无盲区三七精密播种机漏播检测装置设计与试验

张 冰，袁忠文，谯 睿，张天顺，张 铭，徐伟城，杨文彩

(云南农业大学，昆明 650201)

0 引言

槽式育苗是云南三七育苗的主要模式之一，与之模式配套的三七播种农艺要求较高，要求单穴单粒播种，播种行距、株距均要求为50mm，播种深度为10mm，播种质量要求高。由于三七种子的三轴尺寸主要分布在4～8mm之间，播种时存在漏播、重播、堵塞等现象，影响播种质量，因此设计配套的漏播检测系统对提高三七播种质量具有重要意义。播种时三七种子粒径范围大，要求检测装置具有较高的精度与灵敏度，现有的漏播检测装置在设计红外传感器时大多采用对射式相对布置且红外接收管需在半强度角之内[1-2]，使得在设计传感器时需要考虑传感器相互位置并存在一定的的盲区[3]，影响漏播检测的准确性；而控制系统的设计有基于单片机的工控检测系统[4-5]、基于PLC的工控检测系统[6-7]、基于虚拟仪器技术的工控检测系统[8-10]及基于图像处理技术的工控检测系统等[11-12]，由于三七的农艺要求，目前的漏播检测系统均不适合于大棚内的三七漏播检测。因此，有必要设计一种新型的漏播检测装置以适用于大棚内的三七精密播种。

本文针对红外传感器存在盲区的问题，设计了一种具有加法功能[13-14]的三七精密播种机圆形漏播检测装置，能够实现对半强度角之外的种子进行检测，有效增加红外检测区域。为了提高漏播检测的准确性，在硬件电路上通过比较电路滤除部分干扰，在程序设计上将T1设为计数模式，通过判断计数器T1值是否为零，作为种子的掉落的标准；考虑到导种管的形状与不影响种子的正常下落，设计了圆形传感器；在对控制平台的选取上考虑到经济可行、稳定可靠的要求，采用单片机作为控制核心，通过信号处理电路、逻辑电路实现对漏播、重播的检测。

1 总体设计

系统总体由红外信号检测电路、霍尔传感器速度检测电路[15-16]、与非门逻辑转换电路、单片机系统电路、按键电路及声光警报电路组成。

红外信号检测电路由3组红外传感器模组组成，负责对种子的检测。当种子掉落时，无论遮挡半强度角之内还是之外的红外光线，影响红外接收管对红外光的接收，使流经红外接收管的电流减少；该信号经加法电路处理，使得加法电路输出电压下降，比较运算电路将该模拟信号装换为数字信号，再经与非逻辑电路处理，送单片机进行处理，实现无盲区的检测。单片机系统采用STC12C5A60S2，利用计数器T1负责对种子信号的检测，计数器T0负责采集霍尔传感器发来的脉冲信号，并转换为株距，实现对漏播的检测。系统框图如图1所示。

图1 硬件系统框图Fig.1 Hardware system block diagram

2 传感器结构设计

在对传感器的形状、结构进行设计时，结合圆筒形导种管，考虑不影响种子的正常下落，设计了圆形结构的红外传感器，内径为28cm。红外发射二极管直径为3mm，半强度角为25°，红外接收二极管直径为3mm，发射管与接收管、接收管与接收管之间相隔30°依次排开布局，如图2所示。图2中，①②③为红外发射二极管；β角为红外发射管的半强度角，β=25°。

图2 感器位置布局示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor location layout

3 漏播检测装置的设计

3.1 红外信号检测电路

红外信号检测电路由红外发射接收电路、加法电路 、比较电路[17]组成，如图3所示。其中，每个红外传感器模组由1个红外发射二极管、3个红外接收二极管组成。其中，两个红外接收管在红外发射管的半强度角之外，运算放大器采用LM324，其内嵌4路运算放大单元，具有电源电压范围宽、静态功耗小、价格低廉等优点；每组红外接收管经二极管、电阻接到运算放大器的反相输入端，构成反相加法电路；当种子下落时，无论阻挡发射管半强度角范围之内还是之外的光线，都将影响加法运算器的输入电流[18]，进而使得输出电压下降，再经过比较电路将模拟信号转换为数字信号。由于在半强度角之外，红外接收管接收近红外光的强度较低，对种子信号敏感度不高，因此通过调节电路中相应电阻阻值，可提高对信号的放大倍数，电路如图3所示，在加法电路两端，其输出电压与输入电压的关系为

Uo=Uref-[10(Ui1-Uref)+3.3(Ui2-Uref) +

10(Ui3-Uref)]

在初始时，通过调节运算放大器同相输入电压，使加法运算器的输出电压Uo≈Uref，当有种子落下时，相应的输入电压Ui1、Ui2、Ui3增大，而输出电压Uo降低；比较电路将Uo与反相输入端参考电压进行对比并输出，通过设置反相输入端参考电压，可滤除部分干扰。

