基于光电传感器的排种性能检测装置的设计与试验

刘亚明 邢剑飞 王 龙

(塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300)

新疆是我国最大的优质棉生产基地，截至2 018年新疆已连续24 年实现棉花单产、总产和调出量全国第一。播种是农业生产过程中很重要的环节之一，由于受播种的时间、天气、季节等因素影响，农作物的播种时间较短，因此，播种过程中对穴播器的排种性能要求非常高，排种性能直接影响播种的效果，并且会影响到来年的收成。

保持棉花高产量的前提是要保证棉花的播种效率，因此需要进行精量播种，但是目前棉花播种的机械效率不够高，播种数目不够精确［1］，需要通过精量播种的穴播器来弥补这一不足。针对以上问题需要对穴播器排种性能进行检测［2］，尤其是穴播器在出厂前和维修后，确保穴播器能达到排种要求。由于人工检测需要耗费大量的时间和精力，因此运用机器和高新技术对穴播器进行排种检测是目前研究的趋势［3］。利用光电传感器和旋转编码器技术对穴播器进行排种检测［4］，不但节省了大量的人力和物力，而且检测装置和人工检测的效果基本一致。

1 装置的设计

1.1 排种检测装置设计原理

本装置是在现有的穴播器基础上对穴播器出厂前或维修后的排种性能进行检测而设计的，设计光控制电路和旋转检测电路对排种率进行检测和计算，来实现穴播器排种性能的检测。通过光电传感器模块来检测排种信号，当有种子通过光电传感器时，传感器将被测量的信号转换成光信号，然后通过光电模块进一步将光信号转换成电信号，单片机收到一个信号之后控制1 602 显示屏上PE 数字加1。与此同时，旋转编码器模块也会转动一定角度，产生一个电信号，单片机控制1 602 显示屏上RE 数字加1，当显示PE值小于RE值，单片机计算PE/RE值得到排种率通过显示器显示，反之，显示屏上则不显示排种率。

1.2 装置的组成部分

装置是由齿轮、旋转编码器、单片机显示器、电机、穴播器［5］、光电传感器等部分组成。通过调节装置的位置使得棉花种子能够通过穴播器口顺利落下，穿过光电传感器，使光电传感器检测到信号，旋转编码器对穴播器转速进行检测，支架是用来固定装置的位置，同时也可以便于装置的调节。测量排种器距离传送带的高度，确定光电装置的安装范围大约60 mm 左右，设计漏斗装置安装在离传输带60 mm 的位置，最终确定漏斗装置的厚度为25 mm。首先保证漏斗最大的口径能通过和识别种子，通过测量种子的大小，计算出来漏斗下方的孔径为10 mm，种子平均的大小不会超过10 mm，这样能够确保在漏斗里面不会有种子的残留。排种检测装置如图1 所示。

图1 穴播器排种检测装置结构

2 排种检测装置工作原理

2.1 单片机系统程序设计流程图

本装置是运用光电传感器和旋转编码器对穴播器进行排种数据信号统计，将得到的试验数据信号传输到单片机系统中，单片机系统会分别对这两种信号进行处理，内部处理器处理好的光电信号转化为实际排种次数信号M1,旋转信号转为理论落种次数M2,进行计算M1/M2得出排种率传输到显示器上进行显示，就可以实现自动检测穴播器的排种性能。如图2为单片机系统流程图。

图2 单片机系统流程图

2.2 光电传感器的工作原理

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般分为三部分，它们分为:发射器、接收器和检测电路。发射器是针对目标发出光信号，发出的光一般来自半导体光源、LED、激光二极管及红外发射二极管［6］。接收器由发光二极管、光电二极管和光电管组成。本设计采用一种漫反射式光电开关，发光装置和接收光装置在开关的检测头里面［7］，都在同一侧的位置。正常情况下，发射器前面没有物体通过，接收器收不到信号。当有物体通过时，探测器会将部分光反射回来，接收器接收光信号并转化为电信号。

2.3 旋转编码器的工作原理

旋转编码器是一种可以将旋转运动转换为一连串数字脉冲信号的旋转式传感器。旋转编码器能够通过正反方向上的旋转运动计数，同时旋转计数跟电位器计数方式不同，这样转动计数是没有任何次数限制［8］。计数完成后通过电源开关复位到初始状态，又可以从0开始计数。

