单穗玉米水分、质量连续测量及封装系统设计

张　晗，孙江宏，王　成，宋　鹏，陈子龙，赵　勇

(1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京　100192；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京　100097)



单穗玉米水分、质量连续测量及封装系统设计

张晗1,2，孙江宏1，王成2，宋鹏2，陈子龙2，赵勇2

(1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京100192；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京100097)

摘要：设计了基于电容式水分测量装置的考种设备，可以自动连续测量单穗玉米籽粒的水分、质量的数据，并对测量完的整穗玉米籽粒进行封装喷码。整机由斗式送料机构、电容式水分测量仪、翻转模块、封装机及控制部分组成。根据整机的工作原理，采用带传动和料斗组合实现籽粒的输送，LDS-1G型电容式水分测量装置来获取籽粒水分、质量参数；配备自动封装的模块，利用SIEMENS LOGO!逻辑控制器来实现各个环节的控制，配合籽粒参数的测量。针对玉米籽粒试验验证表明：其最大测量速度为12s/穗，处理最大通量可达7 200穗/天。

关键词：玉米；自动考种;高通量测量;含水量;自动封装

0引言

在玉米遗传育种过程中，获取玉米种子籽粒的相关性状是一个重要环节。为了获得玉米单穗籽粒个数、穗长、粒长、粒宽、水分、千粒质量等表型参数，需要投入大量的人力和物力。因此，研发考种系统来替代或部分替代人来进行种子性状参数获取，具有重要的意义。当前的自动化考种设备主要针对种子粒数获取、种子形态及质量测量[1-3]，在获取籽粒含水量参数的方面缺少参数自动化获取的系统。目前，在种子水分测量方面有一些测量设备，测量方式主要分为直接法和间接法两类：直接法主要有烘干、蒸馏等方法，可以较为准确地反映种子的水分，但程序复杂、测量时间长。快速测量的仪器多采用间接法，主要包括电阻式[4]、电容式[5]及红外式测量[6]等。其中，电容式获取参数快速稳定不需要对籽粒预处理，为自动化连续测量提供了可行性。本文利用电容式水分测量作为种子的测量模块，增加自动控制和封装后处理等内容，设计一种快速、自动化程度高的种子水分、质量连续测量封装系统。

1总体设计方案

1.1技术要求

设计一定结构实现玉米单穗种子的水分、质量的连续测量并封装单穗全部籽粒的处理过程，利用电容式水分测量技术对种子进行水分测量；使用逻辑控制器自动控制整个系统从送料到籽粒水分测量、质量测量及封装的自动运行。课题研发设备主要针对玉米的单穗籽粒进行水分及质量测量。样机试验对象选用经不同程度晒干处理的玉米进行脱粒所得籽粒，成熟期玉米含水量变化范围在15%～42%之间[7]。

1.2整机结构及工作原理

整机主要由斗式送料机构、电容式水分测量仪、翻转模块、封装机及控制部分组成，具体结构如图1所示。

1.送料带　2.料斗　3.光电开关

工作原理为：玉米籽粒经过考种系统的前处理环节后，进入斗式送料机构的料斗中。送料机构由宽度为25cm的PVC传动带和3个梯台型料斗组合构成。当传送到端部的料斗位于卸料位置时，后面的料斗位于进料位置进行上料。卸料后的玉米籽粒经漏斗进入水分测量仪器当中，由光电传感器延时触发，控制水分、质量数据采集，采集数据保存到计算机当中。数据采集完毕，电机带动测量模块翻转110°左右，将籽粒倾倒入封装机构进行封装贴码，同时测量模块复位触发下一轮的送料测量。

控制部分主要由光电传感器、电感感应开关、西门子LOGO! 12/24RC逻辑控制器、交流电机速度控制器、门电路和开关电源组成。动力部分由两个1.1kW交流电机提供。

2关键部件原理设计及介绍

2.1送料输送结构设计分析

根据整机工作原理及完成动作要求，送料带送料高度包括籽粒封装初始高度0.6m、水分测量模块旋转空间0.4m及送料后玉米籽粒下落经收集漏斗进入测量模块的高度0.3m。整个送料带所应送料高度在1.3m，前处理后种子进料位置高度在1.3m以上，送料料斗的容积应保证容纳750mL以上玉米籽粒。

