基于光電傳感器的排種性能檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉亞明 邢劍飛 王 龍

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300)

新疆是我國(guó)最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，截至2 018年新疆已連續(xù)24 年實(shí)現(xiàn)棉花單產(chǎn)、總產(chǎn)和調(diào)出量全國(guó)第一。播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中很重要的環(huán)節(jié)之一，由于受播種的時(shí)間、天氣、季節(jié)等因素影響，農(nóng)作物的播種時(shí)間較短，因此，播種過(guò)程中對(duì)穴播器的排種性能要求非常高，排種性能直接影響播種的效果，并且會(huì)影響到來(lái)年的收成。

保持棉花高產(chǎn)量的前提是要保證棉花的播種效率，因此需要進(jìn)行精量播種，但是目前棉花播種的機(jī)械效率不夠高，播種數(shù)目不夠精確［1］，需要通過(guò)精量播種的穴播器來(lái)彌補(bǔ)這一不足。針對(duì)以上問(wèn)題需要對(duì)穴播器排種性能進(jìn)行檢測(cè)［2］，尤其是穴播器在出廠前和維修后，確保穴播器能達(dá)到排種要求。由于人工檢測(cè)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，因此運(yùn)用機(jī)器和高新技術(shù)對(duì)穴播器進(jìn)行排種檢測(cè)是目前研究的趨勢(shì)［3］。利用光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)對(duì)穴播器進(jìn)行排種檢測(cè)［4］，不但節(jié)省了大量的人力和物力，而且檢測(cè)裝置和人工檢測(cè)的效果基本一致。

1 裝置的設(shè)計(jì)

1.1 排種檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理

本裝置是在現(xiàn)有的穴播器基礎(chǔ)上對(duì)穴播器出廠前或維修后的排種性能進(jìn)行檢測(cè)而設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)光控制電路和旋轉(zhuǎn)檢測(cè)電路對(duì)排種率進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)算，來(lái)實(shí)現(xiàn)穴播器排種性能的檢測(cè)。通過(guò)光電傳感器模塊來(lái)檢測(cè)排種信號(hào)，當(dāng)有種子通過(guò)光電傳感器時(shí)，傳感器將被測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后通過(guò)光電模塊進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，單片機(jī)收到一個(gè)信號(hào)之后控制1 602 顯示屏上PE 數(shù)字加1。與此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器模塊也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，單片機(jī)控制1 602 顯示屏上RE 數(shù)字加1，當(dāng)顯示PE值小于RE值，單片機(jī)計(jì)算PE/RE值得到排種率通過(guò)顯示器顯示，反之，顯示屏上則不顯示排種率。

1.2 裝置的組成部分

裝置是由齒輪、旋轉(zhuǎn)編碼器、單片機(jī)顯示器、電機(jī)、穴播器［5］、光電傳感器等部分組成。通過(guò)調(diào)節(jié)裝置的位置使得棉花種子能夠通過(guò)穴播器口順利落下，穿過(guò)光電傳感器，使光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)，旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)穴播器轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，支架是用來(lái)固定裝置的位置，同時(shí)也可以便于裝置的調(diào)節(jié)。測(cè)量排種器距離傳送帶的高度，確定光電裝置的安裝范圍大約60 mm 左右，設(shè)計(jì)漏斗裝置安裝在離傳輸帶60 mm 的位置，最終確定漏斗裝置的厚度為25 mm。首先保證漏斗最大的口徑能通過(guò)和識(shí)別種子，通過(guò)測(cè)量種子的大小，計(jì)算出來(lái)漏斗下方的孔徑為10 mm，種子平均的大小不會(huì)超過(guò)10 mm，這樣能夠確保在漏斗里面不會(huì)有種子的殘留。排種檢測(cè)裝置如圖1 所示。

圖1 穴播器排種檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

2 排種檢測(cè)裝置工作原理

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

本裝置是運(yùn)用光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)穴播器進(jìn)行排種數(shù)據(jù)信號(hào)統(tǒng)計(jì)，將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)分別對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行處理，內(nèi)部處理器處理好的光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際排種次數(shù)信號(hào)M1,旋轉(zhuǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)為理論落種次數(shù)M2,進(jìn)行計(jì)算M1/M2得出排種率傳輸?shù)斤@示器上進(jìn)行顯示，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)穴播器的排種性能。如圖2為單片機(jī)系統(tǒng)流程圖。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)流程圖

