無盲區(qū)三七精密播種機漏播檢測裝置設(shè)計與試驗

張 冰，袁忠文，譙 睿，張?zhí)祉?，?銘，徐偉城，楊文彩

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，昆明 650201)

0 引言

槽式育苗是云南三七育苗的主要模式之一，與之模式配套的三七播種農(nóng)藝要求較高，要求單穴單粒播種，播種行距、株距均要求為50mm，播種深度為10mm，播種質(zhì)量要求高。由于三七種子的三軸尺寸主要分布在4～8mm之間，播種時存在漏播、重播、堵塞等現(xiàn)象，影響播種質(zhì)量，因此設(shè)計配套的漏播檢測系統(tǒng)對提高三七播種質(zhì)量具有重要意義。播種時三七種子粒徑范圍大，要求檢測裝置具有較高的精度與靈敏度，現(xiàn)有的漏播檢測裝置在設(shè)計紅外傳感器時大多采用對射式相對布置且紅外接收管需在半強度角之內(nèi)[1-2]，使得在設(shè)計傳感器時需要考慮傳感器相互位置并存在一定的的盲區(qū)[3]，影響漏播檢測的準(zhǔn)確性；而控制系統(tǒng)的設(shè)計有基于單片機的工控檢測系統(tǒng)[4-5]、基于PLC的工控檢測系統(tǒng)[6-7]、基于虛擬儀器技術(shù)的工控檢測系統(tǒng)[8-10]及基于圖像處理技術(shù)的工控檢測系統(tǒng)等[11-12]，由于三七的農(nóng)藝要求，目前的漏播檢測系統(tǒng)均不適合于大棚內(nèi)的三七漏播檢測。因此，有必要設(shè)計一種新型的漏播檢測裝置以適用于大棚內(nèi)的三七精密播種。

本文針對紅外傳感器存在盲區(qū)的問題，設(shè)計了一種具有加法功能[13-14]的三七精密播種機圓形漏播檢測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對半強度角之外的種子進行檢測，有效增加紅外檢測區(qū)域。為了提高漏播檢測的準(zhǔn)確性，在硬件電路上通過比較電路濾除部分干擾，在程序設(shè)計上將T1設(shè)為計數(shù)模式，通過判斷計數(shù)器T1值是否為零，作為種子的掉落的標(biāo)準(zhǔn)；考慮到導(dǎo)種管的形狀與不影響種子的正常下落，設(shè)計了圓形傳感器；在對控制平臺的選取上考慮到經(jīng)濟可行、穩(wěn)定可靠的要求，采用單片機作為控制核心，通過信號處理電路、邏輯電路實現(xiàn)對漏播、重播的檢測。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體由紅外信號檢測電路、霍爾傳感器速度檢測電路[15-16]、與非門邏輯轉(zhuǎn)換電路、單片機系統(tǒng)電路、按鍵電路及聲光警報電路組成。

紅外信號檢測電路由3組紅外傳感器模組組成，負責(zé)對種子的檢測。當(dāng)種子掉落時，無論遮擋半強度角之內(nèi)還是之外的紅外光線，影響紅外接收管對紅外光的接收，使流經(jīng)紅外接收管的電流減少；該信號經(jīng)加法電路處理，使得加法電路輸出電壓下降，比較運算電路將該模擬信號裝換為數(shù)字信號，再經(jīng)與非邏輯電路處理，送單片機進行處理，實現(xiàn)無盲區(qū)的檢測。單片機系統(tǒng)采用STC12C5A60S2，利用計數(shù)器T1負責(zé)對種子信號的檢測，計數(shù)器T0負責(zé)采集霍爾傳感器發(fā)來的脈沖信號，并轉(zhuǎn)換為株距，實現(xiàn)對漏播的檢測。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware system block diagram

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對傳感器的形狀、結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，結(jié)合圓筒形導(dǎo)種管，考慮不影響種子的正常下落，設(shè)計了圓形結(jié)構(gòu)的紅外傳感器，內(nèi)徑為28cm。紅外發(fā)射二極管直徑為3mm，半強度角為25°，紅外接收二極管直徑為3mm，發(fā)射管與接收管、接收管與接收管之間相隔30°依次排開布局，如圖2所示。圖2中，①②③為紅外發(fā)射二極管；β角為紅外發(fā)射管的半強度角，β=25°。

