小型施肥機施肥檢測系統設計與試驗

中圖分類號：S224.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0206-05

Abstract：Toaddresstheissueofonlinefertilizationmeasurementinsmallfertilizationmachines，adetectionsystembased onacapacitive sensor was designed.This systemis centered around the STM32Fl03C8T6 microcontroler and comprises a capacitive plate，an FDC2214 capacitive sensor chip，andother hardware circuits. Itcaptures the changeincapacitancebetweenparalelplatescausedbythefallingoffertilizer，convertingthecapacitivesignalintoadigital oneforprocessingand storageby the microcontroler.Themeasured capacitance values，correlated withthe mass of the fertilizer，aredisplayed onan OLED screen，and datacanbetransferred toacomputer viaserialcommunication.Atesting platformforthefertilizerdistributionsystemofanexternal troughwhel-typefertilizeraplicatorwasconstructed， establishingamathematical modelrelating the massflowrateofcompound fertilizertochanges incapacitance.This model was experimentallyvalidated undervarious working conditions.Theresults demonstratedalinearcorrelationcoeficientof 0.989 between thechangeincapacitanceandthemassoffertilizer between theplates，indicatingasignificantfit.Although temperature variations could increase the error margin of the detection system，the overallrelative measurement error for fertilization quantity did not exceed 8.07% ，meeting both design and practical production requirements.

Keywords：ailfertilsseot；apiaceas；rotlss；fer

0 引言

施肥是進行農業作業過程中的重要環節，對農作物的生長培育起到至關重要的作用。在進行田間施肥作業時，由于肥料潮濕黏稠、排肥管堵塞等問題造成化肥沒有得到均勻施用，而化肥的不均勻施用不僅會導致作物生長不均勻，影響作物產量和質量，還會造成環境污染且投人成本高[1]。因此，研究化肥實時檢測對解決土地生產問題和精準變量施肥技術有重要意義。

目前應用在固體顆粒肥料流量的檢測方法主要有質量法、光電法、微波法等[2-4]。質量法是使用壓力傳感器測量排肥器在排出化肥前后的質量差[5]。丁永前等[設計一種利用彈簧壓力與拉力傳感器互補特性原理的稱量式播量檢測裝置，減弱了動態稱量法測量系統容易被機器振動干擾影響的問題；Yang等[3基于力矩平衡原理，設計一種施肥量在線檢測裝置，當肥料的重力大于電磁吸盤吸力時開始排肥，計量脈沖信號開始累積，根據單次計量的肥料質量和計量脈沖信號的數量計算施肥量，雖然該檢測方法結構簡單，但通常與排肥器捆定，對質量輕的小機器檢測精度較差。光電法的原理是通過肥料對光線的遮擋，檢測光線發射端與接收端的電壓信號差異得出肥料質量。趙立新等[8]使用發射式光電傳感器設計一種小麥精播施肥一體機監測系統，檢測種子和肥料缺失、堵塞、泄漏等問題并報警警示，試驗結果顯示，報警準確率大于92.5% ，報警響應時間低于 0.3s 。姜萌等9分析化肥顆粒排出后在排肥導管中的分布規律，通過驗證檢測元件密度對光電傳感器性能的影響，提高檢測模型的檢測精度。但由于施肥機工作在高塵、高振的環境里，光電傳感器容易受到外界干擾而降低精度。微波法根據微波多普勒回波信號與排肥管內肥料顆粒的下落速度和濃度之間的數學關系計算肥料流量的質量[10，11]，但微波法受環境中的噪聲影響較大，適用范圍有限。Back等[12]采用彩色數碼相機對肥料顆粒的下落進行圖像采集，測量顆粒的直徑、數量及密度來估計施肥量。周利明等[13]設計一種差分式電容傳感器，用于施肥機排肥過程肥料流量檢測和堵塞報警工作。王金武等[14]根據稻谷含雜率、溫度和電容差值之間的關系，實現對聯合收獲機稻谷含水率在線檢測。

綜上所述，相比于質量法和光電法，利用電容傳感器檢測肥料流量的方法受環境干擾影響較小，有較強的環境適應性[15]；與微波法相比，數據量小、價格便宜，更適用于山地小型施肥機。本文基于電容法設計一種適用于小型施肥機的施肥量檢測系統，以常用的復合肥為試驗材料，確定排肥器排量與電容變化量之間的線性關系模型，并在不同工作條件下進行試驗驗證。

1施肥流量檢測原理

平行極板電容傳感器裝置固定在排肥導管中部，當沒有化肥經過時，2個電容極板之間只有空氣介質，此時測得的電容值是一個恒定值；當排肥導管內有化肥經過時，由于肥料顆粒與空氣的介電常數不同，隨著空氣與肥料顆粒在排肥導管內的混合比例變化，兩極板之間的電容值也會發生變化。電容極板之間電容的計算[16]如式（1）所示。