2.2 光電傳感器的工作原理

光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般分為三部分，它們分為:發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路。發(fā)射器是針對(duì)目標(biāo)發(fā)出光信號(hào)，發(fā)出的光一般來(lái)自半導(dǎo)體光源、LED、激光二極管及紅外發(fā)射二極管［6］。接收器由發(fā)光二極管、光電二極管和光電管組成。本設(shè)計(jì)采用一種漫反射式光電開(kāi)關(guān)，發(fā)光裝置和接收光裝置在開(kāi)關(guān)的檢測(cè)頭里面［7］，都在同一側(cè)的位置。正常情況下，發(fā)射器前面沒(méi)有物體通過(guò)，接收器收不到信號(hào)。當(dāng)有物體通過(guò)時(shí)，探測(cè)器會(huì)將部分光反射回來(lái)，接收器接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

2.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為一連串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)的旋轉(zhuǎn)式傳感器。旋轉(zhuǎn)編碼器能夠通過(guò)正反方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)數(shù)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)跟電位器計(jì)數(shù)方式不同，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)是沒(méi)有任何次數(shù)限制［8］。計(jì)數(shù)完成后通過(guò)電源開(kāi)關(guān)復(fù)位到初始狀態(tài)，又可以從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。

旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖寬度隨著旋轉(zhuǎn)速度而變化，即轉(zhuǎn)速越高其脈沖寬度越窄［9］。通常每圈的計(jì)數(shù)脈沖有360個(gè)、500個(gè)和1 000個(gè)等。本設(shè)計(jì)的模塊每一圈的計(jì)數(shù)脈沖只有20 個(gè)，相對(duì)精度也會(huì)相對(duì)低一些。

2.4 控制計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

由AT89C52 單片機(jī)做主導(dǎo)，基本原理為當(dāng)紅外檢測(cè)部分檢測(cè)到物體引起的光線變化時(shí)，紅外接收電路輸出口將產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)［10］，這個(gè)信號(hào)將傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理，同理旋轉(zhuǎn)編碼器也是將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，顯示部分是通過(guò)P1和P3口實(shí)現(xiàn)。

計(jì)數(shù)控制部分是將計(jì)數(shù)脈沖送入AT89C52 單片機(jī)中的INTO 入口，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部對(duì)這個(gè)中斷信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)編程處理［12］。AT89C52 單片機(jī)與MCS-52指令系統(tǒng)完全兼容。提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能: 4 K 字節(jié)FLASH 閃爍存儲(chǔ)器、128 字節(jié)內(nèi)部RAM、32 個(gè)1/0 口線、三個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5 向量?jī)杉?jí)中斷、片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路［9］。同時(shí)AT89552 可降至01 的靜態(tài)邏輯操作，支持兩個(gè)軟件工作并禁止其他所有部件工作，直到下一個(gè)硬件復(fù)位到節(jié)電工作模式。不計(jì)數(shù)模式是停止CPU 的工作，但允許RAM 定時(shí)/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，斷電后仍然可以保存RAM中的內(nèi)容［11］。

本裝置的排種測(cè)量的方法為：

式中：w1-為人工檢測(cè)的實(shí)際排種率；

m-為實(shí)際排種個(gè)數(shù)；

m1-為空穴個(gè)數(shù)；

m2-為實(shí)際排種次數(shù)。

式中：2w -為傳感器顯示的排種率；

M1-為光電傳感器記種數(shù)；

M2-為旋轉(zhuǎn)編碼器記種數(shù)。

試驗(yàn)測(cè)得的光電信號(hào)和旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳入到單片機(jī)的系統(tǒng)中，單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行計(jì)數(shù)編程處理，分別將光電信號(hào)L1轉(zhuǎn)為實(shí)際排種次數(shù)排種次數(shù)M1，旋轉(zhuǎn)信號(hào)L2轉(zhuǎn)化為理論落種次數(shù)信號(hào)M2，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算得出M1/M2，再將得出的數(shù)值輸送到顯示器上顯示，就得出檢測(cè)裝置檢測(cè)的排種率。

3 裝置排種試驗(yàn)

3.1 種子形狀參數(shù)

分別選取了新陸中82 號(hào)、新陸中66 號(hào)和新豐9號(hào)3種不同型號(hào)的棉花種子進(jìn)行測(cè)試，種子的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 棉花種子實(shí)物圖

