小麥播種量電容法檢測系統設計與試驗

陳建國，李彥明，覃程錦，劉成良

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小麥播種量電容法檢測系統設計與試驗

陳建國，李彥明※，覃程錦，劉成良

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海，200240）

為實現小麥播種機播種量的精準檢測，該文基于電容法設計了一套用于小麥播種量檢測的系統，由檢測分辨率和排種輪轉速與采樣頻率約束關系確定傳感器結構尺寸，建立了種子數量與電容變化量之間的線性關系。在采樣周期為15 ms、排種輪轉數20 r/min條件下，基于時間窗口建立了小麥播種量實時檢測最小二乘回歸模型。為了使檢測系統適用于不同的排種輪轉速，提出了一種通過改變采樣周期的檢測方法，即排種輪速度每增加5 r/min時，采樣周期相應減少0.4 ms，則上述建立的最小二乘回歸模型仍適用，對不同的排種輪轉速均具有較高的檢測精度，相對誤差介于-2.26%~2.17%之間。本文所設計的檢測系統為實現小麥播種量的精準檢測提供了一種有效途徑，具有較好的實用性和經濟性。

農業機械；傳感器；設計；播種量；電容法；最小二乘回歸模型

0 引 言

精量播種是現代播種技術體系的重要組成部分,是規模化生產實現節本增效的重要手段[1-2]。播種機播種量的實時精確檢測是實施精量播種的基礎與關鍵，國內外學者對此進行了諸多研究。

目前，檢測谷物播種量的方法主要有光電法[3-13]、圖像法[14-20]和電容法[21-28]。李雷霞等[3]采用3對并列排布的紅外發光二極管和光敏三極管分別作為光電傳感器的發射端和接收端，實現多行播種的全程監測。張繼成等[4]采用光電傳感技術，以紅色高亮度發光二極管和光敏電阻為對象，設計制作了光敏式種肥監測裝置，實現對播種施肥機作業狀態的監測。朱瑞祥等[5]針對大籽粒作物精量播種機普遍存在的漏播現象，采用激光光電傳感器和霍爾傳感器分別監測漏種和排種器速度。然而，光電傳感器易受振動、光線、溫度等因素的影響，農田復雜的環境影響了光電傳感器的檢測精度，同時，光電傳感器自身存在的散射現象制約了其對多粒種子同時下落的精確檢測。圖像法是運用高速攝像系統對精密排種器的播種過程進行圖像采集，對采集的圖像進行處理以獲得谷物的播種信息。該方法對播種量的檢測具有較高的精度，為改善精密排種器性能提供了一條新途徑。但是，圖像處理技術需要專門設備，成本較高，且相機容易受外界光線等干擾，很難在農田等復雜工況下普及應用。電容法播種量檢測是近年來的一個研究熱點，主要是利用電容隨極板間介電常數變化而變化的原理實現播種量檢測。周利明等[21]研制了一種電容式播種量傳感器，但試驗表明對于不同的排種速度，該傳感器檢測播種量的誤差較大。為了提高玉米播種機播種量檢測的可靠性，周利明等[22]設計了一種基于電容信號播種性能監測系統，然而，該系統不能對多粒（大于2粒）種子同時下落時進行檢測。針對勺鏈式馬鈴薯排種器存在的漏種問題，孫偉等[23]提出了一種基于電容測量的漏種檢測方法，但是，該檢測方法不適用于檢測小顆粒谷物。

綜上所述，電容法播種量檢測相對于光電法與圖像法而言受光線、灰塵的影響較小，有較強的環境適應性，但在多粒同時檢測的精度、不同排種速度的影響等方面還有待于進一步研究。本文基于電容法設計了一套用于小麥播種量檢測的系統，首先對同時下落種子數量與電容變化量之間的線性關系進行建模，然后通過時間窗口采樣統計分析，建立了播種量監測實時檢測模型，并建立了基于排種輪轉速和采樣頻率關系的精度補償算法，使播種量檢測精度不受排種輪轉速的影響，對不同的排種輪轉速均具有較高的播種量檢測精度。所設計的檢測系統為實現小麥播種量的精準檢測提供了一種有效途徑，具有較好的實用性和經濟性。

