摘要
为实时监测施肥量以提高施肥精度，设计了一种可对肥箱剩余肥量实时监测的铰链杠杆式肥箱排肥量监测系统。该监测系统由称质量、多路排肥量监测两部分组成。其中，称质量部分主要由铰链杠杆机架、平行梁称质量传感器等组成，以平行梁称质量传感器为工作元件，承载并测量安装在铰链杠杆机构上方的肥箱以及肥箱内实时肥料质量。多路排肥量监测部分由控制器、排肥量监测、数据通讯、监视器等模块组成，负责收集各称质量传感器获取的排肥量信号，并将其处理后传输至监视器交互界面便于对施肥系统作业参数实时查看、配置。田间试验结果表明，该排肥量监测系统可对各肥箱排肥量独立、同步实时测量，其监测相对误差最大为4.79%，最小为3.55%。
施肥是水稻生产中的重要环节，直接影响水稻产
设计的排肥量监测系统搭建在自主设计的水稻直播同步侧深施肥机上（
图1 水稻直播同步侧深施肥机结构简图
Fig.1 Structure diagram of synchronous side deep fertilizer applicator for rice direct seeding
1.洋马VP6D型插秧机Yanmar VP6D rice transplanter；2.汽油涡轮风机Gasoline turbine fan；3.气流管路Air piping；4.肥箱Fertilizer box；5.螺旋排肥器Spiral fertilizer discharger；6.驱动电机Drive motor；7.肥管Fertilizer tube；8.排肥支架Fertilizer drainage bracket；9.负压总管路Negative pressure main piping；10.开蓄水沟器Open water storage trencher；11.开沟系统支架Trenching system holder；12.双腔气力式水稻精量排种器Double chamber pneumatic rice precision seed device；13.施肥开沟器Fertilizer trencher；14.种沟开沟器Seed furrow opener；15.排肥控制系统Fertilizer discharge control system；16.逆变器Inverter；17.蓄电池Battery.
直播同步侧深施肥机排肥量监控系统组成及原理如
图2 施肥机排肥量监控系统组成及工作原理
Fig.2 Composition and working principle of fertilizer discharge monitoring system
图3 通讯方案框图
Fig.3 Block diagram of communication
平行梁称质量传感器由弹性体、测量桥路、电阻应变片等组成，可将力引起的变形转化成电信号并经过测量电路处理转换后得到所称质量物体实际质
| （1） |
图4 铰链杠杆式称质量装置工作原理
Fig.4 Working principle diagram of hinge lever weighing device
1.称质量传感器Weighing sensors；2.上安装板Upper mounting plate；3.垫板Pads；4.下安装板Lower mounting plate；5. 排肥漏斗Fertilizer funnel；6. 肥料Fertilizer；7. 排肥箱Fertilizer box；8.铰链Hinge.m1为排肥箱质量，m2为肥箱内肥料质量，α为称质量传感器受力作用点A与回转中心O连线相对于水平面夹角，γ为排肥箱安装面相对于水平面夹角。m1 is the mass of the fertilizer box， m2 is the mass of fertilizer in the fertilizer box，α is the angle which is between line OA and the horizontal plane， A is the force action point on weighing sensor and O is the rotary center， γ is the angle between the installation plane of the fertilizer box and the horizontal plane.
由结构设计可知，排肥箱安装面相对于水平面夹角γ大小保持不变，有：
| （2） |
通过
所设计的铰链杠杆式称质量装置三维结构如
图5 铰链杠杆式称质量装置
Fig.5 Hinge lever weighing device
1.铰链Hinges；2.排肥箱漏斗Fertilizer drainage funnel；3.上安装板Upper mounting plate；4.下安装板Lower mounting plate；5. 垫板Pads；6.称质量传感器Weighing sensors.
| 传感器技术参数Sensor technical parameters | 量值 Value |
|---|---|
| 综合误差/（%F.S） Comprehensive error | 0.05 |
| 灵敏度/（mV/V） Sensitivity | 1.0±0.1 |
| 非线性/（%F.S） Nonlinear | 0.05 |
| 重复性/（%F.S） Repetitive | 0.05 |
| 滞后/（%F.S） Hysteresis | 0.05 |
| 蠕变/（%F.S/3 min） Creep property | 0.05 |
| 零点漂移/（%F.S/min） Zero drift | 0.05 |
| 零点温度漂移/（%F.S/10 ℃） Zero temperature drift | 0.2 |
| 额定输出温度漂移/（%F.S/10 ℃） Rated output temperature drift | ≤0.15 |
| 零点输出/（mV/V） Zero output | ±0.1 |
| 输入电阻/Ω Input resistance | 1 000±50 |
| 输出电阻/Ω Output resistance | 1 000±50 |
| 绝缘电阻/MΩ Dielectric resistance | ≥2 000（100 VDC） |
| 推荐激励电压/V Recommended excitation voltage | 3~12 |
| 工作温度范围/℃ Operating temperature range | -10~+50 |
| 过载能力/（%F.S） Overload capacity | 150 |
注Note：（%F.S）为满量程的百分比。 （%F.S） is the percentage of full scale.
