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0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中小麥、玉米、水稻、大豆等作物的測(cè)產(chǎn)、選種工作繁重、單調(diào), 自動(dòng)化的作物考種儀將大大降低農(nóng)業(yè)工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高工作效率和準(zhǔn)確率。作物種子考種一般包括物理尺寸、視覺(jué)外觀和化學(xué)成分等多方面指標(biāo)。 胡傳祚等研制出基于單片機(jī)的, 能夠自動(dòng)測(cè)量種子長(zhǎng)度、自動(dòng)數(shù)粒測(cè)千粒質(zhì)量的測(cè)試儀[1]。宋鵬等研究了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的玉米種子精選系統(tǒng), 可以在一定程度上根據(jù)玉米種子的顏色特征、形態(tài)特征將玉米種子分級(jí), 還可區(qū)分不同品系的玉米種子[2]。美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的SKCS4100單粒谷物質(zhì)量分析儀, 能夠測(cè)量單粒谷物的水分、硬度指數(shù)、質(zhì)量 (mg) 和直徑等參數(shù)。

目前, 國(guó)內(nèi)研究多集中于基于圖像處理的種子外觀形態(tài)測(cè)量、分級(jí)、分類(lèi)研究和種子有機(jī)成分含量檢測(cè)及種子含水率檢測(cè)。對(duì)于單粒種子質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量、分級(jí)的質(zhì)量譜自動(dòng)分析儀器未見(jiàn)報(bào)道。一般, 不同作物種子質(zhì)量分布、形態(tài)差異很大, 開(kāi)發(fā)出具有通用的質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量裝置較難;另外, 常見(jiàn)作物種子質(zhì)量較小, 實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)精確測(cè)量亦有難度。

為了解決這一問(wèn)題, 設(shè)計(jì)了一種小麥種子質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量裝置。本文主要介紹其稱(chēng)重模塊的設(shè)計(jì)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

小麥種子質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量裝置由質(zhì)量檢測(cè)模塊和自動(dòng)輸種模塊構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 種子快速稱(chēng)重裝置結(jié)構(gòu)示意圖   下載原圖

1.單粒排鐘裝置 2.種子 3.種子接收斗 4.種子分類(lèi)回收容器5.種子刷 6.秤臺(tái) 7.稱(chēng)重傳感器 8.基座 9.種子分類(lèi)板

裝置的工作過(guò)程:單粒排種裝置在槽輪和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成的驅(qū)動(dòng)裝置作用下, 由秤臺(tái)左側(cè)運(yùn)動(dòng)到秤臺(tái)上方1cm處, 排下1粒小麥種子, 而后回復(fù)到原位置;種子的質(zhì)量由快速稱(chēng)重單元測(cè)量并傳送到單片機(jī);單片機(jī)獲得種子質(zhì)量信息后, 向種子刷、種子分類(lèi)板、排種器各自的運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出控制信號(hào);種子刷由外側(cè)運(yùn)動(dòng)到內(nèi)側(cè)將種子從秤臺(tái)上掃下, 種子分類(lèi)板控制器將根據(jù)稱(chēng)重單元發(fā)來(lái)的控制信號(hào), 以轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分類(lèi)功能 (若該次測(cè)量分類(lèi)結(jié)果與上次不同, 則轉(zhuǎn)動(dòng), 否則不動(dòng)作) 。重復(fù)以上步驟, 即可完成大量種子的單粒質(zhì)量的測(cè)量與分類(lèi)。該批種子質(zhì)量分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù):均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別按照式 (1) 、式 (2) 計(jì)算;均值、標(biāo)準(zhǔn)差、種子總數(shù)、總質(zhì)量和分類(lèi)結(jié)果將以滾動(dòng)顯示方式顯示在由單片機(jī)控制的液晶屏幕上。

均值xˉ=1n∑k=1nxk$\bar{x}=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{k=1}^{n}x}{}_k$ (1)

標(biāo)準(zhǔn)差σ=1n∑k=1n(xk?xˉ)2????????????√$\sigma =\sqrt{\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{k=1}^n(x{}_k-\bar{x})}{}^2}$ (2)

