呂澤鑫 郭慧東 伍恒 張航 李風(fēng)娟 雷福祥 周嶺

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

千粒重［1］通常要數(shù)取一千粒完好的種子，再進(jìn)行稱(chēng)量，其重量即為種子千粒重。但人工數(shù)取一千粒作物種子，不但增加了育種成本，而且計(jì)數(shù)也不準(zhǔn)確［2］。數(shù)種盤(pán)［3］利用定量窩眼計(jì)數(shù)省時(shí)省力，但無(wú)法完成自動(dòng)化的數(shù)種要求，且數(shù)種結(jié)果累加性較差。機(jī)械數(shù)種器［4-8］利用振蕩原理將種子均勻的散布在平面上，再以種子流的形式依次通過(guò)光電傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)。數(shù)種器可以完成自動(dòng)化的數(shù)種作業(yè)，但計(jì)數(shù)結(jié)果精確性不高，數(shù)種時(shí)間較長(zhǎng)，振蕩過(guò)程會(huì)損傷種子?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的種子計(jì)數(shù)器［9］是將種子平鋪在特定平臺(tái)上，利用強(qiáng)光照射平臺(tái)，再用計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)捕捉種子在平臺(tái)上所成的像。計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)計(jì)數(shù)快速、多量，但強(qiáng)光照射會(huì)對(duì)種子胚芽有所損傷［10］。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種光電式數(shù)種器，數(shù)種器由計(jì)數(shù)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和運(yùn)送系統(tǒng)組成。具有快速數(shù)種、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、損種率低、操作簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 光電式數(shù)種器的組成及工作原理

光電式數(shù)種器（圖1）主要由計(jì)數(shù)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和運(yùn)送系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

圖1 光電式數(shù)種器

工作時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)傳送帶勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，將一定量的種子放到下種盒內(nèi)，種子由下種盒下種口落下，散落在傳送帶上的計(jì)數(shù)凹槽內(nèi)，計(jì)數(shù)凹槽內(nèi)的種子隨著傳送帶經(jīng)過(guò)紅外計(jì)數(shù)傳感器，傳感器接受模擬信號(hào)，單片機(jī)處理模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)顯示在顯示屏上，計(jì)數(shù)過(guò)的種子落入接種盒內(nèi)。未落入計(jì)數(shù)凹槽內(nèi)的種子會(huì)沿著斜傳送帶掉入到收集箱內(nèi)，由運(yùn)種盒通過(guò)軌道重新進(jìn)入下種盒循環(huán)計(jì)數(shù)。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作物種子的形狀大多是不規(guī)則的，不同時(shí)期的種子外形也有所不同。依據(jù)棉花、玉米、稻谷、小麥等作物種子的普遍特性將其假設(shè)為橢圓柱體［11］。對(duì)光電式數(shù)種器計(jì)數(shù)凹槽形狀和大小，下種盒的結(jié)構(gòu)與光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 傳送帶計(jì)數(shù)凹槽形狀的選擇

為提高計(jì)數(shù)凹槽的充種率、單粒計(jì)數(shù)精度和數(shù)種速度，將傳送帶計(jì)數(shù)凹槽設(shè)計(jì)為傾斜形（圖2a）和直立形（圖2b）兩種［12］。直立型計(jì)數(shù)凹槽打孔簡(jiǎn)單，方便種子落入。相較而言，傾斜形計(jì)數(shù)槽采用開(kāi)口錐形設(shè)計(jì)，其錐面能夠減小種子的滑出阻力，降低種子堵塞，有效減少計(jì)數(shù)槽的空槽率，降低種子的破損率。因此，本設(shè)計(jì)傳送帶計(jì)數(shù)凹槽選擇傾斜型孔槽。

