基于Arduino和壓電傳感器的種子自動計數系統設計

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大國，農業一直作為經濟民生領域的重要支柱產業。播種是農業生產的關鍵環節之一，精量播種方式不僅播種效率高，節約人力物力，而且能夠節約種子、化肥、農藥等農用物資，大大提高了農作物的生產效率，而且節約了大量成本，增加了農民的經濟效益[1]，種子數量的實時監測是實現精量播種的關鍵環節之一。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。傳統采用人工數種的方式，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已成為農業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系統，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和顯示。本系統具有結構簡單、測量精度高等優點，能夠滿足種子自動計數的實際需求。

1 系統總體結構

種子自動計數系統主要由導種管、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，經信號處理電路輸入Arduino微控制器中進行計數。

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即可得到種子的數量，并在LCD液晶顯示器上進行顯示。系統工作過程如圖2所示。

圖1 系統總體結構

2 信號檢測系統設計

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年即已發現。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象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應[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，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應[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 系統工作過程框圖

Arduino是一個開源的軟硬件開發平臺，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集成開發環境。Arduino可以通過傳感器來采集數據，通過控制電機、LED燈和其他裝置來實現控制功能。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開發板作為種子自動計數系統的控制器，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，絕大多數為單時鐘執行，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、成本低等優點。由于ATmega328p的輸入/輸出引腳數量比較有限，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，一根是數據線SDA，另一根是時鐘線SCL。IIC總線通過上拉電阻接電源，當總線沒有數據傳輸時，兩根線為高電平。IIC總線上傳送的數據信號是廣義的，包括地址和實際的數據信號。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，節省I/O口資源。

2.4 軟件設計

種子自動計數系統的軟件是在Arduino官方的集成開發環境下運用C語言進行開發的。IDE開發環境自帶串口通信工具，為調試程序帶來了方便。

系統上電或復位后程序開始執行，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，進行種子計數判斷，如果采集到的電壓值大于閾值，將保存種子數量的變量加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開發環境中進行實時監測。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 系統性能試驗

圖5 種子自動計數試驗裝置

根據系統的工作原理設計并制作了種子自動計數試驗裝置如圖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域。當前計數值在LCD1602液晶顯示器上進行顯示，如圖6所示。

圖6 LCD1602顯示當前計數值

為了驗證種子自動計數系統的性能，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域，100s內放完。重復5次，記錄檢測到種子數量，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平均誤差為1.8%，該系統能夠滿足種子自動計數的要求。

表1 種子自動計數試驗結果

4 結束語

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