無盲區(qū)三七精密播種機(jī)漏播檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張 冰，袁忠文，譙 睿，張?zhí)祉槪瑥?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(shí)存在漏播、重播、堵塞等現(xiàn)象，影響播種質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)配套的漏播檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)提高三七播種質(zhì)量具有重要意義。播種時(shí)三七種子粒徑范圍大，要求檢測(cè)裝置具有較高的精度與靈敏度，現(xiàn)有的漏播檢測(cè)裝置在設(shè)計(jì)紅外傳感器時(shí)大多采用對(duì)射式相對(duì)布置且紅外接收管需在半強(qiáng)度角之內(nèi)[1-2]，使得在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)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(cè)的準(zhǔn)確性；而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有基于單片機(jī)的工控檢測(cè)系統(tǒng)[4-5]、基于PLC的工控檢測(cè)系統(tǒng)[6-7]、基于虛擬儀器技術(shù)的工控檢測(cè)系統(tǒng)[8-10]及基于圖像處理技術(shù)的工控檢測(cè)系統(tǒng)等[11-12]，由于三七的農(nóng)藝要求，目前的漏播檢測(cè)系統(tǒng)均不適合于大棚內(nèi)的三七漏播檢測(cè)。因此，有必要設(shè)計(jì)一種新型的漏播檢測(cè)裝置以適用于大棚內(nèi)的三七精密播種。

本文針對(duì)紅外傳感器存在盲區(qū)的問題，設(shè)計(jì)了一種具有加法功能[13-14]的三七精密播種機(jī)圓形漏播檢測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)半強(qiáng)度角之外的種子進(jìn)行檢測(cè)，有效增加紅外檢測(cè)區(qū)域。為了提高漏播檢測(cè)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(jì)上將T1設(shè)為計(jì)數(shù)模式，通過判斷計(jì)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(jì)了圓形傳感器；在對(duì)控制平臺(tái)的選取上考慮到經(jīng)濟(jì)可行、穩(wěn)定可靠的要求，采用單片機(jī)作為控制核心，通過信號(hào)處理電路、邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)漏播、重播的檢測(cè)。

1 總體設(shè)計(jì)

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

紅外信號(hào)檢測(cè)電路由3組紅外傳感器模組組成，負(fù)責(zé)對(duì)種子的檢測(cè)。當(dāng)種子掉落時(shí)，無論遮擋半強(qiáng)度角之內(nèi)還是之外的紅外光線，影響紅外接收管對(duì)紅外光的接收，使流經(jīng)紅外接收管的電流減少；該信號(hào)經(jīng)加法電路處理，使得加法電路輸出電壓下降，比較運(yùn)算電路將該模擬信號(hào)裝換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)與非邏輯電路處理，送單片機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)的檢測(cè)。單片機(jī)系統(tǒng)采用STC12C5A60S2，利用計(jì)數(shù)器T1負(fù)責(zé)對(duì)種子信號(hào)的檢測(cè)，計(jì)數(shù)器T0負(fù)責(zé)采集霍爾傳感器發(fā)來的脈沖信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為株距，實(shí)現(xiàn)對(duì)漏播的檢測(cè)。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(jì)

在對(duì)傳感器的形狀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(cè)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 紅外信號(hào)檢測(cè)電路

紅外信號(hào)檢測(cè)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(gè)紅外傳感器模組由1個(gè)紅外發(fā)射二極管、3個(gè)紅外接收二極管組成。其中，兩個(gè)紅外接收管在紅外發(fā)射管的半強(qiáng)度角之外，運(yùn)算放大器采用LM324，其內(nèi)嵌4路運(yùn)算放大單元，具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)；每組紅外接收管經(jīng)二極管、電阻接到運(yùn)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(shí)，無論阻擋發(fā)射管半強(qiáng)度角范圍之內(nèi)還是之外的光線，都將影響加法運(yùn)算器的輸入電流[18]，進(jìn)而使得輸出電壓下降，再經(jīng)過比較電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于在半強(qiáng)度角之外，紅外接收管接收近紅外光的強(qiáng)度較低，對(duì)種子信號(hào)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(duì)信號(hào)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(shí)，通過調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器同相輸入電壓，使加法運(yùn)算器的輸出電壓Uo≈Uref，當(dāng)有種子落下時(shí)，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(jìn)行對(duì)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(jì)