對(duì)3種型號(hào)的棉花種子進(jìn)行了隨機(jī)取樣，每種取10顆，測(cè)得形狀參數(shù)如下：

表1 三種棉花種子形狀參數(shù)對(duì)比

表2 新陸中66號(hào)排種試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 新陸中82號(hào)排種試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 新豐9號(hào)排種試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 速度對(duì)排種率的影響

首先排種試驗(yàn)采用的是13 穴的窩眼式穴播器，分別測(cè)得在轉(zhuǎn)速為5 r/min、10 r/min 和15 r/min，3 種不同速度下的穴播器的排種率。由表2、表3 和表4可以得出在速度為5 r/min下新陸中66號(hào)棉花種子的排種率為90%,新陸中82 號(hào)棉花種子的排種率為94%，新豐9 號(hào)棉花種子的排種率為91%。當(dāng)速度為10 r/min 時(shí)新陸中66 號(hào)棉花種子的排種率平均值為88%,新陸中82 號(hào)棉花種子的排種率為92%，新豐9號(hào)種子的排種率為89%。當(dāng)速度為15 r/min 時(shí)，這三種棉花種子的平均排種率為85%、89%和86%，如圖4所示。

以上是通過(guò)人工進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出的試驗(yàn)結(jié)果，檢測(cè)裝置在人工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)不同速度下三種棉花種子排種率及逆行計(jì)算，可以得出在速度為5 r/min時(shí)，新陸中66號(hào)棉花種子、新陸中82 號(hào)種子和新豐9 號(hào)種子的平均排種率為88%、92%和90%。在速度為10 r/min 時(shí)，三種棉花的平均排種率為85%、90%和87%。在速度為15 r/min時(shí)，三種棉花種子的平均排種率為84%、87%和85%。通過(guò)在不同速度下的排種率對(duì)比，無(wú)論人工統(tǒng)計(jì)還是檢測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果都表明當(dāng)速度越快，棉花種子的排種率越低。

同時(shí)新陸中66 號(hào)種子的實(shí)際平均排種率在89%，新陸中82 號(hào)種子的實(shí)際平均排種率為92%，新豐9 號(hào)種子平均排種率為90%?？紤]棉花種子存在的差異，分析種子的形狀參數(shù)因素，由表1 可知不同種類的棉花種子大小有些許不同，形狀也大不相同，新陸中66 號(hào)種子長(zhǎng)平均值為8. 87 mm，寬平均值為5.06 mm，新陸中82 號(hào)種子長(zhǎng)平均值為9.31 mm，寬平均值為5. 12 mm，新豐9 號(hào)種子長(zhǎng)平均值為8. 98 mm，寬平均值為4.87 mm。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新陸中82 號(hào)種子寬度與新陸中66 號(hào)種子的平均寬度相差不大，長(zhǎng)度相差0. 44 mm，而新豐9 號(hào)種子在平均長(zhǎng)度上和新陸中66 號(hào)種子相差不大，寬度相差0.19 mm,新陸中82 號(hào)種子和新豐9 號(hào)種子在長(zhǎng)度和寬度上都存在差異。通過(guò)排種率的對(duì)比發(fā)現(xiàn)在任何速度下的新陸中82 號(hào)的排種率都比新陸中66 號(hào)種子和新豐9 號(hào)種子的排種率要高，而新陸中66 號(hào)棉花種子和新豐9號(hào)棉花種子由于形狀參數(shù)基本一致，排種率也大致相同。因此可以得出排種率與棉花種子形狀參數(shù)有關(guān)，如圖5所示。

圖5 種子形狀參數(shù)對(duì)排種性能的影響

由于試驗(yàn)條件有限，在影響穴播器排種率的因素方面只考慮了轉(zhuǎn)速和種子形狀參數(shù)這兩個(gè)因素，并且只通過(guò)單因素試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，另外可能還存在一些其他因素會(huì)影響排種率。如：穴播器種類、搭配的動(dòng)力設(shè)施、耕作是土壤的條件等，這些因素需要進(jìn)一步討論和驗(yàn)證。

3.2 檢測(cè)裝置準(zhǔn)確率試驗(yàn)