1 測量原理

平行板電容的計算公式為

式中為電容量，F；0為真空介電常數08.854×10-15F/mm；r為相對介電常數；為2個平行板間相對覆蓋面積，mm2；為2個平行板間的距離，mm。

小麥種子與空氣的相對介電常數不同，當小麥種子通過平行板電容傳感器時，電容傳感器的介電常數會發生改變，導致輸出電容量發生變化。當小麥種子通過平行板電容傳感器時，電容傳感器的介電常數[21]為

式中1為小麥種子的相對介電常數；2為空氣的相對介電常數，2≈1.000585；1為小麥種子所占體積，mm3；2為空氣所占體積，mm3；為電容傳感器2個平行極板間的總體積，mm3。

當傳感器內有小麥種子通過時，由式（1）和（2）可知，小麥種子引起的電容變化量Δ可表示為

式中1為有小麥種子通過時傳感器的電容量，F；2為沒有小麥種子通過時傳感器的電容量，F。

由式（3）可知，當溫度及濕度不變時，電容的變化量與小麥種子所占的體積成正比，對于大小相近的小麥種子，可以通過檢測電容的變化量來檢測小麥種子的數目。

2 精量播種檢測系統設計

2.1 精量播種傳感器結構

如圖1所示，精量播種傳感器由排種管接口、V型擋板、2片電容電極、信號檢測及處理電路和電路安裝盒等組成。

圖1 精量播種傳感器結構簡圖

2.2 電容平行極板設計

相對介電常數隨溫度升高而增大[28]，為降低溫度對傳感器的影響，傳感器的極板材料應選用溫度系數較低的金屬材料。為了減少邊緣效應的影響，電容的極板要做得很薄。為保證傳感器在振動和溫差較大的工作環境中具有高的穩定性，本文采用部分區域覆銅技術，在1 mm厚的PVC板上制作電容傳感器的平行極板，覆銅區域的銅箔厚度為0.035 mm。

根據中國科學院電子學研究所對小麥相對介電常數的測量，小麥種子相對介電常數為2.5～3.0[29]。本文選取小麥種子相對介電常數中間值2.75，以便于后面進行計算，確定電容傳感器的尺寸參數。通過大量實際測量得出小麥籽粒長約6.5 mm，直徑為3.4~3.8 mm，則單粒小麥種子的體積（小麥種子近似圓柱體）近似為

1≈ π·1.72·6.5 （4）

帶入式（3）有：

電容檢測芯片選用AD7746（電容模數轉換芯片），精度為0.004 pF，若要辨別出1粒小麥種子，則根據式（5）Δ需要滿足條件Δ>0.004，即

根據式（6），2個平行極板間距離設計為=15 mm。

電容極板的尺寸與傳感器和排種輪的安裝位置有關。如圖2所示，忽略外部振動和摩擦等因素的影響，可以認為種子在排種器的同一高度沿著排種器排種輪的切線方向以一定速度排出并在重力作用下運動[22]。

注：H為排種口至平行極板上邊界的距離，mm；V為種子的初始速度，mm/s；θ為排種角，即小麥種子初始速度V方向與水平方向之間的夾角，rad；b為平行極板的長度，mm；d為兩平行極板間的距離，mm。

為了保證檢測精度，應盡可能使小麥種子在通過電容傳感器平行極板時被采樣1次，種子通過平行極板時被采樣1次的約束條件為：

t< Δ< 2 t（7）

式中t為采樣周期，即2次采樣之間的時間間隔，s；Δ為小麥種子通過平行極板的時間，s。

種子通過平行極板的時間Δ由種子到平行極板上邊界的速度1和平行極板的長度決定，滿足公式

解得

種子到達平行極板上邊界的速度1由小麥種子的初始速度、排種口至平行極板上邊界的距離和排種角決定。

式中為排種輪半徑，mm；為排種輪的角速度，rad/s；1為種子到平行極板上邊界的時間，s；為重力加速度，9.8×103mm/s2。

根據式（8）、（9）和（10）求得種子通過平行極板的時間為

常用小麥排種器排種輪實測參數為=27 mm，= 1.047 2 rad；=147 mm，根據式（11）、、電容模數轉換時間等綜合考慮，確定平行極板的長度=30 mm，寬度=30 mm。當排種輪轉速為20 r/min時，由式（11）求得Δ16.85 ms，根據式（7）初步設定采樣周期為15 ms。