由于系統(tǒng)整體有3路信號(hào)采集電路，且無種子落下時(shí)電路輸出為高電平。為了能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)的采集，設(shè)計(jì)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(hào)采集電路的輸入，輸出端送單片機(jī)，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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)電路包括按鍵電路、霍爾電路、顯示電路及聲光報(bào)警電路等。系統(tǒng)核心采用STC12C5A60S2單片機(jī)，邏輯轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)接單片機(jī)的T1引腳，采用計(jì)數(shù)模式對(duì)種子信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；霍爾電路的輸出接T0引腳，通過感應(yīng)窩眼滾筒上磁場(chǎng)的變化，并轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出，單片機(jī)計(jì)數(shù)霍爾脈沖的個(gè)數(shù)換算為株距；按鍵電路用于設(shè)置不同的株距，漏播時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，重播時(shí)LED等閃爍，并在顯示屏上顯示播種數(shù)目、株距大小、漏播個(gè)數(shù)、漏播率、重播個(gè)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(jì)

C語言具有簡(jiǎn)潔、高效的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于單片機(jī)程序編程，因此采用C語言進(jìn)行功能程序的開發(fā)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)霍爾電路、邏輯轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)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(bào)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(bào)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(jī)上電初始化，設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1為計(jì)數(shù)模式，T0用于計(jì)數(shù)霍爾傳感器脈沖個(gè)數(shù)，T1用于計(jì)數(shù)種子掉落產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。在主函數(shù)里不斷讀取T1的計(jì)數(shù)值，并進(jìn)行判斷，當(dāng)有種子落下時(shí)，T1計(jì)數(shù)值不為零，此時(shí)關(guān)閉T1計(jì)數(shù)器，種子個(gè)數(shù)加1，并讀取T0的計(jì)數(shù)值，換算成株距，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次種子的檢測(cè)，同時(shí)為計(jì)數(shù)下一次種子掉落，清零T0、T1計(jì)數(shù)值，打開T1計(jì)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?yàn)楫?dāng)1粒種子掉落時(shí)產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)有可能不止1個(gè)，采用計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行判斷能夠提高程序的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。將測(cè)得的株距與設(shè)置的株距進(jìn)行比較，當(dāng)大于設(shè)定的株距時(shí)，則為漏播驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)兩顆種子之間的間距過小時(shí)，則為重播驅(qū)動(dòng)發(fā)光管不斷閃爍。

4 性能試驗(yàn)和結(jié)果分析

4.1 單粒檢測(cè)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室漏播檢測(cè)測(cè)試采用普通的三七種子，采用人工投種方式進(jìn)行單粒監(jiān)測(cè)試驗(yàn),排種每穴為1粒，每次試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單粒監(jiān)測(cè)精度達(dá)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(shí)未能有效檢測(cè)。

表2 實(shí)驗(yàn)室單粒監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of single particle monitoring in laboratory

4.2 播種量檢測(cè)試驗(yàn)

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(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，每次10min左右，人工記錄播種量，并與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)室播種量檢測(cè)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(cè)到的漏播穴數(shù)比實(shí)際漏播穴數(shù)少，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)播種量監(jiān)測(cè)精度最小值為93.8%。

4.3 漏播檢測(cè)試驗(yàn)

為了模擬田間漏播狀態(tài)手動(dòng)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(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，每次10min左右，人工記錄漏播狀態(tài)，并與系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)室漏播檢測(cè)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(cè)到的漏播穴數(shù)比實(shí)際漏播穴數(shù)多，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得漏播率誤差小于3%，同時(shí)在試驗(yàn)過程中對(duì)連續(xù)多次漏播結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)確率達(dá)98%。

5 結(jié)論

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