小麦播种机电容式排种量传感器设计.pdf

第2 6 卷 2 0 1 0 笠 第1 0 期 1 0 月 农业工程学报 T r a n s a c t io n so f t h eC S A E V b l 2 6N o 1 0 O c t 2 0 1 09 9 小麦播种机电容式排种量传感器设计 周利明1 ，张小超睬，苑严伟2 ( 1 中国农业机械化科学研究院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要：为提高小麦播种机排种量检测的可靠性，根据电容器的电容随极板间介质质量变化而发生变化的原理，研制了 一种电容式排种量传感器。利用A D 7 7 4 5 数字转换器和单片机搭建微电容信号调理电路，电容传感器与调理电路采用短 线连接，减小了寄生电容对测量精度的影响。通过标定，获得了传感器电容值与排种量的关系模型。在播种机试验台架 上对电容式排种量传感器性能进行了测试。试验结果表明，在排种速度不同的情况下，该传感器的最大测量误差为2 2 。 该传感器能够较好地实现小麦播种机排种量的在线检测，为变量播种提供了有力支持。 关键词：电容，传感器，设计，小麦播种机，排种量 d o i：1 0 3 9 6 9 巧is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 。2 0 1 0 1 0 0 1 5 中图分类号：S 1 2 7文献标志码：A 文章编号：1 0 0 2 6 8 1 9 ( 2 0 1 0 ) - 1 0 - 0 0 9 9 0 5 周利明，张小超，苑严伟小麦播种机电容式排种量传感器设计 J 】农业工程学报，2 0 1 0 ，2 6 ( 1 0 ) ：9 9 1 0 3 Z h o uL im in g ，Z h a n gX ia o c h a o ，Y u a nY a n w e iD e s ig no fc a p a c it a n c es e e dr a t es e n s o ro fw h e a tp l a n t e r 【J T r a n s a c t io n so ft h e C S A E ，2 0 1 0 ，2 6 ( 1 0 ) ：9 9 1 0 3 ( inC h in e s ew it hE n 舀is ha b s 删 0 引言 播种机排种量的在线检测是实施精密播种变量控制 的关键。光电法是目前国内外采用较多的播种机排种量 检测方法之- - 1 卜引。该方法的原理是将光电传感器安装于 导种管上，当小麦籽粒通过光电传感器时，遮断光束， 使光电管发出脉冲信号，将脉冲信号进行调理后计数得 到排种量。但这种方法对于小麦播种机而言具有以下缺 点：一方面限于光电元件分布而不易识别多粒种子同时 下落，另一方面光电传感器易受田间尘土污染，因此会 对测量的准确性产生影响。为了提高光电测量的可靠性， 国内外学者都曾做出过有针对性的研究。T h o m a s 4 等人 对光路系统进行了重新设计，构造平行光源，采用光纤 完成光线传输，并在信号电路上增加光源增益调节模块， 在一定程度上削弱了田间尘土影响，并实现多粒同时测 量。冯型5 】等在检测电路中将正常排种时产生的脉冲信号 和背景直流信号分离并以不同放大系数放大再合成一个 信号进行处理，提高系统的信噪比，从而使系统的抗尘 性能提高。文献 6 】设计了特殊的输种管接头，构建光电 传感器阵列，消除检测盲区，并设计碰撞斜面与穿线区， 将种子通过检测截面的时刻错开，从而提高排种测量精 度。史智兴【7 】利用红光半导体激光二极管和硅光电池构造 种高覆盖率的排种传感器，以提高检测准确率。这些 研究虽然一定程度上改善了光电式排种传感器的性能， 但受光电方法所限，很难从根本上消除田间高尘土污染 和多粒种子同时下落造成漏检的影响。 本文提出了基于电容检测的小麦播种机排种量测量 方法，利用电容传感器极板间介质质量变化引起电容量 变化的原理，研制了电容式排种量传感器，该装置具有 结构简单，非接触式测量，抗污染能力强的特点。 1 测量原理 由于小麦种子和空气的介电常数不同，当种子通过 电容传感器极板间所形成的检测场时，电容传感器的等 效介电常数发生变化，引起电容输出值改变，电容值的 大小可作为排种量检测的量度。 。 设种子通过极板时，板间介质的等效介电常数为s ， 种子及空气的介电常数分别为l 、龟；种子的质量为m l ， 密度为P l 。则 s ：旦+ 堡岛 ( 1 ) VV 。 式中，n 为种子所占体积，m 3 ；圪为空气所占体积，m 3 ； y 为电容传感器极板间检测场的总体积，m 3 。 