張 冰，袁忠文，譙 睿，張?zhí)祉?，?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，播種時存在漏播、重播、堵塞等現(xiàn)象，影響播種質(zhì)量，因此設(shè)計配套的漏播檢測系統(tǒng)對提高三七播種質(zhì)量具有重要意義。播種時三七種子粒徑范圍大，要求檢測裝置具有較高的精度與靈敏度，現(xiàn)有的漏播檢測裝置在設(shè)計紅外傳感器時大多采用對射式相對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)計傳感器時需要考慮傳感器相互位置并存在一定的的盲區(qū)[3]，影響漏播檢測的準(zhǔn)確性；而控制系統(tǒng)的設(shè)計有基于單片機(jī)的工控檢測系統(tǒng)[4-5]、基于PLC的工控檢測系統(tǒng)[6-7]、基于虛擬儀器技術(shù)的工控檢測系統(tǒng)[8-10]及基于圖像處理技術(shù)的工控檢測系統(tǒng)等[11-12]，由于三七的農(nóng)藝要求，目前的漏播檢測系統(tǒng)均不適合于大棚內(nèi)的三七漏播檢測。因此，有必要設(shè)計一種新型的漏播檢測裝置以適用于大棚內(nèi)的三七精密播種。

本文針對紅外傳感器存在盲區(qū)的問題，設(shè)計了一種具有加法功能[13-14]的三七精密播種機(jī)圓形漏播檢測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對半強(qiáng)度角之外的種子進(jìn)行檢測，有效增加紅外檢測區(qū)域。為了提高漏播檢測的準(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)計上將T1設(shè)為計數(shù)模式，通過判斷計數(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)計了圓形傳感器；在對控制平臺的選取上考慮到經(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，通過信號處理電路、邏輯電路實現(xiàn)對漏播、重播的檢測。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體由紅外信號檢測電路、霍爾傳感器速度檢測電路[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電路組成。

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

在對傳感器的形狀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，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 漏播檢測裝置的設(shè)計

3.1 紅外信號檢測電路

紅外信號檢測電路由紅外發(fā)射接收電路、加法電路 、比較電路[17]組成，如圖3所示。其中，每個紅外傳感器模組由1個紅外發(fā)射二極管、3個紅外接收二極管組成。其中，兩個紅外接收管在紅外發(fā)射管的半強(qiáng)度角之外，運算放大器采用LM324，其內(nèi)嵌4路運算放大單元，具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、價格低廉等優(yōu)點；每組紅外接收管經(jīng)二極管、電阻接到運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，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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。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，對種子信號敏感度不高，因此通過調(diào)節(jié)電路中相應(yīng)電阻阻值，可提高對信號的放大倍數(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，通過調(diào)節(jié)運算放大器同相輸入電壓，使加法運算器的輸出電壓Uo≈Uref，當(dāng)有種子落下時，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

由于系統(tǒng)整體有3路信號采集電路，且無種子落下時電路輸出為高電平。為了能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)對該信號的采集，設(shè)計了邏輯轉(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

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)換電路的輸出信號接單片機(jī)的T1引腳，采用計數(shù)模式對種子信號進(jìn)行檢測；霍爾電路的輸出接T0引腳，通過感應(yīng)窩眼滾筒上磁場的變化，并轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出，單片機(jī)計數(shù)霍爾脈沖的個數(shù)換算為株距；按鍵電路用于設(shè)置不同的株距，漏播時蜂鳴器發(fā)出警報，重播時LED等閃爍，并在顯示屏上顯示播種數(shù)目、株距大小、漏播個數(shù)、漏播率、重播個數(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

C語言具有簡潔、高效的優(yōu)點，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)實現(xiàn)了對霍爾電路、邏輯轉(zhuǎn)換電路輸出信號的采集接收，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)置定時器/計數(shù)器T0、T1為計數(shù)模式，T0用于計數(shù)霍爾傳感器脈沖個數(shù)，T1用于計數(shù)種子掉落產(chǎn)生的脈沖信號。在主函數(shù)里不斷讀取T1的計數(shù)值，并進(jìn)行判斷，當(dāng)有種子落下時，T1計數(shù)值不為零，此時關(guān)閉T1計數(shù)器，種子個數(shù)加1，并讀取T0的計數(shù)值，換算成株距，實現(xiàn)對一次種子的檢測，同時為計數(shù)下一次種子掉落，清零T0、T1計數(shù)值，打開T1計數(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，是因為當(dāng)1粒種子掉落時產(chǎn)生的脈沖個數(shù)有可能不止1個，采用計數(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，則為漏播驅(qū)動蜂鳴器報警；當(dāng)兩顆種子之間的間距過小時，則為重播驅(qū)動發(fā)光管不斷閃爍。

4 性能試驗和結(jié)果分析

4.1 單粒檢測試驗

實驗室漏播檢測測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)測試驗,排種每穴為1粒，每次試驗投種250粒[21],重復(fù)3次,人工記錄播種狀態(tài)，并與系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，該監(jiān)測系統(tǒng)單粒監(jiān)測精度達(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)過紅外傳感器時未能有效檢測。

表2 實驗室單粒監(jiān)測試驗結(jié)果Table 2 Test results of single particle monitoring in laboratory

4.2 播種量檢測試驗

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)速條件下試驗重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果，每次10min左右，人工記錄播種量，并與系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 實驗室播種量檢測結(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，使檢測到的漏播穴數(shù)比實際漏播穴數(shù)少，監(jiān)測系統(tǒng)播種量監(jiān)測精度最小值為93.8%。

4.3 漏播檢測試驗

為了模擬田間漏播狀態(tài)手動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)速條件下試驗重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果，每次10min左右，人工記錄漏播狀態(tài)，并與系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行對比，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 實驗室漏播檢測結(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，檢測到的漏播穴數(shù)比實際漏播穴數(shù)多，監(jiān)測系統(tǒng)測得漏播率誤差小于3%，同時在試驗過程中對連續(xù)多次漏播結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，準(zhǔn)確率達(dá)98%。

5 結(jié)論

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