2.3 檢測電路設計

小麥種子通過電容傳感器引起的電容變化量較小，檢測精度會受到寄生電容和環境的影響，為實現高精度的測量，選用模數轉換芯片AD7746，可以有效地降低這些因素帶來的影響。小麥排種精密檢測信號采集與處理電路原理如圖3所示。該電路由STM8單片機、電容模數轉換芯片AD7746等組成。STM8單片機主要任務是對電容模數轉換芯片AD7746進行初始化配置，設置轉化速率為66.7 Hz（采樣周期為15 ms），采集電容的變化值，將采集的數據進行預處理和存儲，并將數據傳送給上位機。

圖3 檢測電路原理圖

振動、電磁干擾等因素對電容傳感器的影響較大。信號采集與處理電路和平行極板之間采用導線連接，為了避免導線振動而產生隨機噪聲電容，則需要盡可能縮短連接導線的長度并通過固體膠將連接導線與電路安裝盒固定。為了降低電磁干擾對檢測結果的影響，傳感器電路安裝盒為鐵質材料制成的密閉空間，信號采集與處理電路和連接導線全部安裝于鐵質金屬盒中，電容傳感器的電路通過航空接頭與外界進行數據傳輸。

3 小麥播種量檢測試驗

3.1 試驗平臺

試驗平臺由步進電機及驅動器、種箱、排種輪、電容傳感器、接種盒和上位機等組成，其結構如圖4a所示。57BYG250B步進電機控制排種輪的轉速，進而控制小麥種子的流量。電容傳感器用于電容值的采集，并將數據通過CAN總線傳送給上位機進行處理。試驗流程如圖4b所示。

圖4 小麥播種量檢測試驗平臺及播種量檢測流程圖

3.2 小麥種子數量與電容變化量線性關系試驗

3.2.1 確定基礎電容值

選用變地金生產的小麥種子進行試驗，首先人工去除一些不飽滿的顆粒，選取大小相近的小麥種子進行試驗。每組試驗前先啟動采樣程序采樣1 500個數據（沒有小麥種子流過時的電容值），對這1 500個數據求均值，作為檢測系統的基礎電容值C。

3.2.2 線性關系試驗

設置系統的采樣周期為15 ms，分別以1、2、3、4、5和6粒種子同時下落進行6組試驗，每組試驗進行100次。在每組試驗中，對得到的100個電容變化量求均值，以均值作為對應小麥數量引起的電容變化量。

對電容變化量與2個平行極板間小麥種子數量進行最小二乘擬合，得到兩者之間的關系為：

電容變化量與2個平行極板間小麥種子數量最小二乘擬合直線如圖5所示，進一步計算得到線性相關系數為0.996 6，這表明電容變化量與2個平行極板間小麥數量之間存在很高的線性相關性，在電容傳感器內部，每粒小麥種子引起的電容變化量約為0.003 7 pF。

圖5 電容變化量與種子數量最小二乘擬合直線

3.3 小麥播種量實時檢測試驗

3.3.1 小麥播種量檢測最小二乘回歸模型

當小麥種子通過電容傳感器時，會形成脈沖信號，對于單個采樣點而言，由種子數量與電容變化量線性關系試驗可知電容變化量與小麥數量成正比。啟動電機帶動排種輪轉動后，在檢測小麥播種量的過程中，系統的檢測結果會伴有微小波動，波動范圍在0.001 5 pF以內，為此設定判斷閾值，只有滿足閾值條件的脈沖峰值才被認為是有效的，即需滿足下式：

式中C為第采樣點的電容值，pF；C為傳感器的基礎電容；為判斷閾值。

正常單粒小麥種子經過電容傳感器引起的電容變化值約為0.003 7 pF，通過多次重復預試驗確定閾值0.002 8，以排除電容自身微小波動引起的誤判。

在每組采樣試驗中，采樣周期設置為15 ms，采樣點數設置為1 500個，排種輪轉速（步進電機輸出轉速）設置為20 r/min，為準確獲取小麥種子通過電容傳感器時引起的電容變化量，在啟動采樣命令后再控制步進電機帶動排種輪轉動，在系統采樣完成前關閉步進電機。小麥種子通過電容傳感器時，電容值會明顯增大，根據這個特征提取小麥通過電容傳感器時對應的電容值數據，一共進行40組試驗（以下試驗數據采樣均采用此方法）。將滿足式（13）條件的所有采樣點處的電容值進行積分，同時人工統計出經過電容傳感器的小麥種子粒數如表1所示。

