动轮支臂上设有一光电开关14，光电开关14与plc控制器1接线端口相连接。光电开关14可以对播种机是否处理行进状态进行实时监测，当播种机停止行进时，光电开关14即阻断plc控制器1输送信号，可以避免机器振动而致使编码器11旋转，进而导致plc控制器1误启动的情况出现。

本实施例中，播种机电源13上还电连接有电压逆变器12，通过电压逆变器12可以将播种机电源13的12v电压转化为24v电压，来为以上元器件供电。播种机电源13和电压逆变器12之间还设置有一个空气开关15，用于控制整个系统的断、供电。

实施例2一种精确控制播种机施肥排种的方法

本实施例利用实施例1所述的播种机智能控制系统，包括按顺序依次进行的以下步骤：

步骤s1、预置参数

启动程序，并将基本参数和变量参数输入plc控制器1中。其中，变量参数为播种株距x和每亩施肥量y。

步骤s2、地轮速度实时测定

播种机行进过程中，编码器11对播种机地轮的转动速度进行实时测定，并将获取的数据传送至plc控制器1中。plc控制器1通过公式，将编码器11测定数值计算转化为plc控制器1内部数据。

其中：a为编码器细分，x为播种株距，v为播种机地轮的运动速度，t为播种机地轮的运动时间，△β为plc控制器1认定的编码器11输入数值。

步骤s3、排种作业控制

通过plc控制器1中排种控制模块的手动操作程序，对播种机的播种行数进行设定；然后，plc控制器1中排种控制模块的自动控制程序，进行内部数据计算，并将计算结构转化为脉冲信号传送至第一驱动机构中，通过第一驱动机构驱动排种器4进行排种作业。

plc控制器1中排种控制模块自动控制程序的内部数据计算过程如下：

（一）、先通过公式：，计算出株距换算常数；

其中，l为株距换算常数，a为编码器细分，x为播种株距，b为播种机地轮周长；

（二）、再通过公式：，计算出每个株距之间距离的细分；

其中，f为每个株距之间距离的细分，m为播种大齿轮齿数，n为播种小齿轮齿数，c为第一步进电机驱动器细分，d为排种器吸种盘孔数；

（三）、最后通过公式：，计算出第一步进电机3所需转动圈数；

其中，r为第一步进电机3所需转动圈数，f为每个株距之间距离的细分，△β为plc控制器1认定的编码器11输入数值，l为株距换算常数。

以上出现的参数：编码器细分：a，播种机地轮周长：b；播种大齿轮齿数：m；播种小齿轮齿数：n；第一步进电机驱动器细分：c；排种器吸种盘孔数：d；均为提前输入plc控制器1中的基本参数。

步骤s4、施肥作业控制

c1、底肥施肥量控制：通过plc控制器1中施肥控制模块的手动操作程序，对播种机的底肥施肥行数进行设定；然后，plc控制器1中施肥控制模块的自动控制程序，进行内部数据的计算，并将计算结果转化为脉冲信号传送至底肥驱动机构中，通过底肥驱动机构驱动底肥施肥器7进行施肥作业。

c2、口肥施肥量控制：通过plc控制器1中施肥控制模块的手动操作程序，对播种机的口肥施肥行数进行设定（具体设定时，口肥施肥行数一般与播种行数相同）；然后，plc控制器1中施肥控制模块的自动控制程序，进行内部数据的计算，并将计算结果转化为脉冲信号传送至口肥驱动机构中，通过口肥驱动机构驱动口肥施肥器10进行施肥作业。

需要说明的，plc控制器1中施肥控制模块自动控制程序的内部数据计算时所用到的公式与步骤s3中所用到的公式相同，实际计算时，仅将相应参数进行替换即可，故此处不再赘述。

此处对播种机结构组成进行简单说明：沿播种机行进方向，依次设有底肥施肥机构、排种机构和口肥施肥机构。故步骤s3和步骤s4同步进行，控制过程不分前后，播种机在行进过程中，会依次进行底肥施肥作业、排种作业和口肥施肥作业的操作。

步骤s5、

播种机排种作业过程中，排种监控元件对导种管进行实时监控，检测到故障后，便会将故障信号传送至plc控制器1中，plc控制器1中断排种控制模块和施肥控制模块的运行程序，经监控报警模块对故障信号进行分析处理后，通过显示屏将故障发生点精确提示给驾驶员；

播种机施肥作业过程中，施肥监控元件对施肥管进行实时监控，检测到故障后，便会将故障信号传送至plc控制器1中，plc控制器1中断排种控制模块和施肥控制模块的运行程序，经监控报警模块对故障信号进行分析处理后，通过显示屏将故障发生点精确提示给驾驶员。

以上步骤进行时，光电开关14对播种机是否处于行进状态进行实时监测，播种机停止行进时，光电开关14即将阻断信号传送至plc控制器1中，plc控制器1中断运行程序。

实施例3一种精确控制播种机单一播种株距的方法

本实施例主要叙述排种控制模块自动控制程序中第一程序和第二程序的控制方法，而施肥控制模块和监控报警模块所涉及到的控制方法则与实施例2相同，故此不再赘述。以下结合具体播种株距进行说明：

启动排种控制模块中自动控制程序的第一程序，并在第一程序中设定播种株距为250mm，播种次数为0；此时第二程序中的播种株距和播种次数均不进行设定；然后第一程序进行内部数据的计算，得出第一步进电机3所需转动圈数；最后将结果转化为脉冲信号传送至第一步进电机驱动器3中，控制第一步进电机3驱动排种器4进行排种作业。

实施例4一种精确控制播种机不同播种株距的方法

本实施例主要叙述排种控制模块自动控制程序中第一程序和第二程序的控制方法，而施肥控制模块和监控报警模块所涉及到的控制方法则与实施例2基本相同，故此不再赘述。以下结合具体播种株距进行说明：

启动排种控制模块中自动控制程序的第一程序和第二程序，并在第一程序中设定播种株距为250mm，播种次数为3；在第二程序中设定播种柱距为600，次数为2。

首先第一程序运行，进行内部数据计算后，得出第一步进电机3所需转动圈数，然后将结果转化为脉冲信号传送至第一步进电机驱动器3中，控制第一步进电机3驱动排种器4进行排种作业；

然后第二程序运行，进行内部数据计算后，得出第一步进电机3所需转动圈数，然后将结果转化为脉冲信号传送至第一步进电机驱动器3中，控制第一步进电机3驱动排种器4进行排种作业；

第一程序和第二程序依次交替运行，实际播种所产生的株距排列为：250-250-250-600-600-250-250-250-600-600。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。