基于Arduino和壓電傳感器的種子自動計數(shù)系統(tǒng)設計

胡宸晗

(南京市第二十九中學，江蘇南京，210036)

0 引言

我國自古以來就是農業(yè)大國，農業(yè)一直作為經(jīng)濟民生領域的重要支柱產業(yè)。播種是農業(yè)生產的關鍵環(huán)節(jié)之一，精量播種方式不僅播種效率高，節(jié)約人力物力，而且能夠節(jié)約種子、化肥、農藥等農用物資，大大提高了農作物的生產效率，而且節(jié)約了大量成本，增加了農民的經(jīng)濟效益[1]，種子數(shù)量的實時監(jiān)測是實現(xiàn)精量播種的關鍵環(huán)節(jié)之一。在培育、選種、產量預測等過程中千粒質量是一個重要的指標，也需要對種子進行實時自動計數(shù)。傳統(tǒng)采用人工數(shù)種的方式，繁瑣枯燥、勞動強度大、效率低，并且非常容易出錯。因此進行精確的種子自動計數(shù)已成為農業(yè)生產中一個亟待解決的問題。

壓電傳感器是利用壓電元件受力后產生的壓電效應制成的傳感器，具有體積小、重量輕、結構簡單，靈敏度高、響應速度快等優(yōu)點[2]，可用于種子撞擊等振動信號的測量。本文設計了一種基于Arduino和壓電傳感器的種子自動計數(shù)系統(tǒng)，利用壓電傳感器檢測種子撞擊懸臂梁產生的振動，轉化為電壓信號，采用Arduino微控制器進行自動計數(shù)和顯示。本系統(tǒng)具有結構簡單、測量精度高等優(yōu)點，能夠滿足種子自動計數(shù)的實際需求。

1 系統(tǒng)總體結構

種子自動計數(shù)系統(tǒng)主要由導種管、懸臂梁、壓電傳感器、Arduino微控制器、LCD顯示器等部分組成，總體結構如圖1所示。當種子沿著導種管從一定高度落下時，撞擊在傾斜放置的懸臂梁上，產生一定振幅的振動信號傳遞到貼在懸臂梁下方的壓電傳感器上，使得壓電傳感器產生正壓電效應輸出變化的電壓信號，經(jīng)信號處理電路輸入Arduino微控制器中進行計數(shù)。

為了使得種子落下撞擊懸臂梁后能夠順利彈開，避免二次撞擊產生的干擾，將懸臂梁與水平面呈現(xiàn)45°傾角進行固定，種子由導種管引向懸臂梁下端。

用粘接劑將壓電陶瓷片粘貼在正對種子撞擊的懸臂梁背面區(qū)域，懸臂梁另一端固定[3]。當種子逐個從上方落下撞擊懸臂梁及壓電傳感器，用Arduino微控制器記錄電壓信號變化的次數(shù)即可得到種子的數(shù)量，并在LCD液晶顯示器上進行顯示。系統(tǒng)工作過程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 信號檢測系統(tǒng)設計

2.1 壓電傳感器

壓電傳感器的工作原理是基于壓電材料的壓電效應，石英晶體的壓電效應早在1680年即已發(fā)現(xiàn)。某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應[4]。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應[2]。具有壓電效應的電介質物質稱為壓電材料，其中石英晶體是良好的純天然壓電晶體，此外還有壓電陶瓷、高分子壓電材料等，也同樣具有良好的壓電轉換功能。

綜合考慮檢測精度、成本等因素選用壓電陶瓷作為種子沖擊檢測傳感器。壓電陶瓷和接線電路板如圖3所示。

2.2 Arduino微控制器

圖2 系統(tǒng)工作過程框圖

Arduino是一個開源的軟硬件開發(fā)平臺，功能強大、體積小巧。主要包括用來做電路連接的Arduino電路板和Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境。Arduino可以通過傳感器來采集數(shù)據(jù)，通過控制電機、LED燈和其他裝置來實現(xiàn)控制功能。用戶在IDE中編寫程序，編譯成二進制文件燒錄進Arduino微控制器后，便可在程序的控制下實現(xiàn)相應功能。Arduino是硬件軟件都開源的，相比于C51、STM32等硬件平臺使用更加簡單，完全脫離了寄存器的配置，幾乎所有功能都已經(jīng)有了上層庫調用，透明掉了大部分與硬件相關的操作，對于不熟悉微控制器硬件結構和寄儲器配置的用戶而說，使用起來非常方便。