式中 n—被測(cè)種子總數(shù);

xk —第k粒種子的質(zhì)量 (mg) 。

2 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

一般用精密電子天平測(cè)量單粒種子的質(zhì)量, 而電子天平穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng), 體積較大, 不適合快速稱(chēng)重和系統(tǒng)集成。本設(shè)計(jì)采用單點(diǎn)式稱(chēng)重傳感器LAA-K5, 這是一種應(yīng)變式雙孔平行梁稱(chēng)重傳感器, 量程30g, 靈敏度0.85mV/V, 綜合誤差0.03%, 激勵(lì)電壓最大6V。其結(jié)構(gòu)圖和應(yīng)變片組橋方式如圖2所示。這種傳感器固有頻率相對(duì)較高, 可滿(mǎn)足快速稱(chēng)量的要求;配以精密的放大電路和優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理算法, 以提高測(cè)量的分辨力, 實(shí)現(xiàn)單粒種子質(zhì)量的精確測(cè)量。

圖2 雙孔平行梁稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)圖   下載原圖

整個(gè)質(zhì)量測(cè)量模塊的組成單元如圖3所示。

圖3 質(zhì)量測(cè)量模塊組成單元圖   下載原圖

采用5V激勵(lì)電壓時(shí), 傳感器的橋路輸出共模信號(hào)電平達(dá)到2.5V, 故前級(jí)放大器采用差分輸入方式。三運(yùn)放放大電路是一種高輸入阻抗和低輸出阻抗, 高共模抑制比的儀用放大器[3,8,9]。運(yùn)算放大器選用性?xún)r(jià)比高的AD8628, 零漂移、低偏置電壓 (5μV) 、高增益、高共模抑制比、高電源抑制比;輸入端偏置電流很小, 且不需要外部補(bǔ)償元件, 單5V供電, 使用非常方便, 特別適合應(yīng)用到傳感器的放大電路中。前級(jí)放大電路的電路圖如圖4所示。不難計(jì)算出[6], 前級(jí)放大器的總放大倍數(shù)為

Av1=?R4R3(1+2R2R1)(uin+?uin?)$A{}_{v1}=-\frac{R4}{R3}(1+2\frac{R2}{R1{}_{}})(u{}_{\text{i}\text{n}+}-u{}_{\text{i}\text{n}-})$

相關(guān)資料表明[4], 各電阻的匹配程度將影響這個(gè)放大器總的共模抑制比, 各電阻元件的熱穩(wěn)定性將決定放大器增益的穩(wěn)定性。放大器的增益越大, 帶寬越窄。有研究表明, 前級(jí)放大器的性能是整個(gè)放大電路的關(guān)鍵, 其放大倍數(shù)不宜太大, 以避免將噪聲一并放大帶入下一級(jí)。同時(shí), 在反饋電阻上并聯(lián)電容, 降低放大器的通頻帶, 濾除高頻干擾。為了減小電源波動(dòng)對(duì)運(yùn)放的影響, 在運(yùn)放的各正電源和地之間, 并聯(lián)去耦電容。

傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)放大后, 信號(hào)的變化還是只有微伏級(jí), 并不適合直接接入數(shù)據(jù)采集卡和ADC。因此, 需要經(jīng)過(guò)后級(jí)放大器, 將微伏變化信號(hào)放大到毫伏級(jí)后, 再接入數(shù)據(jù)采集卡或ADC。這樣做一方面可以減小測(cè)量誤差的影響, 另一方面可以降低對(duì)ADC芯片位數(shù)的要求, 同時(shí)降低對(duì)測(cè)量電路精度的要求, 減少成本。

圖4 前級(jí)放大器電路圖   下載原圖

后級(jí)的同相放大器將前級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)一步放大后, 通過(guò)低通濾波器消除高頻干擾[5]。經(jīng)典的LRC濾波器在低通頻段實(shí)現(xiàn)成本較高, 而有源濾波器成本相對(duì)較低, 還可以避免電感非線(xiàn)性對(duì)濾波器性能的影響, 故采用運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源低通濾波器;后接的50Hz有源雙T陷波器減小了50Hz的工頻干擾。為了保證后級(jí)放大器低輸出阻抗和頻率特性, 采用電壓跟隨器輸出。后級(jí)放大器的電路圖如圖5所示。其放大倍數(shù)AV2=AV21×AV22×AV23。其中, 二階有源低通濾波電路放大倍數(shù)AV23和50Hz陷波電路放大倍數(shù)AV22, 均設(shè)計(jì)為單位增益, 故后級(jí)放大器的總放大倍數(shù)為