3.2 逻辑转换电路设计

由于系统整体有3路信号采集电路，且无种子落下时电路输出为高电平。为了能够实现单片机系统对该信号的采集，设计了逻辑转换电路，如图4所示。

逻辑转换电路采用CD4011芯片，内嵌4路与非逻辑电路[19-20]，与非门的输入端一端接电源，另一端接信号采集电路的输入，输出端送单片机，其逻辑转换状态如表1所示。

表1 逻辑状态表Table 1 Logical status table

图4 逻辑转换电路Fig.4 Logic switching circuit

3.3 单片机控制系统设计

单片机系统电路包括按键电路、霍尔电路、显示电路及声光报警电路等。系统核心采用STC12C5A60S2单片机，逻辑转换电路的输出信号接单片机的T1引脚，采用计数模式对种子信号进行检测；霍尔电路的输出接T0引脚，通过感应窝眼滚筒上磁场的变化，并转化为脉冲信号输出，单片机计数霍尔脉冲的个数换算为株距；按键电路用于设置不同的株距，漏播时蜂鸣器发出警报，重播时LED等闪烁，并在显示屏上显示播种数目、株距大小、漏播个数、漏播率、重播个数及重播率等。电路系统如图5～图7所示。

3.4 程序设计

C语言具有简洁、高效的优点，广泛应用于单片机程序编程，因此采用C语言进行功能程序的开发。本系统实现了对霍尔电路、逻辑转换电路输出信号的采集接收，并完成显示程序、按键程序、漏播重播判断程序及警报程序的编写，流程图如图8所示。

图5 霍尔传感器电路Fig.5 Hall sensor circuit

图6 警报电路Fig.6 Alarm circuit

图7 微处理器电路Fig.7 Microprocessor circuit

图8 程序流程图Fig.8 Program flow diagram

单片机上电初始化，设置定时器/计数器T0、T1为计数模式，T0用于计数霍尔传感器脉冲个数，T1用于计数种子掉落产生的脉冲信号。在主函数里不断读取T1的计数值，并进行判断，当有种子落下时，T1计数值不为零，此时关闭T1计数器，种子个数加1，并读取T0的计数值，换算成株距，实现对一次种子的检测，同时为计数下一次种子掉落，清零T0、T1计数值，打开T1计数器。本系统利用T1来判断是否有种子掉落而不是采用外部中断的方式，是因为当1粒种子掉落时产生的脉冲个数有可能不止1个，采用计数的方式进行判断能够提高程序的稳定性与准确性。将测得的株距与设置的株距进行比较，当大于设定的株距时，则为漏播驱动蜂鸣器报警；当两颗种子之间的间距过小时，则为重播驱动发光管不断闪烁。

4 性能试验和结果分析

4.1 单粒检测试验

实验室漏播检测测试采用普通的三七种子，采用人工投种方式进行单粒监测试验,排种每穴为1粒，每次试验投种250粒[21],重复3次,人工记录播种状态，并与系统测试结果进行对比，试验结果如表2所示。由表2可知，该监测系统单粒监测精度达到97.2%。 由于三七种子粒径不一，少量粒径小于4mm的种子经过红外传感器时未能有效检测。

表2 实验室单粒监测试验结果Table 2 Test results of single particle monitoring in laboratory

4.2 播种量检测试验

调节排种轮转速为10、13.4、16.7r/min，排种每穴为1粒，每种转速条件下试验重复3次，取平均值作为试验结果，每次10min左右，人工记录播种量，并与系统测试结果进行对比，结果如表3所示。

表3 实验室播种量检测结果Table 3 Laboratory seeding test results

由表3可知：由于充种不完全引起的漏播与重播引起的误差，使检测到的漏播穴数比实际漏播穴数少，监测系统播种量监测精度最小值为93.8%。

4.3 漏播检测试验

为了模拟田间漏播状态手动充种并在人为操作下使排种轮充种不完全引起漏播，调节排种轮转速为10、13.4、16.7r/min，排种每穴为1粒，每种转速条件下试验重复3次，取平均值作为试验结果，每次10min左右，人工记录漏播状态，并与系统测试结果进行对比，试验结果如表4所示。

表4 实验室漏播检测结果Table 4 Laboratory leakage test results

由表4可知：由于充种不完全引起的漏播，检测到的漏播穴数比实际漏播穴数多，监测系统测得漏播率误差小于3%，同时在试验过程中对连续多次漏播结果进行统计，准确率达98%。

5 结论

本文的无盲区红外漏播检测装置，针对红外二极管的指向特性，设计了具有加法功能的漏播检测电路，实现对半强度角之外的种子进行检测，明显增加红外检测有效区域；对硬件电路与程序进行优化，提高了漏播检测的准确性，在对株距的测量时利用了霍尔传感器，不会造成播种机停顿时造成的漏播；通过调节加法电路电阻阻值，增加电路对微弱信号的灵敏度，能够实现对不同粒径种子的检测；采用圆形结构的设计，不影响种子的掉落同时也方便导种管的安装。试验表明：该装备可对4mm以上种子进行检测，有应用推广价值，同时对传感器的结构布局设计具有一定的参考价值。