设计相应的收集漏斗避免卸料过程中的籽粒遗失，通过建立籽粒抛射模型来确定收集料斗的位置。收集漏斗安装要保证在送料料斗运动轨迹以外(图2中虚线位置)，保证不发生运动干涉，同时安装位置要保证籽粒全部落入料斗内，需要计算收集漏斗的大小和安装位置。如图2所示，料斗斜面顶点O点为原点，带送料方向为y轴建立直角坐标系进行计算。当料斗停止运动时，玉米籽粒仍以原来的速度抛射而出，进行卸料，速度在0.08～0.24m/s之间。

图2　送料卸料示意图

料斗运动扫过的虚线包含的区域，在区域以外进行安装，即可保证收集漏斗安装位置不与料斗运动发生干涉。通过建立的坐标轴，列出公式为

(1)

vt=L

(2)

vmax=0.24m/s，vmin=0.08m/s。由式(1)、式(2)式可得：L=1.35～4.05mm。

为保证完全收集玉米籽粒，收集漏斗的直径应大于2(Lmax-Lmin)，安装位置应保证籽粒所有落点都在收集漏斗内。

2.2水分、质量测量模块

水分、质量测量装置使用LDS-1G 型电容式水分测量装置，带有RS-232通讯串口传送测量数据。玉米籽粒由送料机构进入水分测量装置后，籽粒质量大于阈值后触发测量，测量时间在2s左右。测量的水分、质量数据直接写入计算机中保存，每组数据对应一组编码，在最后封装完成后贴码码；籽粒进入测量装置后延时5s，进行翻转卸料；玉米籽粒进入封装模块封装贴码。

在水分测量模块翻转机构上安装有2个电感接近开关接收模块翻转到位的信号。在模块上固定感应金属，通过金属与电感接近开关靠近来触发翻转和复位的信号。

在水分测量过程中，不同作物籽粒作为介质对电容测量产生的影响不同，影响测量的精度。针对实验对象玉米籽粒使用(105±2℃)电烘箱恒重法测量(标准法)籽粒标准含水量数据[8]，生成新的校核曲线，对测量结果进行校核。

选择鲜实的玉米经不同程度晾干后，获得玉米籽粒，使用LDS-1G 型电容式水分测量装置和(105±2℃)电烘箱恒重法分别进行测量，针对60组玉米进行实验，结果如图3所示。

图3　105±2℃电烘箱恒重法测量法对LDS-1G型电容式水分测量校核

由实验得到校核方程y=1.126x-5.418，相关系数R2=0.987。电容是水分测量仪与(105±2℃)电烘箱恒重法测量所得数据相关性较高，经校核后可准确地表示籽粒水分含量。

2.3封装模块工作原理

封装模块使用复合PE/PET薄膜作为封装材料，经过加热电阻热封后形成封装袋进行封装，如图4所示。

图4　封装工作示意图

玉米籽粒测量完毕后，卸料进入收集漏斗中，沿漏斗进入下方的封装袋中；籽粒进入封装袋底部后，由加热的刀片进行切割封口；封装袋切割后，转轮转动带动剩余封装袋进入封装位置。

2.4系统控制时序

2.4.1系统工作流程

系统工作前，操作者应对水分测量仪进行复位，保证其水平测量位置；系统上电之后，首先通过LOGO!人机界面启动程序，系统检测测量仪是否处在水平位置，确认成功后系统开始运行，进行循环的上料、测量、封装的过程。其工作流程如图5所示。

2.4.2控制系统硬件与软件设计

系统选用8点输入和4点输出SIEMENS LOGO! 12/24RC作为控制系统，硬件电路如图6所示。

该系统中共使用了4个I输入信号端和4个Q输出信号端。图6中输入点：SA为紧急制动信号，SB1为光电传感器触发信号，用于料斗抵达卸料位置时触发信号停止传送带；SB2为1号电感应开关触发信号，用于判断水分测量仪处在水平位置；SB3为1号电感应开关触发信号为水分测量模块的翻转限位信号。输出点：YV1～YV3用于给电机控制器信号，分别对应送料电机启动和水分测量模块电机的正转与翻转，YV4控制封装模块启动封装。

该控制系统软件编制采用LOGO! Soft Comfort V7.0 编程软件。系统程序由特殊功能块构成，可以和梯形图相互转化。系统的功能块图如图7所示。

图5　系统工作流程

图6　LOGO!控制系统输入/输出接线图

图7　功能块图

启动系统通过人机界面运行系统控制程序。

1)启动运行。给I4开关上电，控制端口启动。

2)上料检测。系统在上料运行前会检测水分测量仪是否处在水平位，如1号电感应开关(I2)处在触发状态则传送带运行上料，否则要对水分测量仪复位至水平位置。

3)进料测量。传送带料斗运行的卸料位置，触发光电开关，玉米籽粒由重力作用进入水分测量仪，同时向下一个料斗内倒入待检测玉米。电脑记录此时水分测量仪的水分和质量读数。