圖2 傳送帶計(jì)數(shù)槽形狀示意圖

2.2 傳送帶計(jì)數(shù)凹槽尺寸的選擇

傳送帶計(jì)數(shù)凹槽在于固定種子相對(duì)位置和保障種子按粒計(jì)數(shù)。每條傳送帶上設(shè)置五排計(jì)數(shù)凹槽，每一排凹槽間的種子在計(jì)數(shù)時(shí)互不影響。根據(jù)光電傳感器的有效范圍，每排計(jì)數(shù)凹槽間距為100 mm，行距為40 mm。傳送帶全長(zhǎng)為1 400 mm。

用精度為0.01 mm的千分尺測(cè)量種子三維尺寸，然后根據(jù)三維尺寸求出相應(yīng)的等效長(zhǎng)、寬和高，而部分種子三維尺寸如下（表1）：

表1 部分種子尺寸模型單位：mm

因此，將傳送帶計(jì)數(shù)凹槽的尺寸分類(lèi)設(shè)計(jì)為A類(lèi)（13 mm×8 mm×5 mm）、B類(lèi)（8 mm×5 mm×3 mm）、C 類(lèi)（9 mm×4 mm×2 mm）三種不同的傳送帶，滿(mǎn)足對(duì)不同品種種子的計(jì)數(shù)要求。

2.3 下種盒的設(shè)計(jì)

下種盒（圖3）采用雙層空腔式設(shè)計(jì)，上下兩層之間用一塊鈍角三角形擋板隔開(kāi)。上層承裝待數(shù)種子，下層設(shè)計(jì)五個(gè)下種口，每個(gè)下種口正下方對(duì)應(yīng)一排計(jì)數(shù)凹槽，既保證了下種速度也保證了每個(gè)計(jì)數(shù)凹槽里面只有一粒種子。

圖3 下種盒結(jié)構(gòu)圖

2.4 光電計(jì)數(shù)單元的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用光電式傳感器［13-15］。工作時(shí)，被測(cè)變化量轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，借助光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電式數(shù)種器選用光電計(jì)數(shù)單元為E3FDS30P1 漫反射型光電開(kāi)關(guān)［17-19］。開(kāi)關(guān)檢測(cè)內(nèi)部裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，正常情況下發(fā)光器所發(fā)出的光無(wú)法被收光器捕捉，在物體擋住入射光的傳播路徑時(shí)，入射光就會(huì)有一部分被反射回來(lái)，收光器收到反射回來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，完成一次計(jì)數(shù)。

圖4 光電計(jì)數(shù)單元模擬工作圖

待數(shù)種子經(jīng)過(guò)光電傳感器正下方時(shí)計(jì)數(shù)一次，傳送帶上每一排槽口上方都安裝有光電傳感器。計(jì)數(shù)后顯示器接收信號(hào)并顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。

光電傳感器工作過(guò)程簡(jiǎn)化模型（圖4），圖中H 為光電傳感器距傳送帶的距離，2為光電傳感器的感應(yīng)范圍角，L為每排槽口間距離，v為傳送帶的行進(jìn)速度。光電傳感器的信號(hào)傳遞速度為光速，響應(yīng)時(shí)間為t0，信號(hào)在光電傳感器和傳送帶間的傳遞時(shí)間近似t→0，為保證計(jì)數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有：L＞H·sinθ+v·t0，H＜（L-v·t0）/sinθ，代入 數(shù) 據(jù)得H＜［（100-v）/sinθ］×10-3m（v 的 單 位 為m/s，0≤θ ≤20°），關(guān) 系 是H＜（820-0.82v），由此計(jì)算可知，為保證計(jì)數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)保證H和v的正常關(guān)系。

3 軟件系統(tǒng)

光電式數(shù)種器采用STC-89C52單片機(jī)控制［20-22］，傳感器為E3F-DS30P1 漫反射型光電開(kāi)關(guān)，用Keilu-Vision4 語(yǔ)言編寫(xiě)程序［23］。每個(gè)光電傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)累加器運(yùn)算后將最終數(shù)字顯在顯示器上。斷電情況前的計(jì)數(shù)結(jié)果保存到單片機(jī)內(nèi)，重新開(kāi)機(jī)后輸出到顯示器上，誤差率保持在較小范圍內(nèi)。

