摘要:针对牧草种子丸化设备存在自动化程度较低、丸化包衣品质较差等问题，设计了牧草种子丸化包衣预混合实时控制系统，可有效提高丸化包衣品质。该系统以单片机作为控制核心，集编程、传感器等技术于一体，可根据给定种子量实时配比粉料量和药液量，并同时在混料室内充分混合，实现了实时精确控制功能。以牧草种子丸化包衣为例，将预混合系统安装前后进行了对照试验，当包衣时间同为20min时，安装了预混合系统，其单籽率与丸化包衣合格率分别为92%、95%;而未安装预混合系统，其单籽率与丸化包衣合格率分别为83%、90%。试验结果表明:在粉料与药液进入包衣锅前进行预混合，可有效降低多籽率，提高单籽率和丸化包衣合格率。研究结果可为小粒牧草种子丸化包衣提供参考依据。
关键词:丸化包衣;预混合;自动控制;单片机
0引言
种子丸化包衣可以提高种子质量，促进种子萌发和植株生长，改善种子的播种性能，有利于实现机械化精量播种。针对我国北方干旱半干旱地区退化草原生态建设问题，对牧草种子进行丸化包衣处理，将有助于加速退化草原的植被恢复与重建。因此，研发牧草种子丸化包衣设备，提高其自动化程度，对于改善草原生态环境具有十分重要的意义[1-2]。
近年来，我国科技人员加快了种子丸化包衣设备的研发进度，胡良龙等人在比较、借鉴国外先进的种子包衣技术及控制技术的基础上，自主创新研究开发了5BY型种子包衣设备[3-4]。彭宝良等人系统地优化了不同形状种子的丸化加工工艺，研发了5WH-160型种子丸化包衣设备[5-6]。孙正等人设计的番茄种子包衣烘干系统，提升了设备的自动化水平，初步解决了番茄种子包衣丸化的难题[7]。虽然通过不断地改进，我国种子丸化包衣技术水平取得到了显著提升，但仍存在一些问题[8-9]。
例如，小粒不规则种子丸化包衣设备很少，且自动化程度较低，不同品种种子丸化工艺参数不确定，丸化包衣多籽率高，单籽率与包衣合格率低等，这些都会导致丸化包衣作业质量难以提高[10]。针对上述问题，设计了牧草种子丸粒化包衣预混合实时控制系统，以单片机为控制核心，并结合变频器、步进电机和各种传感器技术，实现了整个装置的实时精确控制。经过预混合后的牧草种子表面可均匀地包裹上种衣剂，在包衣锅内丸粒化包衣时不易与锅壁粘结，可有效降低多籽率，提高单籽率及丸粒化合格率。
1总体结构与工作原理
1.1总体结构
牧草种子丸化包衣预混合系统主要包括种子定量供给装置、药液定量供给装置、粉料定量供给装置、种子与药液和粉料实时混配装置及其控制系统。
1.2工作原理
试验时，种子由风送装置从储料桶送至料斗内，通过调节锥形阀门启闭控制下料量;上料位传感器和下料位传感器实时监测料斗内物料情况，称重传感器采集称重盘内种子质量信息。当种子下落到称重盘的同时拨盘电机带动拨盘转动使种子下落到种、液混合室内;分流板的作用是分散种子，使其均匀地下落到药液混合室内。
高压泵将药液送到喷头进行雾化，在种子下落过程中与雾化的药液进行接触，使药液在种子表面成膜，待成膜的种子下落到种、粉混合室内，粉料经星型喂料器送至喷头开始进行喷粉，成膜的种子与药粉充分混合，随后下落到与之相连的包衣锅内。混料室和粉液管道之间各连有控制阀门和高压喷头，使粉液以雾化的形式存在于混料室中，更利于种子和药液及药粉充分混合，提前让种子在混料室内预混合，可以防止其在包衣锅内粘结而增加丸化多籽率。
2控制系统设计
牧草种子丸化包衣预混合实时控制系统主要由系统硬件和软件两部分组成。
2.1系统硬件设计
该硬件部分主要由单片机、传感器组和驱动模块等组成。核心控制器选用STC12C5A60S2单片机，其速度比传统8051单片机快8～12倍;工作电压为3.5～5.5V;单片机内部集成MAX810专用复位电路;支持ISP和PWM;自带2路UART和8路高速10位A/D转换(250K/S)。其还具有过热关机锁存、过压保护锁定及欠压关闭等功能。选择单片机作为控制核心既可保证快精准的运算，又可以针对强干扰场合的电机进行控制，且其引脚资源丰富有利于外设控制和数据读取[11]。
2.1.1传感器模块
传感器模块包含上、下料位传感器模块、称重传感器模块和流量监测模块。料斗内有种子时，上料位传感器发出信号，拨盘转动下料，延时数秒开始供液，继续延时数秒开始供粉;料斗内无种子时，下料位传感器发出信号，风机、步进电机等各部件依次停止工作。上、下料位传感器采用LJC18A3-B-Z/BX型电容式接近开关，其工作电压为DC6～36V，检测距离1～10mm可调。