圖3 壓電陶瓷和接線電路板

選用Arduino Uno開發(fā)板作為種子自動計數(shù)系統(tǒng)的控制器，其核心是一款高性能、低功耗的AVR 8位微控制器ATmega328p，ATmega328p采用RISC結構，擁有131條指令，絕大多數(shù)為單時鐘執(zhí)行，包括32個8位通用工作寄存器，32KB Flash，1KB EEPROM，2KB的片內SRAM[5]。具有14個數(shù)字I/O接口(其中6路可用于PWM輸出)，6路模擬輸入接口，1個16MHz的晶振，1個電源插座，1個USB接口，還有很多擴展用的電路插座[6]，能夠滿足種子自動計數(shù)和實時顯示的要求。

2.3 液晶顯示模塊

LCD1602是一款用來顯示字母、數(shù)字和符號的點陣型液晶顯示器，能同時顯示兩行，每行16個字符，具有控制簡單、成本低等優(yōu)點。由于ATmega328p的輸入/輸出引腳數(shù)量比較有限，采用帶IIC接口的LCD1602液晶顯示模塊。IIC即Inter-Integrated Circuit(集成電路總線），由飛利浦半導體公司在八十年代初設計出來的一種總線結構。IIC串行總線有2根雙向信號線，一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。IIC總線通過上拉電阻接電源，當總線沒有數(shù)據(jù)傳輸時，兩根線為高電平。IIC總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，包括地址和實際的數(shù)據(jù)信號。在IIC模式下僅需SDA、SCL、VCC、GND 4根線即可與Arduino微控制器通信，接線簡單，節(jié)省I/O口資源。

2.4 軟件設計

種子自動計數(shù)系統(tǒng)的軟件是在Arduino官方的集成開發(fā)環(huán)境下運用C語言進行開發(fā)的。IDE開發(fā)環(huán)境自帶串口通信工具，為調試程序帶來了方便。

系統(tǒng)上電或復位后程序開始執(zhí)行，首先對各部分進行初始化，包括串口、LCD顯示模塊、重置各變量初始值等。將壓電傳感器采集到的電壓值進行AD轉換，并與程序中設定的閾值進行比較，進行種子計數(shù)判斷，如果采集到的電壓值大于閾值，將保存種子數(shù)量的變量加1，并送到LCD液晶顯示模塊進行顯示，同時進行串口輸出可以在電腦中的Arduino開發(fā)環(huán)境中進行實時監(jiān)測。如果壓電傳感器采集到的電壓值小于閾值，判斷為一次干擾信號，種子計數(shù)變量不增加。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3 系統(tǒng)性能試驗

圖5 種子自動計數(shù)試驗裝置

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理設計并制作了種子自動計數(shù)試驗裝置如圖5所示。試驗裝置主要包括鐵架臺、導種管、Arduino Uno開發(fā)板、LCD1602液晶顯示器、電源、電腦等。鐵架臺用于固定導種管和傾斜固定的懸臂梁，在懸臂梁背面粘貼壓電陶瓷振動傳感器，用于檢測種子撞擊的振動信號；采用塑料漏斗和PVC管作為導種管道，引導種子準確撞擊壓電傳感器敏感區(qū)域。當前計數(shù)值在LCD1602液晶顯示器上進行顯示，如圖6所示。

圖6 LCD1602顯示當前計數(shù)值

為了驗證種子自動計數(shù)系統(tǒng)的性能，將100粒紅豆采用單粒排種方式，在距壓電傳感器300mm高度處進行釋放，沿導種管下落，撞擊壓電傳感器敏感區(qū)域，100s內放完。重復5次，記錄檢測到種子數(shù)量，計算檢測誤差。試驗結果如表1所示。由表1計算得到種子自動計數(shù)平均誤差為1.8%，該系統(tǒng)能夠滿足種子自動計數(shù)的要求。

表1 種子自動計數(shù)試驗結果

4 結束語

本文設計的種子自動計數(shù)系統(tǒng)充分利用了Arduino微控制器功能強大、體積小巧、開發(fā)難度低和壓電陶瓷靈敏度高、響應速度快等優(yōu)點，通過壓電傳感器檢測種子下落的振動信號，在Arduino微控制器中實現(xiàn)自動計數(shù)。在自制的試驗裝置上進行了種子自動計數(shù)試驗，試驗結果表明，單粒紅豆排種計數(shù)的相對誤差小于3%，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量精度高，可以廣泛應用于種子自動計數(shù)等領域。