圖2 感器位置布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor location layout

3 漏播檢測裝置的設(shè)計

3.1 紅外信號檢測電路

紅外信號檢測電路由紅外發(fā)射接收電路、加法電路 、比較電路[17]組成，如圖3所示。其中，每個紅外傳感器模組由1個紅外發(fā)射二極管、3個紅外接收二極管組成。其中，兩個紅外接收管在紅外發(fā)射管的半強度角之外，運算放大器采用LM324，其內(nèi)嵌4路運算放大單元，具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、價格低廉等優(yōu)點；每組紅外接收管經(jīng)二極管、電阻接到運算放大器的反相輸入端，構(gòu)成反相加法電路；當(dāng)種子下落時，無論阻擋發(fā)射管半強度角范圍之內(nèi)還是之外的光線，都將影響加法運算器的輸入電流[18]，進而使得輸出電壓下降，再經(jīng)過比較電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于在半強度角之外，紅外接收管接收近紅外光的強度較低，對種子信號敏感度不高，因此通過調(diào)節(jié)電路中相應(yīng)電阻阻值，可提高對信號的放大倍數(shù)，電路如圖3所示，在加法電路兩端，其輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為

Uo=Uref-[10(Ui1-Uref)+3.3(Ui2-Uref) +

10(Ui3-Uref)]

在初始時，通過調(diào)節(jié)運算放大器同相輸入電壓，使加法運算器的輸出電壓Uo≈Uref，當(dāng)有種子落下時，相應(yīng)的輸入電壓Ui1、Ui2、Ui3增大，而輸出電壓Uo降低；比較電路將Uo與反相輸入端參考電壓進行對比并輸出，通過設(shè)置反相輸入端參考電壓，可濾除部分干擾。

3.2 邏輯轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由于系統(tǒng)整體有3路信號采集電路，且無種子落下時電路輸出為高電平。為了能夠?qū)崿F(xiàn)單片機系統(tǒng)對該信號的采集，設(shè)計了邏輯轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。

邏輯轉(zhuǎn)換電路采用CD4011芯片，內(nèi)嵌4路與非邏輯電路[19-20]，與非門的輸入端一端接電源，另一端接信號采集電路的輸入，輸出端送單片機，其邏輯轉(zhuǎn)換狀態(tài)如表1所示。

表1 邏輯狀態(tài)表Table 1 Logical status table

圖4 邏輯轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Logic switching circuit

3.3 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

單片機系統(tǒng)電路包括按鍵電路、霍爾電路、顯示電路及聲光報警電路等。系統(tǒng)核心采用STC12C5A60S2單片機，邏輯轉(zhuǎn)換電路的輸出信號接單片機的T1引腳，采用計數(shù)模式對種子信號進行檢測；霍爾電路的輸出接T0引腳，通過感應(yīng)窩眼滾筒上磁場的變化，并轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出，單片機計數(shù)霍爾脈沖的個數(shù)換算為株距；按鍵電路用于設(shè)置不同的株距，漏播時蜂鳴器發(fā)出警報，重播時LED等閃爍，并在顯示屏上顯示播種數(shù)目、株距大小、漏播個數(shù)、漏播率、重播個數(shù)及重播率等。電路系統(tǒng)如圖5～圖7所示。

3.4 程序設(shè)計

C語言具有簡潔、高效的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于單片機程序編程，因此采用C語言進行功能程序的開發(fā)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對霍爾電路、邏輯轉(zhuǎn)換電路輸出信號的采集接收，并完成顯示程序、按鍵程序、漏播重播判斷程序及警報程序的編寫，流程圖如圖8所示。

