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
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
標(biāo)準(zhǔn)差
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
相關(guān)資料表明
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
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
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
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)。