將滿足式（13）條件的所有采樣點處的電容值進行積分

將表1中實際經過電容傳感器的小麥籽粒數與電容積分值進行最小二乘擬合，得到兩者之間的關系為：

式中為根據公式（14）計算得到的電容積分值，pF。

小麥籽粒數與電容積分值最小二乘擬合直線如圖6所示，計算得到線性相關系數為0.993 6，這表明實際經過電容傳感器的小麥種子粒數與電容積分值之間存在很高的線性相關性。

表1 每組采樣中電容積分值和實際小麥粒數

圖6 小麥籽粒數與電容積分值最小二乘擬合直線

3.3.2 不同排種輪轉速下播種量實時檢測試驗

為進一步檢驗該系統的可靠性和檢測精度，分別在20、25和35 r/min三種排種輪轉速下進行試驗。設置系統采樣周期為15 ms，每種轉速下進行6組試驗。在每組試驗的采樣數據中，將滿足式（13）的所有采樣點處的電容值進行積分，再根據式（15）計算出小麥籽粒數，由計算出的籽粒數與人工統計的實際籽粒數相對比，計算相對誤差，其結果如表2所示。

由表2可以發現：采樣周期保持15 ms情況下，在排種輪轉速為20 r/min時，利用擬合關系式（15）計算得到的小麥籽粒數與實際籽粒數兩者之間的相對誤差較小，介于-1.57%～1.37%之間。然而，在排種輪轉速為25和35 r/min時，利用擬合關系式（15）計算得到的小麥籽粒數與實際籽粒數兩者之間的相對誤差較大，而且隨著轉速的提高，相對誤差逐漸增大，其偏離程度如圖7所示。

表2 不同排種輪轉速下播種量實時檢測結果（采樣周期15 ms）

3.3.3 改變采樣周期下播種量實時檢測試驗

在理想情況下，小麥種子通過平行極板時被電容傳感器采樣一次。試驗表明在同一轉速下，實際經過電容傳感器的小麥籽粒數與電容積分值之間存在很高的線性相關性，這是因為種子通過平行極板時被采樣的次數符合同一分布。然而，對于不同的轉速，根據（11）式可知種子通過平行極板的時間Δ會發生變化，這會影響種子通過平行極板時被采樣次數的分布情況。這就是在同一采樣周期下，排種輪轉速逐漸提高時，利用擬合關系式（15）計算得到的小麥籽粒數與實際籽粒數之間相對誤差逐漸增大的原因。

為使得該系統滿足較大的排種輪轉速范圍播種量檢測，本文通過試驗發現，當排種輪轉速每增加5 r/min時，采樣周期相應減少0.4 ms，則擬合關系式（15）仍可以使用。為檢驗不同轉速條件下，通過改變采樣周期，使用擬合關系式（15）的精度，分別在排種輪轉速25、30、35、40、45、50、55和60 r/min下進行試驗。對應的采樣周期從14.6 ms開始依次減少0.4 ms，每種轉速下進行5組試驗。在每組試驗的采樣數據中，將滿足式（13）條件的所有采樣點處的電容值進行積分，再根據式（15）計算出小麥籽粒數，由計算出的小麥籽粒數與實際籽粒數相比較，計算相對誤差，其結果如表3所示。由表3可知：在排種輪轉速25、30、35 r/min等8種下，改變對應的采樣周期，根據式（15）計算出該系統的相對誤差介于-2.26%～2.17%之間。這表明通過改變對應的采樣周期，該系統對不同排種輪轉速均具有較高的檢測精度。

圖7 采樣周期為15 ms時不同排種輪轉速下小麥籽粒數

表3 不同排種輪轉速和采樣周期下播種量實時檢測結果

4 結 論

1）基于電容法設計了小麥精量播種機播種量實時檢測系統。由檢測分辨率和排種速度與采樣頻率約束關系確定了傳感器結構尺寸，確定了實現精量檢測的結構基礎。

2）建立了采樣周期15 ms、排種輪轉數（步進電機輸出轉速）20 r/min時的小麥籽粒數與電容積分值之間的最小二乘回歸模型，試驗表明：排種輪轉數為20 r/min時，使用該模型計算得到的小麥籽粒數與實際籽粒數兩者之間的相對誤差介于-1.57%～1.37%之間，然而，在排種輪轉數為25和35 r/min時，使用該模型計算得到的小麥籽粒數與實際籽粒數兩者之間的相對誤差較大，而且隨著轉速的提高，相對誤差逐漸增大。