由于圪= 矿一n ，代入电容关系式C = e s d ，则【8 1 c 专+ 等s ：) 又V 1 = m 1 p l ，则由式( 2 ) 得 c ：堕4 竖二型巩( 3 ) d p l d V 当传感器内无籽粒通过时 收稿日期：2 0 1 0 - 0 3 - 2 2修订日期：2 0 1 0 - 0 9 - 2 2 基金项目：国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划资助项目( 2 0 0 6 A A l 0 A 3 0 5 ， 2 0 0 8 A A l 0 0 9 0 2 ) ；北京市科技计划( D I O l1 0 5 0 4 6 3 1 0 0 0 2 ) 作者简介：周利明，工程师，主要从事精准农业和测控技术研究。北京中 即 国农业机械化科学研究院，1 0 0 0 8 3 。E m a ihh a ib o I1 2 9 l 1 6 3 c o r n 通信作者：张小超，研究员，博士生导师，主要从事农业机械自动控制与 智能化仪器研究。北京中国农业机械化科学研究院，1 0 0 0 8 3 E m a il ：z x c , c a a m s o r g c 1 1 G = 乞詈 c c o = 秽 ( 4 ) ( 5 ) 式中，C c 0 为籽粒通过传感器时电容变化量，F ；s 为极 板面积，m 2 ；8 1 为种子介电常数，F m ；龟为空气介电常 1 0 0农业工程学报 2 0 1 0 钷 数，F r n ；p 1 为种子密度，k g m 3 ；d 为极板间距，m ；矿 为电容传感器极板间检测场体积，m 3 ；所l 为传感器内籽 粒质量，k g 。 由式( 5 ) 可知，传感器电容值的变化量与通过传感 器的籽粒质量呈线性关系，通过对电容值的在线测量与 标定即可获得播种机的排种量。由于电容值与籽粒质量 线性相关，因此能够很容易实现多粒种子同时下落时的 排种量检测。 2 排种量传感器的设计 整个排种量传感器由电容传感器、信号调理电路、 通信接口和屏蔽机壳构成。装置采用一体化设计，电容 传感器和调理电路均位于屏蔽机壳内，而屏蔽机壳罩在 测量管道外面。其结构如图l 所示。 a 主视图b 俯视图 1 测量管道2 ，信号接头( 含电源与通信线)3 信号调理电路板 4 电容传感器极板5 屏蔽机壳 图l 排种量传感器结构简图 F ig 1 S k e t c hm a po f t h es e e dr a t es e n s o r 2 1 电容传感器的设计 测量管道为内径3 0m m 的聚氯乙烯( p o l y v in y c h l o r id e ， P V C ) 管道，将两片宽度为3 7m m ，长度为8 0m m 的薄 铜箔固定在测量管道的外壁，作为电容传感器的极板， 从而构成一个环形电容传感器。用导线将电容传感器与 信号调理转换电路直接相连。 2 2 信号调理电路设计 当小麦种子通过电容传感器时，电容值变化量是0 1 p F 级的微弱信号，因此对信号调理电路要求较高。常用 的微电容信号调理电路有充放电式电路、交流电桥电路、 谐振电路、电荷放大式电路等【9 1 2 】。一般为了提高测量精 度和灵敏度，就会相应增加调理电路的复杂程度，从而 增加寄生电容等影响。所以在分立元件较多的情况下， 很难设计出比较实用的高精度电容测量电路。A D 7 7 4 5 作 为一款高精度的电容数字转换器，在微电容测量研究中 逐步得到广泛应用 1 3 - 1 5 1 。本文采用A D 7 7 4 5 和单片机搭建 微电容测量电路。 A D 7 7 4 5 内部主要包括：一调制器，电压基准， 激励电压源，数字电容转换器( C A P D A C ) ，温度传感器， 数字滤波器、1 2 C 总线接口。它包括1 个电容输入通道， 可配置为单端输入与差分输入模式。C A P D A C ( + ) 和 C A P D A C ( 一) 是2 个独立的数字电容转换器，分别连接在 C in ( + ) 和C in ( 一) 管脚，用于调整输入电容的范围。通过1 2 C 接口可以实现对A D 7 7 4 5 内部寄存器的配置及内部转换 结果的读取。A d 7 7 4 5 分辨率可达4a F ，精度为4 原，量 程为4p F 。通过设置变化范围为0 - - 一1 7p F 的C A P D A C 寄存器，可将量程变为C A P D A C 4p F 。A D 7 7 4 5 直接与 电容传感器相连接，完成电容测量。由于采用了浮地接 法，其接口对传感器极板与地之间的寄生电容以及对地 的漏电流都不敏感。 单片机主要负责A D 7 7 4 5 的初始化、电容值的采集、 数据的处理与存储等功能，并将数据通过R S 2 3 2 接口输 出到上位机。整个电路原理图如图2 所示。 图2 排种量传感器电路原理图 F ig 2 S c h e m a t icc ir c u itd ia g r a mo f t h es e e dr a t es e n s o r 第1 0 期 周利明等：小麦播种机电容式排种量传感器设计 1 0 l 由于测量电路镶嵌于金属屏蔽罩内，与电极直接用 根短导线连接，无需使用屏蔽线，这样既防止外界电 磁场干扰又消除了许多引入寄生和杂散电容的因素。 