式中： C ——電容量，F；Er 相對介電常數；ε_?0 真空介電常數， δ_;ε0=8.8542×10^-15δF/mm s 平行極板的相對面積， mm² d 平行極板之間的距離， mm 。

排肥器在排肥過程中，2個平行極板之間物質的相對介電常數

式中： E₁ ——肥料的相對介電常數；（202 ε₂ ——空氣的相對介電常數；V₁ 一 一肥料所占體積， mm³ ：V₂ ——空氣所占體積， mm³ V₃ ——電容傳感器極板之間的總體積， mm³ 。

因此，在排肥過程中電容傳感器的電容變化量

式中： Ψ_m ——平行極板間的肥料質量， g ρ 肥料的密度， g/cm³ 。

由式（3）可知，當肥料和空氣的相對介電常數不變時，檢測場內的肥料質量與電容變化量之間呈線性變化。因此，通過獲取平行極板間的電容信號值，即可獲得排肥器排出肥料的質量。

2 檢測系統設計

2.1 檢測系統硬件設計

施肥量在線檢測系統的硬件電路主要由電容信號采集電路和電容信號調理電路2個模塊組成。電容傳感器采集電容值信號，通過AD轉換芯片將電容信號從模擬信號轉換為數字信號[17]，并將信號傳遞給單片機，經過單片機的內部程序的處理分析可以獲得電容值差值及對應的肥料質量，并將數據傳遞給顯示屏。檢測原理如圖1所示。

電容式傳感器對檢測系統的精度有至關重要的作用，由平行電容極板、排肥導管、信號傳輸電路、金屬外殼等組成。為避免外界干擾產生的隨機電容對電容傳感器的影響，電容傳感器電路用金屬外殼包裹形成一個相對密封的空間，以提高檢測系統的準確性，電容傳感器通過導線與電容信號調理電路相連。電容傳感器的相對面積為 25.2cm² ，肥料通過電容傳感器引起的電容變化量較小，范圍在 0.1pF 的量級。為實現高精度的測量，電容信號調理電路選用STM32F103C8T6單片機、FDC2214電容傳感器芯片、OLED顯示屏、穩壓電路、串口通信接口等元器件組成。

單片機STM32F103C8T6是整個檢測系統的核心元器件，具有高處理能力和響應速度、低功耗以及抗干擾能力強的優點，主要完成電容數字信號的讀取、處理和傳輸等。單片機通過 I²C 總線與FDC2214電容傳感器芯片進行數據通信與信息同步，并將處理之后的數據傳遞給OLED顯示屏。OLED顯示屏是一種利用多層有機薄膜機構發光的元器件，與LCD屏幕相比，OLED顯示屏更輕薄、亮度高、功耗低、響應速度快且清晰度好，能夠適應田間作業環境。FDC2214是一種高分辨率、多通道、電容一數字轉換器，內部包含獨立的電容測量通道和電容計，采樣速度為 1MHz ，同時擁有高達24位的精度。FDC2214通過一組并聯的LC電路與被測量的電容器組成一個諧振電路，通過測量LC諧振器的振蕩頻率，根據式（4）可計算得到需要測量的電容值。

式中： C_n 1 測量電容，pF；C_m 1 測量通道上的并聯電容， pF ·L 一 測量通道上的電感，H；f 測量通道的參考頻率， Hz 。

溫度變化通常會導致電容器的元件值產生偏移現象，從而導致傳感器的諧振頻率的偏移，使用并聯電路的電容器作為參考可以相對減弱溫度影響。

2.2檢測系統軟件設計

在Keiluvision5MDK軟件的開發環境里，使用C語言編寫電容信號檢測系統的程序，C語言易移植，可讀性強。單片機系統程序主要由信號檢測子程序、數據處理子程序、OLED顯示子程序等組成。程序運行流程如圖2所示。

檢測系統對外使用 12V 的電壓，經過降壓模塊和穩壓模塊輸出穩定的5V和 3.3V 電壓以應對不同模塊的電壓需求。通電后，單片機執行初始化的程序，首先完成與各個子程序連接的IO端口配置，FDC2214芯片開始啟動并對極板間的電容信號進行采樣和計算，單片機接收電容值并進行數據處理，后續將結果呈現在OLED顯示屏上，還可以通過串口通信上傳至上位機。

