胡宸晗

(南京市第二十九中學(xué)，江蘇南京，210036)

0 引言

我國(guó)自古以來就是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)一直作為經(jīng)濟(jì)民生領(lǐng)域的重要支柱產(chǎn)業(yè)。播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，精量播種方式不僅播種效率高，節(jié)約人力物力，而且能夠節(jié)約種子、化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用物資，大大提高了農(nóng)作物的生產(chǎn)效率，而且節(jié)約了大量成本，增加了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益[1]，種子數(shù)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)精量播種的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在培育、選種、產(chǎn)量預(yù)測(cè)等過程中千粒質(zhì)量是一個(gè)重要的指標(biāo)，也需要對(duì)種子進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)數(shù)。傳統(tǒng)采用人工數(shù)種的方式，繁瑣枯燥、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，并且非常容易出錯(cuò)。因此進(jìn)行精確的種子自動(dòng)計(jì)數(shù)已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)亟待解決的問題。

壓電傳感器是利用壓電元件受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[2]，可用于種子撞擊等振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。本文設(shè)計(jì)了一種基于Arduino和壓電傳感器的種子自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，利用壓電傳感器檢測(cè)種子撞擊懸臂梁產(chǎn)生的振動(dòng)，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，采用Arduino微控制器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)和顯示。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足種子自動(dòng)計(jì)數(shù)的實(shí)際需求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

種子自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)主要由導(dǎo)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(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)種子沿著導(dǎo)種管從一定高度落下時(shí)，撞擊在傾斜放置的懸臂梁上，產(chǎn)生一定振幅的振動(dòng)信號(hào)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(chǎn)生正壓電效應(yīng)輸出變化的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路輸入Arduino微控制器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。

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(chǎn)生的干擾，將懸臂梁與水平面呈現(xiàn)45°傾角進(jìn)行固定，種子由導(dǎo)種管引向懸臂梁下端。

用粘接劑將壓電陶瓷片粘貼在正對(duì)種子撞擊的懸臂梁背面區(qū)域，懸臂梁另一端固定[3]。當(dāng)種子逐個(gè)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(hào)變化的次數(shù)即可得到種子的數(shù)量，并在LCD液晶顯示器上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)工作過程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yīng)，石英晶體的壓電效應(yīng)早在1680年即已發(fā)現(xiàn)。某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)[4]。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)[2]。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)物質(zhì)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(zhuǎn)換功能。

綜合考慮檢測(cè)精度、成本等因素選用壓電陶瓷作為種子沖擊檢測(cè)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(tǒng)工作過程框圖

Arduino是一個(gè)開源的軟硬件開發(fā)平臺(tái)，功能強(qiáng)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(fā)環(huán)境。Arduino可以通過傳感器來采集數(shù)據(jù)，通過控制電機(jī)、LED燈和其他裝置來實(shí)現(xiàn)控制功能。用戶在IDE中編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件燒錄進(jìn)Arduino微控制器后，便可在程序的控制下實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。Arduino是硬件軟件都開源的，相比于C51、STM32等硬件平臺(tái)使用更加簡(jiǎn)單，完全脫離了寄存器的配置，幾乎所有功能都已經(jīng)有了上層庫調(diào)用，透明掉了大部分與硬件相關(guān)的操作，對(duì)于不熟悉微控制器硬件結(jié)構(gòu)和寄儲(chǔ)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(fā)板作為種子自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，擁有131條指令，絕大多數(shù)為單時(shí)鐘執(zhí)行，包括32個(gè)8位通用工作寄存器，32KB Flash，1KB EEPROM，2KB的片內(nèi)SRAM[5]。具有14個(gè)數(shù)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(gè)16MHz的晶振，1個(gè)電源插座，1個(gè)USB接口，還有很多擴(kuò)展用的電路插座[6]，能夠滿足種子自動(dòng)計(jì)數(shù)和實(shí)時(shí)顯示的要求。

2.3 液晶顯示模塊

LCD1602是一款用來顯示字母、數(shù)字和符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶顯示器，能同時(shí)顯示兩行，每行16個(gè)字符，具有控制簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于ATmega328p的輸入/輸出引腳數(shù)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(dǎo)體公司在八十年代初設(shè)計(jì)出來的一種總線結(jié)構(gòu)。IIC串行總線有2根雙向信號(hào)線，一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。IIC總線通過上拉電阻接電源，當(dāng)總線沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兩根線為高電平。IIC總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，包括地址和實(shí)際的數(shù)據(jù)信號(hào)。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(jiǎn)單，節(jié)省I/O口資源。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

種子自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的軟件是在Arduino官方的集成開發(fā)環(huán)境下運(yùn)用C語言進(jìn)行開發(fā)的。IDE開發(fā)環(huán)境自帶串口通信工具，為調(diào)試程序帶來了方便。

系統(tǒng)上電或復(fù)位后程序開始執(zhí)行，首先對(duì)各部分進(jìn)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(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并與程序中設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，進(jìn)行種子計(jì)數(shù)判斷，如果采集到的電壓值大于閾值，將保存種子數(shù)量的變量加1，并送到LCD液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，同時(shí)進(jìn)行串口輸出可以在電腦中的Arduino開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(hào)，種子計(jì)數(shù)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(tǒng)性能試驗(yàn)

圖5 種子自動(dòng)計(jì)數(shù)試驗(yàn)裝置

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理設(shè)計(jì)并制作了種子自動(dòng)計(jì)數(shù)試驗(yàn)裝置如圖5所示。試驗(yàn)裝置主要包括鐵架臺(tái)、導(dǎo)種管、Arduino Uno開發(fā)板、LCD1602液晶顯示器、電源、電腦等。鐵架臺(tái)用于固定導(dǎo)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(dòng)傳感器，用于檢測(cè)種子撞擊的振動(dòng)信號(hào)；采用塑料漏斗和PVC管作為導(dǎo)種管道，引導(dǎo)種子準(zhǔn)確撞擊壓電傳感器敏感區(qū)域。當(dāng)前計(jì)數(shù)值在LCD1602液晶顯示器上進(jìn)行顯示，如圖6所示。

圖6 LCD1602顯示當(dāng)前計(jì)數(shù)值

為了驗(yàn)證種子自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)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(jìn)行釋放，沿導(dǎo)種管下落，撞擊壓電傳感器敏感區(qū)域，100s內(nèi)放完。重復(fù)5次，記錄檢測(cè)到種子數(shù)量，計(jì)算檢測(cè)誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1計(jì)算得到種子自動(dòng)計(jì)數(shù)平均誤差為1.8%，該系統(tǒng)能夠滿足種子自動(dòng)計(jì)數(shù)的要求。

表1 種子自動(dòng)計(jì)數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的種子自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)充分利用了Arduino微控制器功能強(qiáng)大、體積小巧、開發(fā)難度低和壓電陶瓷靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，通過壓電傳感器檢測(cè)種子下落的振動(dòng)信號(hào)，在Arduino微控制器中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)。在自制的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行了種子自動(dòng)計(jì)數(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，單粒紅豆排種計(jì)數(shù)的相對(duì)誤差小于3%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量精度高，可以廣泛應(yīng)用于種子自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域。