2 3 软件设计 排种量测量系统的软件部分主要包括系统初始化、 电容数据采集、零点动态校正和输出显示等模块。程序 执行总流程如图3 所示。 开始 单片机初始化及命令字设置 A D 7 7 4 5 初始化及命令字设置 A D 7 7 4 5 教据转换 传感器电客零点校正 根据电容一排种景标定 关系计算瞬时排种量 显示瞬时排种量 结束 图3 排种量传感器软件流程图 F ig 3P r o g r a mf l o w c h a r to f t h es e e dr a t es e n s o r 系统上电后，单片机执行输入输出接口初始化，并 向A D 7 7 4 5 发送控制命令字，设置A D 7 7 4 5 工作于单端输 入模式，连续测量，并设置采样速率；设置完成后A D 7 7 4 5 开始正常工作，每隔一段时间就输出2 4 位数据结果；在 播种作业前，单片机系统执行零点校正程序，完成零点 校正后即可开始正常播种作业，作业过程中，单片机系 统根据事先预存入单片机的电容排种量标定关系，即可 由当前电容测量值( 已去除电容零点) 计算得到播种机 排种量瞬时值，单片机将该结果进行预处理后送给上位 计算机进行后续处理显示。 3 试验设计与数据处理 3 1 试验方法 为了考察电容式排种量传感器的可靠性与准确性， 在播种试验台上进行了相关测量试验。该试验台由伺服 电机驱动排种轴旋转，通过上位机改变伺服电机在速度 控制模式下的模拟量输入电压，实现电机转速自动控制， 进而实现排种轴转速的连续可调。 3 2 传感器标定 将电容式排种量传感器安装于排种口下方合适位 置，并在测量管道的种子出口位置放置一个接料盒。对 电容式排种量传感器采用称重法标定，即设置排种轴工 作于一定转速，在测量时间不同的情况下，根据接料盒 内称量的小麦质量与测量的电容累积值完成对传感器的 标定。这里设定排种轴转速为6 0r r a in ，测量时间分别为 1 0 、2 0 、2 5 、3 0 、4 0 、4 5 和5 0s 。电容累积量与流过排 种量传感器的小麦质量如表1 所示。 表l排种量传感器标定试验数据 T a b l el C a l ib r a t io nd a t ao f t h es e e dr a t es e n s o r 对数据拟合并进行单位归一化，得到电容累积量与 排种量的函数关系式 Q ( t 1 = 1 6 2 8 7 6 + c ( t ) - 7 3 6 2 0 ( 6 ) 式中，C ( D 为电容值，p F ；Q ( f ) 为播种机排种量，g s 。 电容累积量与排种量的拟合曲线如图4 所示。 51 01 52 02 53 03 5柏 电容lo ”F 图4 电容量与排种量拟合曲线 F ig 4 F itc u r v e sb e t w e e nc a p a c it a n c ea n ds e e dr a t e 3 3 排种量测试试验 将电容式排种量传感器安装于播种试验台排种口下 方合适位置，并在测量装置的种子出口处放置一个接料 盒。设定排种轴工作于不同的转速，此时播种机试验台 的排种量也将随排种轴转速的不同发生变化。本试验设 定排种轴的转速分别为5 0 、6 0 、7 0r r a in ，测试时间设定 为3 0s ，每组试验进行3 次。将由标定关系式获得的排种 量测量值与实际接料盒称量值进行比较。测量数据如表2 所示。 表2 不同排种转速下传感器测量数据 T a b l e2T e s t d a t ao f t h es o l s o rp e r f o r n l a l l c eind if f e r e n t s e e d in gs p e e d 瑚 鲫 姗 枷 瑚 姗 瑚 矗一葚jl 1 0 2农业工程学报2 0 1 0 定 由表2 中可看出，在不同排种速度下，电容式排种 量传感器最大测量误差为2 2 ，可见利用电容式排种传 感器能够较好地实现小麦播种机排种量实时定量测量。 传感器抗尘性能的优劣直接影响着排种检测系统的可靠 性。文献【1 6 1 对光电传感器的抗尘性能进行量化比较，指 出抗尘性能一般的传感器在尘土环境中正常工作几分 钟，高抗尘传感器正常工作时间为小时级。本文所设计 的电容传感器在正常播种( 种子未加清选) 约7h 后，测 量管道内壁附着有一层尘土，此时传感器基础电容值( 无 种子通过时电容值) 由4 2 4 0 5p F 变为4 2 5 7 0p F ，传感器 基础电容漂移率仅为0 3 9 ，可见灰尘对电容传感器的电 容输出影响很小。另外，由于检测系统具有零点校正功 能，在工作一段时间后，无需清理传感器内积尘，只要 对系统进行软件复位，系统自动采集传感器基础电容进 行零点校正，从而大大抵消积尘对传感器性能的影响。 