施肥机排肥量监测装置包括控制器、排肥量监测、数据通讯、监视器等模块。各模块组成和功能为：（1）控制器。采用单片机为控制核心，对传感器输出数据进行处理，并由无线传输模块发送给监视器。（2）排肥量监测模块。负责读取称质量传感器获取到的数据，经AD转换模块之后通过串口通讯方式将数据信息传输给控制器。（3）数据通讯模块。负责将控制器内的数据通过无线通讯方式发送给监视器。（4）监视器模块。实时显示机具的作业状态，便于机手对系统作业参数实时查看、配置。
主要硬件选型为：控制器选用ST公司生产的STM32F103ZET6型32位单片机。AD转换模块型号为HX711，其不仅能实现AB双通道数据采集，在数据传输方面还具有主动发送和被动发送功能，稳定性较高，成本低。为提高监测系统的数据传输稳定性，保证安装于机具尾部的传感器数据能快速稳定的传输给监视器，选用EBYTE公司生产的UART无线串口模块E34-2G4D20D，该模块具有传输速率高、不限波长、支持大数据传输的特点。
为实现施肥系统多通道排肥量变化的显示、施肥机作业参数以及排肥量监测系统控制，选用淘晶驰X5-7寸串口电容触摸组态液晶显示屏。该显示屏采用串口通讯、页面和控件特效丰富、支持多点触控，结构简单，扩展功能强大，且其硬件电路简单、显示方向可以任意设置、价格低，性价比高。
为方便作业机手或田边人员随时查看作业状态，开发了基于串口显示屏的监视器界面程序以及人机交互界面，可显示直播施肥机作业时动力底盘行驶速度、排肥轴转速、作业面积等。监测系统的硬件主要由显示器、无线通讯模块、电源等组成，设计完成后的显示界面如
图6 监视器显示界面
Fig.6 Monitor display interface
监视数据传输方式工作过程为：由可调压稳压模块将聚合物锂电池输出的7.4 V电压调至5.0 V，并稳定输出给监视器和无线传输模块供电。串口屏通电后进入开机显示界面，点击用户登录即可进入参数显示界面，可观察到各通道及肥箱排肥情况以及作业机具各项变化参数。各通道传感器获得数据通过有线传输给控制器，控制器所获得各项数据通过串口端发送给E34-2G4D20D双向无线传输串口模块，无线传输模块将数据发送给串口屏实时显示，实现对作业参数的动态观察。
对平行梁称质量传感器进行了精度校验。校验前，采用Arduino平台设计了20 kg电子秤段码液晶显示程序，以方便显示传感器称质量测量数值，辅助进行精度检验。硬件包含Arduino UNO R3主板、平行梁称质量传感器、HX711 AD转换模块和8位数码管。称质量前采用精度0.01 g、量程0~30 kg天平称量好每份质量均为1 000 g的“肥料砝码”10份，测试时每隔5 s向排肥箱内加入1份“肥料砝码”，随后依次取出，待显示屏内示数显示稳定后读取并记录。试验重复5次，对获得数据进行回归分析。结果如
图7 平衡梁传感器精度校验结果
Fig.7 Verification results
以水稻直播同步侧深施肥机为试验台架，综合考虑监测系统的应用场景，将标定试验分为静态标定和动态标定2种情况，检验监测系统在不同工况下的测试性能。标定试验及各施肥通道编号情况如
图8 监测系统标定试验现场
Fig.8 Monitoring system calibration test site
| 名称 | 静态回归方程 Static regression equation | 动态回归方程 Dynamic regression equation | ||
|---|---|---|---|---|
| 传感器1 No.1 | y=0.4956x | 0.999 7 | y=0.5106x | 0.999 8 |
| 传感器2 No.2 | y=0.5090x | 0.999 9 | y=0.4986x | 0.999 9 |
| 传感器3 No.3 | y=0.5132x | 0.999 9 | y=0.4977x | 0.999 9 |
| 传感器4 No.4 | y=0.5176x | 0.999 8 | y=0.4985x | 1 |
| 传感器5 No.5 | y=0.4955x | 0.999 9 | y=0.4979x | 1 |
机具田间实际作业前进时会产生振动，为此以水泥平地为试验场地，根据NY/T 1003—2006 《施肥机械质量评价技术规范》相关要求，模拟实际作业情况，开展了动态性能试验。试验过程中用油门控制直播机前进速度，每行驶15 m记录1次各通道实际排肥量和监视器显示数值，重复3次。结果显示，各通道平均相对误差最大为4.75%，最小为3.13%，通道之间差值仅为1.42%，满足作业需求。
试验地点为湖北省洪湖市四屋门村春露合作社种植基地。试验小区面积为217
图9 监测系统田间试验现场
Fig.9 Field test site of monitoring system
| 编号No. | Mc/g | Mz/g | δ1/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 19 932 | 20 721 | 3.81 |
| 2 | 19 865 | 20 596 | 3.55 |
| 3 | 20 012 | 21 018 | 4.79 |
注Note：Mc：监测系统监测剩余总肥量Monitoring system monitors residual total fertilizer；Mz：实际测量剩余总肥量Actual measurement of residual fertilizer；δ1：监测系统相对误差Relative error of monitoring system.
| （3） |
由
近年来，农业生产对环境的影响日益受到关注，对施肥的精量化要求不断提高，多种先进施肥量监测装置不断被开发出来。如金敏
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