旋转编码器的输出脉冲宽度随着旋转速度而变化，即转速越高其脉冲宽度越窄［9］。通常每圈的计数脉冲有360个、500个和1 000个等。本设计的模块每一圈的计数脉冲只有20 个，相对精度也会相对低一些。

2.4 控制计数的实现

由AT89C52 单片机做主导，基本原理为当红外检测部分检测到物体引起的光线变化时，红外接收电路输出口将产生一个低电平信号［10］，这个信号将传输到单片机进行处理，同理旋转编码器也是将产生旋转信号传输到单片机系统进行处理，显示部分是通过P1和P3口实现。

计数控制部分是将计数脉冲送入AT89C52 单片机中的INTO 入口，经过单片机内部对这个中断信号进行计数编程处理［12］。AT89C52 单片机与MCS-52指令系统完全兼容。提供以下标准功能: 4 K 字节FLASH 闪烁存储器、128 字节内部RAM、32 个1/0 口线、三个16 位定时/计数器，一个5 向量两级中断、片内振荡器及时钟电路［9］。同时AT89552 可降至01 的静态逻辑操作，支持两个软件工作并禁止其他所有部件工作，直到下一个硬件复位到节电工作模式。不计数模式是停止CPU 的工作，但允许RAM 定时/计数器及中断系统继续工作，断电后仍然可以保存RAM中的内容［11］。

本装置的排种测量的方法为：

式中：w1-为人工检测的实际排种率；

m-为实际排种个数；

m1-为空穴个数；

m2-为实际排种次数。

式中：2w -为传感器显示的排种率；

M1-为光电传感器记种数；

M2-为旋转编码器记种数。

试验测得的光电信号和旋转信号传入到单片机的系统中，单片机内部进行计数编程处理，分别将光电信号L1转为实际排种次数排种次数M1，旋转信号L2转化为理论落种次数信号M2，通过单片机内部计算得出M1/M2，再将得出的数值输送到显示器上显示，就得出检测装置检测的排种率。

3 装置排种试验

3.1 种子形状参数

分别选取了新陆中82 号、新陆中66 号和新丰9号3种不同型号的棉花种子进行测试，种子的实物图如图3所示。

图3 棉花种子实物图

对3种型号的棉花种子进行了随机取样，每种取10颗，测得形状参数如下：

表1 三种棉花种子形状参数对比

表2 新陆中66号排种试验数据

表3 新陆中82号排种试验数据

表4 新丰9号排种试验数据

图4 速度对排种率的影响

首先排种试验采用的是13 穴的窝眼式穴播器，分别测得在转速为5 r/min、10 r/min 和15 r/min，3 种不同速度下的穴播器的排种率。由表2、表3 和表4可以得出在速度为5 r/min下新陆中66号棉花种子的排种率为90%,新陆中82 号棉花种子的排种率为94%，新丰9 号棉花种子的排种率为91%。当速度为10 r/min 时新陆中66 号棉花种子的排种率平均值为88%,新陆中82 号棉花种子的排种率为92%，新丰9号种子的排种率为89%。当速度为15 r/min 时，这三种棉花种子的平均排种率为85%、89%和86%，如图4所示。

以上是通过人工进行统计得出的试验结果，检测装置在人工试验的基础上进行了验证试验，通过单片机系统对不同速度下三种棉花种子排种率及逆行计算，可以得出在速度为5 r/min时，新陆中66号棉花种子、新陆中82 号种子和新丰9 号种子的平均排种率为88%、92%和90%。在速度为10 r/min 时，三种棉花的平均排种率为85%、90%和87%。在速度为15 r/min时，三种棉花种子的平均排种率为84%、87%和85%。通过在不同速度下的排种率对比，无论人工统计还是检测装置的检测结果都表明当速度越快，棉花种子的排种率越低。