液流检测计的作用是实时检测流体管道中药液的情况。选用CYG3002型高精度压力控制开关，准确度为0.5级，过载压力为两倍满量程，温度漂移≤±0.5%FS/℃，稳定性最大不超过±0.2%FS/年。其具有体积小、稳定性高和灵敏度高等特点。由于牧草种子很轻，为了保证供种的精确性，选择量程为0～1kg、精度0.01g的高精度双孔悬臂应变式称重传感器，其综合误差<0.05%F.S，灵敏度为0.8±0.1mV/V，激励电压5～10V，过载能力达到150%F.S。
其具有精度高、易加工、结构简单紧凑及抗偏载能力强等特点;但由于传感器输出信号的电压幅度非常小，且易受外部噪声干扰，所以选用A/D转换器HX711对称重传感器输出信号进行调理[12]。电容C1、C2和HT7350组成的稳压电路，将电源电压稳定到5V，为信号调理电路提供标准恒定的工作电源，P2.0口和P2.1口分别连接IIC时钟和数据控制端口。
2.1.2驱动模块
驱动模块主要包含步进电机驱动模块、变频器驱动模块和控制阀驱动模块。预混合过程中，粉料供给由星型喂料器内步进电机带动拨料盘转动，通过风机将粉料送至出风口，再经粉料管道传送至混料室内。由于步进电机每次转动角度固定，粉料总质量一定，所以每次下落的粉料质量一定，可通过利用步进电机驱动蜗轮蜗杆从而带动包衣锅在水平面内旋转，完成任意角度设定的任务。经多次试验后，最终确定每转动一步下落的粉料量。
步进电机采用两相四线步进电机，驱动器选用升级版TB6600步进电机驱动器。试验选用的步进电机固有步距角为1.8°，驱动器最高可实现32细分，在32细分下步距角为0.05625°，可精确调节拨料盘转动角度。
其中，P1.0口控制使能信号，P1.1口控制方向信号，P1.2口控制脉冲信号，分别通过EN-、DIR-和PUL-接入。驱动器采用共阳极接线方法，将EN+、DIR+和PUL+连接到控制系统的+5V电源，通过中断延时程序改变输出脉冲，输出的脉冲经驱动器驱动步进电机的各项绕组，从而驱动步进电机的运行，步进电机随着不同的脉冲信号执行相应的动作。药液供给由电机带动计量泵从贮药桶精确取液，再经流体管道送至混料室。
工作原理:通过改变电机的转速使泵的输出流量发生变化，从而达到通过改变流体泵源的排量来调节回路中的流量、进行容积式控制的效果。在此回路中，泵输出的流体直接进入执行元件，没有溢流和节流损失，具有效率高、发热少等特点[13]。
选用型号为VFD015M21A-A型变频器，采用多重防护技术能显著提高整机的抗干扰能力。其输出频率最高达到400Hz，载波频率可达15kHz，内置PID回授控制，并具有自动滑差补偿功能，可通过变频器调节电机转速，有效控制取液量。
2.2系统软件设计
牧草种子丸化包衣预混合控制系统的软件设计主要包括主程序模块、传感器采集模块、步进电机驱动模块、变频器控制模块，以及串行通讯模块几大部分。采用C语言对软件程序进行编写，并使用编码器Keil-μVision5将写好的程序编译为机器码。
在系统自动工作过程中，主程序首先完成硬件及各传感器的初始化工作，延时一段时间后，启动风机进行供种;当上料位传感器发出信号时步进电机带动拨片转动，当称重传感器采集的信息显示达到预设所需质量时，进行供粉、供液等一系列操作，直到完成整个预混合过程。
3结论
1)设计牧草种子丸化包衣预混合装置，并以STC12C5160S2单片机为控制核心，实现了整个预混合装置的自动控制功能。
2)对牧草种子是否进行预混合过程进行对照试验，结果表明:当整个丸化包衣时间相同时，经过预混合的牧草种子丸化包衣单籽率为92%，合格率为95%;未经过预混合的牧草种子丸化包衣单籽率仅为83%，合格率为90%。因此，加入预混合装置并实现自动控制，可以提高牧草种子丸化包衣合格率与单籽率。
参考文献:
[1]仇义，陈智，侯占峰，等.振动力场提高牧草种子丸化包衣效果数值模拟与试验[J].农业工程学报，2017，33(19):86-93.
[2]王海鸥，胡志超，田立佳，等.种子丸化技术及其研究与应用概况[J].现代农业装备，2006(10):48-50.
[3]胡良龙.种子包衣机PLC控制系统的设计与实现[D].南京:南京理工大学，2009.
[4]王丽维.基于单片机控制的种子包衣控制系统的设计[D].兰州:甘肃农业大学，2009.
[5]彭宝良.种子丸化设备设计与试验研究[D].南京:南京林业大学，2012.
[6]谢焕雄，宋英，彭宝良，等.基于PLC的种子丸化设备自动控制系统设计与实现[J].中国农机化，2012(3):125-128.
相关农业刊物推荐：《现代农业》(月刊)创刊于1976年，由内蒙古自治区农牧业科学院主办。始终宣传党的方针政策,传播农业科学知识,为农业、农民服务是其一贯的办刊宗旨。本刊主要报道国内外的农业新技术、新成果,介绍实用技术,刊载专家学者对疑难问题的解答,传递市场信息,为广大农牧民脱贫致富达小康服务。