AV2=R5/R6

圖5 后級(jí)放大電路   下載原圖

整個(gè)放大電路的性能主要受前級(jí)放大電路的性能的影響[3], 要求前級(jí)放大電路具有良好的低噪聲特性, 為此需要在電阻、電容的選用上采取一些措施。

為了降低電阻溫度噪聲和電阻值偏差的影響, 電路中所用電阻, 均采用集成電阻通過(guò)串并聯(lián)的方式獲得, 降低成本的同時(shí)提高了電路的性能。電源是波動(dòng)小于0.01%的直流穩(wěn)壓電源。電路板布線(xiàn)方面, 線(xiàn)間距、線(xiàn)寬大于一般電路設(shè)計(jì)值, 減小導(dǎo)線(xiàn)電阻以及線(xiàn)線(xiàn)間耦合作用。

安裝上10g的秤盤(pán)后, 在0～10g外力作用, 5V單端激勵(lì)電壓下, 傳感器的輸出在1.416 7～2.833 3mV范圍內(nèi)。在這個(gè)范圍內(nèi)小麥種子質(zhì)量作用產(chǎn)生的輸出電壓變化只有幾個(gè)微伏, 因此總放大倍數(shù)要大于1 500, 整個(gè)電路的放大倍數(shù)A=AV2×AV1。因?yàn)榍凹?jí)放大倍數(shù)不宜太大, 故將電路的總放大倍數(shù)分配到前級(jí)和后級(jí), 前級(jí)放大倍數(shù)30, 后級(jí)放大倍數(shù)50;經(jīng)過(guò)放大后, 輸出電壓在2.125 0～4.25V之間, 可滿(mǎn)足ADC和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電壓的要求。

3 數(shù)據(jù)處理算法

單片機(jī)將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù), 通過(guò)標(biāo)度變換[10], 換算成質(zhì)量值, 存入單片機(jī)內(nèi)大小為10的一個(gè)數(shù)組A中, 這樣就形成一個(gè)質(zhì)量值的序列。測(cè)得質(zhì)量數(shù)值反映了裝置是處在稱(chēng)量狀態(tài)還是種子刷掃除種子狀態(tài), 質(zhì)量數(shù)值的變化率反映了測(cè)量值是否達(dá)到穩(wěn)定;達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí), 將連續(xù)采樣20個(gè)數(shù)值求其平均值, 將結(jié)果顯示到液晶屏幕上, 并將該結(jié)果存儲(chǔ)到單片機(jī)Flash的一個(gè)指定塊”B”。一批種子質(zhì)量測(cè)定完畢后, 調(diào)用B塊中的數(shù)據(jù), 結(jié)合數(shù)據(jù)塊B的大小 (數(shù)據(jù)塊B的大小就是被測(cè)種子的數(shù)目) , 按照式 (1) 、式 (2) 的計(jì)算方法得到單粒種子質(zhì)量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

測(cè)量過(guò)程中, 每次采集到的模數(shù)轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)值值都將通過(guò)串口發(fā)送到計(jì)算機(jī);基于LabView開(kāi)發(fā)的程序?qū)⒁圆ㄐ螆D的方式實(shí)時(shí)顯示每一次采集到的數(shù)據(jù);測(cè)量結(jié)束后, LabView程序?qū)⒅鶢顖D的形式顯示這批種子質(zhì)量分布。顯示效果如圖6所示。

圖6 LabView數(shù)據(jù)采集分析程序工作界面截圖   下載原圖

4 結(jié)論

介紹了一種小麥種子自動(dòng)稱(chēng)重裝置, 該裝置尺寸小巧、功耗低、測(cè)量方便;但其測(cè)量參數(shù)單一, 測(cè)量精度有待提高。下一步將研究在此裝置基礎(chǔ)上, 在裝置的末端添加含水率檢測(cè)、有機(jī)質(zhì)檢測(cè)及種子外觀、外形等參數(shù)檢測(cè)模塊, 實(shí)現(xiàn)小巧多功能考種儀的最終研究目標(biāo)。此外, 提出的小質(zhì)量檢測(cè)方法, 也適用于玉米、水稻和膠囊等微質(zhì)量檢測(cè)。