4)测量卸料。进料测量开始后5s系统完成单穗玉米水分、质量的测量。翻转模块带动水分测量仪翻转卸料，翻转110°左右触发2号电感应开关，翻转停止。水分测量仪中的籽粒进入封装系统中。

5)封装复位。水分测量仪卸料2s后触发封装，封装系统对该批籽粒进行封装碰码。同时，水分测量仪复位至水平位置触发1号电感应开关，完成一次测量，进入下一次测量循环。

3样机试验及性能分析

样机设计完成后，针对玉米籽粒，并由人工辅助倒入送料斗，进行连续测量获取水分数据，观察过程中有无籽粒的丢失、并统计系统运转速率和时间。

启动系统，在水分测量的过程中连续上料，保证系统的循环，在实验过程系统籽粒无丢失，水分、质量测量仪获取的数据与籽粒使用烘干法获得数据相关性R2在0.98以上。处理1组玉米籽粒平均时间在12s左右，24h的处理通量可以达到7 200穗。

4结论

结合遗传育种对高通量自动考种系统的需求，完成了水分、质量及封装机构的设计和研制，确定该环节的结构和控制，能够实现玉米籽粒的高通量水分、质量快速连续测量。该机构的控制器可以实现与PLC的通讯，方便与其他考种模块的连接，为以后全自动考种系统提供一个可连接的后处理模块。其可以替代人工对种子籽粒的水分和质量的测量，配合其他的数据可以得出千粒质量、容重等表型参数，节约了遗传育种中种子参数获取中投入的人力，同时提高了效率。

参考文献：

[1]胡传祚，王遗宝，郁美娣,等.智能化稻麦考种自动测试仪[J].农业工程学报，1991(12): 40-47.

[2]宋鹏，张俊雄，荀一,等.玉米种子自动精选系统开发[J].农业工程学报，2010，26( 9) : 124-126.

[3]谢玉超，卢博友，王广超.一种小麦种子自动称重装置的称重模块设计[J].农机化研究，2012,34(5):124-127.

[4]张永林，王旺平，郑长征,等.谷物干燥实时在线智能水分测量系统[J].农业工程学报，2007(9):127-140.

[5]李庆中，高玉根，张道林,等.谷物含水率在线测试系统的研究[J].农业机械学报，1995，26( 3):80-84.

[6]张慧，乙小娟，周璐,等.用红外水分测定仪快速测定食品中的水分[J].食品科学，2006，27( 6):174-176.

[7]姜艳喜，王振华，金益,等.玉米收获期含水量相关性状的遗传及育种策略[J].玉米科学，2004, 12(1):21-25.

[8]丁元明，张学东，王雪.粮食水分测量技术概况[J].分析仪器，1997(2):5-9.

Continuously Measuring and Packaging System Design for Single Spike of Corn Grain on Moisture and Weight

Zhang Han1,2， Sun Jianghong1， Wang Cheng2，Song Peng2， Chen Zilong2， Zhao Yong2

(1.School of Electromechanical Engineering， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097,China)

Abstract：Design seed testing equipment based on capacitive moisture measuring device, can be continuous automatic measuring data of corn seed moisture, weight, and the measurement of Seed packaging printing. System consists of bucket elevator mechanism, capacitive moisture meter, flip module, packaging machines and control components. According to the working principle of the machine with belt transmission and hopper implements the grain transportation,LED-1G type capacitive moisture measuring device for grain moisture, weight parameters, equipped with automatic packaging module, using the SIEMENS LOGO! logic controller to realize the control of each link and the grain parameters measurement. For maize seed test verification maximum measuring speed is 12 seconds for each per ear, day to handle the maximum throughput of up to 7200 spike.

Key words：corn; automatic seed testing; high flux measurement; water content; automatic packaging

文章编号：1003-188X(2016)06-0181-04

中图分类号：S237；TH137

文献标识码：A

作者简介：张晗(1991-),男，安徽淮北人，硕士研究生，(E-mail) zhangfan67@126.com。通讯作者：孙江宏(1968-)，男，北京人，教授，硕士生导师，(E-mail) sunjh99@bistu.edu.cn。

基金项目：北京市科技计划项目(D151100004215002)

收稿日期：2015-05-18