3 試驗與結果分析

3.1檢測系統試驗平臺搭建

開展室內試驗，確定肥料質量與平行極板間電容變化量的擬合方程和相關性系數，并對其進行準確性驗證。試驗地點在貴州大學機械工程學院智能農機實驗室，試驗平臺由肥料箱、排肥器、驅動電機、排肥導管、施肥量檢測系統等組成，如圖3所示。調速器控制驅動電機轉速，進而控制肥料排放的速度；硬紙盒收集排肥器排出的肥料，采用精密天平ZG一TP203（精度為0.1g）稱量收集到的肥料；檢測系統用于采集和處理電容信號。試驗材料選用氮磷鉀復合肥，肥料顆粒呈白色、無結塊，相對介電常數為 1.5～3 ，試驗過程中外部環境不變，肥料與空氣的相對介電常數為定值。

圖3施肥量檢測試驗平臺

Fig.3Fertilization amount detection test platform

1.上位機2.肥料箱3.排肥器4.排肥導管5.檢測系統6.硬紙盒7.調速器

3.2肥料質量與電容變化量線性擬合

設置排肥輪軸的轉速為 20Δr/min ，排肥輪軸的工作長度為 50mm ，單片機的采樣周期為 20ms （室內溫度為 15^°C ）。排肥試驗前，先啟動采樣程序采集100個電容數據，求均值，作為檢測系統的基礎電容值C₀ 。然后以排肥器工作時間為變量，開展8組排肥檢測試驗，每組重復10次，試驗中測量每0.5s內電容均值與基礎電容值的差值在工作時間內的累計值。最后求8組試驗的10個累計值的平均值 ΔC ，作為對應肥料質量引起的電容變化量。

將每組試驗獲得的電容變化量與對應肥料質量導人Origin中，并通過最小二乘法進行擬合得到式（5）。

m=15.2491×ΔC+2.5090

式中： ΔC 肥料流過電容傳感器時引起的電容變化量，pF。

電容變化量與平行極板間的肥料質量最小二乘法擬合方程如圖4所示，隨著肥料質量的增加，對應的電容變化量也隨之增加。相關系數為0.989，說明線性擬合效果顯著。因此，將測量傳感器的電容變化量，代入擬合方程之中，便可得到排肥器的實際排肥量。

3.3排肥器在不同工作條件下檢測試驗

針對小型施肥機施肥量檢測系統的可靠性和檢測精度的問題，進行試驗驗證。以排肥輪軸的轉速和工作長度為變量設計9組試驗，肥料排放時間持續 10s 每組試驗進行10次，同時在排肥導管出口處收集排出的肥料，每組試驗結果取平均值。將檢測系統測量得到的施肥量與排出肥料的實際質量相對比，計算相對誤差，試驗結果如表1所示。

表1施肥量檢測系統試驗結果 Tab.1 Test results of fertilization amount detection systerr

由表1可知，在排肥輪軸處于不同轉速和不同工作長度的工作條件下，施肥量的測量誤差最大不超過5% 。因此，驗證了電容變化量與平行極板間的肥料質量之間的線性關系模型的準確性，基于電容法的檢測系統對小型施肥機施肥量進行在線檢測是可行的。

3.4溫度對電容檢測系統的誤差影響

當施肥檢測系統進行檢測工作時，田間作業環境溫度是影響電容傳感器檢測性能的一個重要因素。為驗證溫度對電容傳感器檢測的影響，設計溫度對電容檢測系統的單因素試驗。在室內溫度不同的情況下，向排肥導管內分別緩慢倒入 100g，150g，200g 的肥料，記錄檢測系統得到的施肥量，試驗結果如表2所示。

表2不同溫度下電容檢測系統誤差Tab.2Error of capacitance detection system atdifferent temperatures

由表2可知，施肥檢測系統的測量值會隨著溫度的升高而變大，溫度的改變則會導致相對誤差增加。肥料質量的測量值與檢測電容變化量呈正相關，說明溫度的升高會導致檢測電容值增大，溫度的改變導致檢測系統精度的均勻性降低。

4結論

1）在理論分析的基礎上設計一種基于單片機的電容式施肥量檢測系統，并搭建施肥機施肥流量檢測系統平臺，該系統主要由平行電容極板、STM32F103C8T6單片機、FDC2214電容傳感器芯片等電路元器件組成，可以實現對微小電容變化量的檢測，確保檢測系統的精度。

2）建立電容變化量與平行極板間復合肥料質量的線性關系模型，且線性擬合效果比較顯著，并在不同工作條件下進行排肥量試驗，驗證線性模型的準確性。研究溫度變化對檢測系統精度的影響，溫度的改變會導致檢測系統精度降低。該檢測系統在不同溫度下試驗的相對誤差整體不超過 8.07% ，能夠滿足設計和實際生產作業要求。

3）施肥量檢測系統的檢測相對誤差較小，可以實現施肥量的在線檢測，該檢測系統操作容易、結構簡單、移植性好，為丘陵山區小型施肥機施肥量的實時檢測及其變量控制施肥系統的研究提供思路。

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