3）為了使得該模型適用于不同的排種輪轉數，提出了一種通過改變采樣周期的方法，以使擬合關系式（15）適用于不同的排種輪轉速，試驗表明當排種輪轉數每增加5 r/min時，將采樣周期相應減少0.4 ms，則擬合關系式（15）仍可以使用，使用該擬合關系式計算得到的小麥籽粒數與實際籽粒數兩者之間的相對誤差介于-2.26%～2.17%之間。由此可見，對不同的排種輪轉速，本文所設計的檢測系統均具有較高的檢測精度，這為實現小麥播種量的精準檢測提供了一種有效途徑。

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Design and test of capacitive detection system for wheat seeding quantity

Chen Jianguo, Li Yanming※, Qin Chengjin, Liu Chengliang

(200240)

At present, the methods of seeding detection are photoelectric-based method, image-based method and capacitance-based method. For the photoelectric-based method, the detection accuracy of photoelectric sensor is affected by the vibration, light, temperature and other factors on the farmland. When multiple seeds fall simultaneously, the refraction phenomenon of photoelectric sensor also affects the accurate detection. For the image-based method, its high precision detection provides a new way to improve the performance of wheat-planter seeding. However, image processing technology requires special equipment with high cost, and cameras are easy to be interfered by external light. Consequently, it is difficult to be widely applied in the complex environment on the farmland. Compared with photoelectric-based and image-based methods, the capacitance-based method is less affected by light and dust and thus has a strong environmental adaptability. However, when multiple seeds fall simultaneously, the detection accuracy of the capacitance-based method still needs to be improved. In this paper, a precise detection system for wheat-planter seeding quantity was designed using the capacitance-based method. The detection resolution and the constraint relation between the seeding speed and the sampling frequency determine the structure size of the capacitance sensor. To guarantee the detection accuracy, every seed should be detected only once as far as possible when it passes through the parallel plate of capacitance sensor. Then the initial sampling period can be determined according to the above sampling method. Meanwhile, high detection accuracy is difficult to be achieved due to the small capacitance change in detection system and the influence of parasitic capacitance and environment in conditioning circuit. Therefore, the capacitance analog-to-digital conversion chip of AD7746 is utilized to effectively reduce the error caused by the above factors. The signal acquisition and processing circuit for precise detection of wheat-planter was designed based on the AD7746 and the single chip microprocessor of STM8. Ideally, the seed passing through the capacitor plate will be sampled only once by the capacitive sensor. However, the times of the seed passing through the parallel plate will be changed with different wheat-planter seeding speeds, which will affect the distribution of sampling times when the seed passes through the capacitor plate. The least squares regression model of the real-time wheat-planter seeding quantity detection was built under the condition with the sampling period of 15 ms and the wheat-planter speed of 20 r/min. The results showed that when the sampling period is 15 ms, the relative error between the number of seeds calculated by the least squares regression model and the actual number of seeds increases with the speed of the wheat planter. Consequently, to make the detection system suitable for the different seeding speeds, a detecting method was proposed by changing the sampling period, in which the sampling period was reduced by 0.4 ms when the wheat-planter speed was increased by 5 r/min. The least square regression model established above is still applicable for this case. The results showed that high detection accuracy can be obtained for different seeding speeds, and the relative error was between -2.26%－2.17%.

agricultural machinery; sensors; design; seeding quantity; capacitance method; least squares regression model

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.007

S127

A

1002-6819(2018)-18-0051-08

2018-05-15

2018-06-21

國家重點研發計劃項目（2016YFD070030503）；國家重點研發計劃項目（2016YFD0700505）

陳建國，男，博士生，主要從事高精度農機方面研究。 Email：jianguo890811@163.com

李彥明，男，副教授，主要從事機電系統辨識及自適應高精度控制方面研究。Email：ymli@sjtu.edu.cn

陳建國，李彥明，覃程錦，劉成良. 小麥播種量電容法檢測系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(18)：51－58. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.007 http://www.tcsae.org

Chen Jianguo, Li Yanming, Qin Chengjin, Liu Chengliang. Design and test of capacitive detection system for wheat seeding quantity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 51－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.007 http://www.tcsae.org