4 结论 设计了一种基于A D 7 7 4 5 和单片机的高精度微电容 传感器，用于小麦播种机排种量的检测。试验表明该传 感器针对小麦播种机排种量在线检测的最大测量误差仅 为2 2 。在抗尘性能方面，传感器在连续工作一段时间， 测量管道内壁附着有一层尘土的情况下，传感器基础电 容偏移0 3 9 ，对测量影响很小。因此该传感器能够较好 的实现排种量的准确、实时检测，同时与光电传感器相 比，其具有更强的抗尘性能，能够很好地适应田间尘土 环境。 【参考文献 【l 】 陈绍斌，吕新民，张丽君精密播种机监测系统的研究与 开发【J 】农机化研究，2 0 0 7 ，( 5 ) ；1 1 2 - - 1 1 4 C h e nS h a o b in ，L 0X in m in ，Z h a n gL ij u n S t u d ya n d e x p l o it a t io n o n m o n it o r in gs y s t e mo fp r e c is io nd r il l J J o u r n a lo fA g r ic u l t u r a lM e c h a n iz a t io nR e s e a r c h ，2 0 0 7 ，( 5 ) ： 1 1 2 1 1 4 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【2 】周建锋，李昱，卢博友精密播种机监控系统综述 J 】农 机化研究，2 0 0 6 ，( 6 ) ：3 7 3 9 Z h o u J ia n f e n g ，L i Y u ，L uB o y o u M o n it o rs y s t e mo f p r e c is io ns e e d in gm a c h in e j J o u r n a l o fA g r ic u l t u r a l M e c h a n iz a t io nR e s e a r c h ，2 0 0 6 ，( 6 ) ：3 7 3 9 ( inC h in e s ew it h E n g l is ha b s t r a c t ) 【3 】D e n n isM ，B e l l O p t ic a ls e e ds e n s o rf o ras e e dp l a n t e r m o n it o r f P U S ：4 1 6 3 5 0 7 ，1 9 7 9 - 8 - 7 【4 】 J o h nC ，T h o m a s ，F a r g o s e e dp l a n t e rm o n it o r in gs y s t e mw it h o p t ic a ls e n s o r s P U S ：5 9 3 6 2 3 4 1 9 9 9 8 - l O 【5 】冯全，栗震霄，吴建民，等免耕播种机高抗尘排种监测 器的设计与试验【J 】农业机械学报，2 0 0 6 ，3 7 ( 9 ) ：6 8 7 1 F e n gQ u a n ，L iZ h e n x ia o ，W uJ ia n m in D e v e l o p m e n to f d u s t p r o o fa n n u n c ia t o rs y s t e mf o rn o t il l a g e p l a n t e r J T r a n s a c t io n so f t h eC S A M ，2 0 0 6 ，3 7 ( 9 ) ：6 8 7 1 ( inC h in e s e 谢t hE n g l is ha b s t r a c t l 【6 】郑一平，花有清，陈丽能，等水稻直播机播种监测器研 究【J 】农业工程学报，2 0 0 5 ，2 l ( 4 ) ：7 7 - - 8 0 Z h e n gY ip in g ，H u aY o u q in g ，C h c nL in e n g , e ta 1 S e e d in g d e t e c t o rf o rr ic ed r il l J T r a n s a c t io no ft h eC S A E 。