圖5 霍爾傳感器電路Fig.5 Hall sensor circuit

圖6 警報電路Fig.6 Alarm circuit

圖7 微處理器電路Fig.7 Microprocessor circuit

圖8 程序流程圖Fig.8 Program flow diagram

單片機上電初始化，設(shè)置定時器/計數(shù)器T0、T1為計數(shù)模式，T0用于計數(shù)霍爾傳感器脈沖個數(shù)，T1用于計數(shù)種子掉落產(chǎn)生的脈沖信號。在主函數(shù)里不斷讀取T1的計數(shù)值，并進行判斷，當(dāng)有種子落下時，T1計數(shù)值不為零，此時關(guān)閉T1計數(shù)器，種子個數(shù)加1，并讀取T0的計數(shù)值，換算成株距，實現(xiàn)對一次種子的檢測，同時為計數(shù)下一次種子掉落，清零T0、T1計數(shù)值，打開T1計數(shù)器。本系統(tǒng)利用T1來判斷是否有種子掉落而不是采用外部中斷的方式，是因為當(dāng)1粒種子掉落時產(chǎn)生的脈沖個數(shù)有可能不止1個，采用計數(shù)的方式進行判斷能夠提高程序的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。將測得的株距與設(shè)置的株距進行比較，當(dāng)大于設(shè)定的株距時，則為漏播驅(qū)動蜂鳴器報警；當(dāng)兩顆種子之間的間距過小時，則為重播驅(qū)動發(fā)光管不斷閃爍。

4 性能試驗和結(jié)果分析

4.1 單粒檢測試驗

實驗室漏播檢測測試采用普通的三七種子，采用人工投種方式進行單粒監(jiān)測試驗,排種每穴為1粒，每次試驗投種250粒[21],重復(fù)3次,人工記錄播種狀態(tài)，并與系統(tǒng)測試結(jié)果進行對比，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，該監(jiān)測系統(tǒng)單粒監(jiān)測精度達到97.2%。 由于三七種子粒徑不一，少量粒徑小于4mm的種子經(jīng)過紅外傳感器時未能有效檢測。

表2 實驗室單粒監(jiān)測試驗結(jié)果Table 2 Test results of single particle monitoring in laboratory

4.2 播種量檢測試驗

調(diào)節(jié)排種輪轉(zhuǎn)速為10、13.4、16.7r/min，排種每穴為1粒，每種轉(zhuǎn)速條件下試驗重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果，每次10min左右，人工記錄播種量，并與系統(tǒng)測試結(jié)果進行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 實驗室播種量檢測結(jié)果Table 3 Laboratory seeding test results

由表3可知：由于充種不完全引起的漏播與重播引起的誤差，使檢測到的漏播穴數(shù)比實際漏播穴數(shù)少，監(jiān)測系統(tǒng)播種量監(jiān)測精度最小值為93.8%。

4.3 漏播檢測試驗

為了模擬田間漏播狀態(tài)手動充種并在人為操作下使排種輪充種不完全引起漏播，調(diào)節(jié)排種輪轉(zhuǎn)速為10、13.4、16.7r/min，排種每穴為1粒，每種轉(zhuǎn)速條件下試驗重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果，每次10min左右，人工記錄漏播狀態(tài)，并與系統(tǒng)測試結(jié)果進行對比，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 實驗室漏播檢測結(jié)果Table 4 Laboratory leakage test results

由表4可知：由于充種不完全引起的漏播，檢測到的漏播穴數(shù)比實際漏播穴數(shù)多，監(jiān)測系統(tǒng)測得漏播率誤差小于3%，同時在試驗過程中對連續(xù)多次漏播結(jié)果進行統(tǒng)計，準(zhǔn)確率達98%。

5 結(jié)論

本文的無盲區(qū)紅外漏播檢測裝置，針對紅外二極管的指向特性，設(shè)計了具有加法功能的漏播檢測電路，實現(xiàn)對半強度角之外的種子進行檢測，明顯增加紅外檢測有效區(qū)域；對硬件電路與程序進行優(yōu)化，提高了漏播檢測的準(zhǔn)確性，在對株距的測量時利用了霍爾傳感器，不會造成播種機停頓時造成的漏播；通過調(diào)節(jié)加法電路電阻阻值，增加電路對微弱信號的靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同粒徑種子的檢測；采用圓形結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不影響種子的掉落同時也方便導(dǎo)種管的安裝。試驗表明：該裝備可對4mm以上種子進行檢測，有應(yīng)用推廣價值，同時對傳感器的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計具有一定的參考價值。