本檢測(cè)裝置主要是通過(guò)調(diào)速電機(jī)來(lái)控制穴播器的轉(zhuǎn)速，穴播器和調(diào)速電機(jī)之間通過(guò)鏈齒配合進(jìn)行傳動(dòng)?？刂蒲úテ鞯凝X輪齒數(shù)為12，控制調(diào)速電機(jī)的齒輪齒數(shù)為24，傳動(dòng)比為1:2,對(duì)新陸中82 號(hào)、新陸中66 號(hào)和新豐9 號(hào)棉花種子進(jìn)行100 粒種子排完后排種率的準(zhǔn)確性試驗(yàn)。

圖6 每百粒種子排完檢測(cè)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),新陸中82號(hào)、新陸中66號(hào)和新豐9 號(hào)棉花種子在不同的速度下人工檢測(cè)的結(jié)果和裝置檢測(cè)的結(jié)果誤差均在±3%以內(nèi)。當(dāng)穴播器的轉(zhuǎn)速越來(lái)越快時(shí)，人工統(tǒng)計(jì)速度跟不上機(jī)器速度，往往需要大量的時(shí)間回看和統(tǒng)計(jì)，而且在速度過(guò)快時(shí)容易出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤，需要反復(fù)檢測(cè)。但檢測(cè)裝置不同，無(wú)論穴播器速度快慢，統(tǒng)計(jì)排種率結(jié)果都相對(duì)較快，無(wú)須反復(fù)檢測(cè)，檢測(cè)裝置可以節(jié)省大量時(shí)間，在效率上遠(yuǎn)高于人工。在誤差允許的范圍內(nèi)，檢測(cè)裝置顯示排種率的準(zhǔn)確性和人工統(tǒng)計(jì)相比基本一致，在準(zhǔn)確性上結(jié)果能滿足穴播器排鐘性能的檢測(cè)要求。如圖6所示。

3.3 排種穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了更好保證棉花種子在排種過(guò)程中的穩(wěn)定性，對(duì)以上三種棉花種子進(jìn)行排種試驗(yàn)，在速度最優(yōu)5 r/min 的條件下，進(jìn)行10組試驗(yàn)，測(cè)出棉花種子排種率的穩(wěn)定性。

表5 棉花種子長(zhǎng)度方差和極差分析

圖7 三種種子排種率穩(wěn)定性分析

在排種過(guò)程中，種子的長(zhǎng)度尺寸影響較大，因此對(duì)3種棉花種子進(jìn)行長(zhǎng)度尺寸分析，得出方差值和極差值。如表5 所示。看出新陸中82 號(hào)棉花種子的方差為0.35，極差為1.10，相比較其他兩種棉花種子方差和極差之都是最小，因此82 號(hào)棉花種子相比于其他兩種棉花種子的均勻性較好，形狀參數(shù)差異較小。通過(guò)Oringal 軟件對(duì)3 種棉花種子在速度為5 r/min 的10組排種試驗(yàn)分析，可以看出3種棉花種子中新陸中82號(hào)種子的排種率穩(wěn)定性最好。如圖7所示。

4 結(jié)論

（1）本設(shè)計(jì)采用光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器共同計(jì)數(shù)，通過(guò)單片機(jī)編寫(xiě)計(jì)數(shù)程序進(jìn)行信號(hào)處理，處理后的信號(hào)會(huì)在顯示器上顯示。通過(guò)試驗(yàn)表明，本裝置測(cè)得的排種率與人工統(tǒng)計(jì)排種率基本吻合,設(shè)計(jì)的裝置能滿足排種檢測(cè)要求。種子長(zhǎng)度參數(shù)的均勻性影響著穴播器排種的穩(wěn)定性，均勻程度越高，排種穩(wěn)定性越好，因此在排種時(shí)建議選取長(zhǎng)度尺寸基本一致的棉花種子。

（2）目前市面上也有其他種類排種檢測(cè)裝置，如水稻種子、玉米種子的檢測(cè)等。他們大多是利用紅外發(fā)射二極管進(jìn)行檢測(cè)，而本裝置采用的是光電傳感器，利用PLC 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，相比較其他的排種檢測(cè)裝置，在效率上更高，準(zhǔn)確性更強(qiáng)，穩(wěn)定性更好。

（3）由于本設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)系統(tǒng)是通過(guò)傳感器模塊來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)，傳感器模塊精度存在一定的誤差，因此造成了最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，誤差范圍在±3%，符合穴播器工藝檢測(cè)要求。除此之外，傳感器的外部連接裝置也需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，在這些因素的影響之下，其檢測(cè)裝置的精度不是很完美，后期期待繼續(xù)改進(jìn)。