同时新陆中66 号种子的实际平均排种率在89%，新陆中82 号种子的实际平均排种率为92%，新丰9 号种子平均排种率为90%。考虑棉花种子存在的差异，分析种子的形状参数因素，由表1 可知不同种类的棉花种子大小有些许不同，形状也大不相同，新陆中66 号种子长平均值为8. 87 mm，宽平均值为5.06 mm，新陆中82 号种子长平均值为9.31 mm，宽平均值为5. 12 mm，新丰9 号种子长平均值为8. 98 mm，宽平均值为4.87 mm。通过数据对比发现，新陆中82 号种子宽度与新陆中66 号种子的平均宽度相差不大，长度相差0. 44 mm，而新丰9 号种子在平均长度上和新陆中66 号种子相差不大，宽度相差0.19 mm,新陆中82 号种子和新丰9 号种子在长度和宽度上都存在差异。通过排种率的对比发现在任何速度下的新陆中82 号的排种率都比新陆中66 号种子和新丰9 号种子的排种率要高，而新陆中66 号棉花种子和新丰9号棉花种子由于形状参数基本一致，排种率也大致相同。因此可以得出排种率与棉花种子形状参数有关，如图5所示。

图5 种子形状参数对排种性能的影响

由于试验条件有限，在影响穴播器排种率的因素方面只考虑了转速和种子形状参数这两个因素，并且只通过单因素试验进行验证，另外可能还存在一些其他因素会影响排种率。如：穴播器种类、搭配的动力设施、耕作是土壤的条件等，这些因素需要进一步讨论和验证。

3.2 检测装置准确率试验

本检测装置主要是通过调速电机来控制穴播器的转速，穴播器和调速电机之间通过链齿配合进行传动。控制穴播器的齿轮齿数为12，控制调速电机的齿轮齿数为24，传动比为1:2,对新陆中82 号、新陆中66 号和新丰9 号棉花种子进行100 粒种子排完后排种率的准确性试验。

图6 每百粒种子排完检测准确性试验

通过试验发现,新陆中82号、新陆中66号和新丰9 号棉花种子在不同的速度下人工检测的结果和装置检测的结果误差均在±3%以内。当穴播器的转速越来越快时，人工统计速度跟不上机器速度，往往需要大量的时间回看和统计，而且在速度过快时容易出现统计错误，需要反复检测。但检测装置不同，无论穴播器速度快慢，统计排种率结果都相对较快，无须反复检测，检测装置可以节省大量时间，在效率上远高于人工。在误差允许的范围内，检测装置显示排种率的准确性和人工统计相比基本一致，在准确性上结果能满足穴播器排钟性能的检测要求。如图6所示。

3.3 排种稳定性试验

为了更好保证棉花种子在排种过程中的稳定性，对以上三种棉花种子进行排种试验，在速度最优5 r/min 的条件下，进行10组试验，测出棉花种子排种率的稳定性。

表5 棉花种子长度方差和极差分析

图7 三种种子排种率稳定性分析

在排种过程中，种子的长度尺寸影响较大，因此对3种棉花种子进行长度尺寸分析，得出方差值和极差值。如表5 所示。看出新陆中82 号棉花种子的方差为0.35，极差为1.10，相比较其他两种棉花种子方差和极差之都是最小，因此82 号棉花种子相比于其他两种棉花种子的均匀性较好，形状参数差异较小。通过Oringal 软件对3 种棉花种子在速度为5 r/min 的10组排种试验分析，可以看出3种棉花种子中新陆中82号种子的排种率稳定性最好。如图7所示。

4 结论

（1）本设计采用光电传感器和旋转编码器共同计数，通过单片机编写计数程序进行信号处理，处理后的信号会在显示器上显示。通过试验表明，本装置测得的排种率与人工统计排种率基本吻合,设计的装置能满足排种检测要求。种子长度参数的均匀性影响着穴播器排种的稳定性，均匀程度越高，排种稳定性越好，因此在排种时建议选取长度尺寸基本一致的棉花种子。

（2）目前市面上也有其他种类排种检测装置，如水稻种子、玉米种子的检测等。他们大多是利用红外发射二极管进行检测，而本装置采用的是光电传感器，利用PLC 单片机进行数据处理，相比较其他的排种检测装置，在效率上更高，准确性更强，稳定性更好。

（3）由于本设计的计数系统是通过传感器模块来进行计数，传感器模块精度存在一定的误差，因此造成了最终试验数据存在一定的误差，误差范围在±3%，符合穴播器工艺检测要求。除此之外，传感器的外部连接装置也需要单独设计，在这些因素的影响之下，其检测装置的精度不是很完美，后期期待继续改进。