電路（圖5）中共有36 V 和5 V 兩組電源，36V 電源電壓給光電傳感器和顯示器供電，5 V 電源電壓給單片機(jī)供電。5 個(gè)光電傳感器直接與單片機(jī)相連，在接收到種子所反射的光信號(hào)后，將光的模擬信號(hào)變化量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)變化量通過(guò)一個(gè)引腳輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入信號(hào)電壓值的大小，換算出輸入信號(hào)的個(gè)數(shù)（即種子的數(shù)目），每隔0.2 s 輸出一個(gè)電信號(hào)到顯示器輸入引腳，顯示器每收到一個(gè)輸入電信號(hào)就累加一［24-25］。

圖5 電路原理圖

單片機(jī)處理輸入信號(hào)能有效減小計(jì)數(shù)結(jié)果的誤差率，顯示器可以直觀的讀出計(jì)數(shù)結(jié)果，且?guī)в杏洃浌δ埽瑪嚯姇r(shí)可以自動(dòng)保存當(dāng)前計(jì)數(shù)結(jié)果。顯示器有清零按鍵，在計(jì)數(shù)完成并進(jìn)行下一次計(jì)數(shù)時(shí)可以直接清零。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)分為三組，第一組兩名熟練的數(shù)種工人在1 m2的方臺(tái)上利用尺子10 粒種子為一排，1 000 粒為一組進(jìn)行人工數(shù)種。第二組使用網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)的SLY-C數(shù)粒器（自動(dòng)化操作、無(wú)噪音、精度高、大中小粒種子通用型），其工作時(shí)使種子形成單粒的種子流，利用單個(gè)光電傳感器對(duì)通過(guò)的單粒種子進(jìn)行計(jì)數(shù)。第三組采用本文所設(shè)計(jì)的光電式數(shù)種器。將數(shù)種五個(gè)光電傳感器調(diào)試在全通狀態(tài)，待數(shù)種子放入到下種盒內(nèi)，傳送帶以0.02 m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)種作業(yè)。

三組均進(jìn)行1 000 粒種子的計(jì)數(shù)，通過(guò)精確度和數(shù)種時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。為保證種子數(shù)目的準(zhǔn)確性，每組共有10 人數(shù)種工作，每人數(shù)100 粒，重復(fù)數(shù)三遍，每次數(shù)出種子數(shù)目都為100 粒時(shí)將10 人數(shù)的種子集合起來(lái)用于實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)。

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)（表2）所示

表2 不同數(shù)種方式準(zhǔn)確性對(duì)比 單位：粒

圖6 不同數(shù)種方式準(zhǔn)確性對(duì)比圖

由圖6 可知，傳統(tǒng)人工數(shù)種的誤差率為10%，SLY-C數(shù)粒器數(shù)種誤差率為1.64%，光電式數(shù)種器的數(shù)種誤差率為0.45%。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)種時(shí)間對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)（表3）所示

表3 不同數(shù)種方式數(shù)種時(shí)間對(duì)比單位：秒

圖7 不同數(shù)種方式數(shù)種時(shí)間對(duì)比圖

由圖7 可知，光電式數(shù)種器比兩個(gè)數(shù)種工人數(shù)種效率高472. 17%，比SLY-C 數(shù)粒器數(shù)種效率高155.99%。

5 結(jié)論

光電式數(shù)種器由計(jì)數(shù)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和運(yùn)送系統(tǒng)組成。利用傳送帶表面計(jì)數(shù)槽進(jìn)行計(jì)數(shù)，利用光電式傳感器和單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能、精準(zhǔn)、快速數(shù)粒。傳送帶勻速前進(jìn)，保證了數(shù)種結(jié)果的精確性，種子只與傳送帶和盒體接觸，相對(duì)運(yùn)動(dòng)小，對(duì)種子傷害小，保證種子的品質(zhì)。因此，光電式數(shù)種器可以為農(nóng)作物種子的顆粒計(jì)數(shù)提供有力的技術(shù)支持。