2 0 0 5 2 1 ( 4 ) ：7 7 8 0 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【7 】史智兴，高焕文排种监测传感器的试验研究阴农业 机械学报，2 0 0 2 ，3 3 ( 2 ) ：4 1 - - 4 3 S h i Z h ix in g ，G a oH u a n w e n R L Do p t o e l e c t r o n ics e n s o rf o r s e e d in gm o n it o r in g J T r a n s a c t io n so ft h eC S A M ，2 0 0 2 ， 3 3 ( 2 ) ：4 1 - - 4 3 【8 】段泉圣，刘吉臻，韩晓娟电容式煤粉浓度传感器的实验 研究 J 】动力工程，2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ：2 0 4 - - 2 0 6 D u a nQ u a n s h e n g ，L iuJ iz h e n ，I - I a nX ia o j u a n S t u d yo n c a p a c it a n c e s e n s o r sf o r m e a s u r in gt h ec o n c e n t r a t io no f p u l v e r iz e dc o a l J J o u r n a lo f P o w e rE n g in e e r in g ，2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ： 2 0 4 - - 2 0 6 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【9 】9宋晴，张国雄，张爱萍，等调频式电容液滴传感器信号 处理方式【J 】电子测量技术，2 0 0 3 ，( 2 ) ：5 6 S o n gQ in g , Z h a n gG u o x io n g , Z h a n gA ip in g ，e ta 1 As t u d yo n t h es ig n a lp r o c e s s in gf o rt h ec a p a c it iv ed r o ps c n s o rb a s e do n f i c q u c n c ym o d u l a t io n J E l e c t r o n icM e a s u r e m e n t T e c h n o l o g y , 2 0 0 3 ，( 2 ) ：5 6 ( in C h in e s e 鲥t l lE n g l is h a b s t r a c t ) 【l o 】刘万国，杨功流，肖乾，等微小电容检测技术在重力敏 感器中的应用研究【J 】中国惯性技术学报，2 0 0 5 ，1 3 ( 1 ) ： 6 8 7 l L iuW a n g u o ，Y a n gG o n g l iu ，X ia oQ ia n ，e ta 1 A p p l ic a t io no f s m a l lc a p a c it a n c em e a s u r in gt e c h n iq u e sin g r a v im e t e r J J o u r n a lo fc h in e s ein e r t ia lT e c h n o l o g y , 2 0 0 5 ，1 3 ( 1 ) ：6 8 7 1 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 【l l 】刘海青，许锦峰，姚恩涛。等基于电容式传感器的建筑 物围护结构含水率测试【J 】传感器与微系统，2 0 0 8 ，2 7 ( 7 ) ： 1 0 2 1 0 4 L iuH a iq in g ，X uJ in f e n g ，Y a oE n t a o ，e ta 1 M o is t u r et e s to f b u il d in ge n v e l o p eb a s e do nc a p a c it iv es e n s o r J T r a n s d u c e r a n dM ic r o s y s t e mT e c h n o l o g ie s ，2 0 0 8 ，2 7 ( 7 ) ：1 0 2 1 0 4 ( in C h in e s ew it l lE n g l is ha b s t r a c t l 【1 2 】王雷，王保良，冀海锋，等电容传感器新型微弱电容测 量电路【J 】传感技术学报，2 0 0 2 ，1 2 ( 4 ) ：2 7 3 - - 2 7 7 W a n gL e i，W a n gB a o l ia n g ，J iH a if e n g ，e ta lN e ws m a l l c a p a c it a n c em e a s u r in g c ir c u itf o r c a p a c it a n c es e n s o r J C h in e s eJ o u r n a lo fS e n s o r sa n dA c t u a t o r s ，2 0 0 2 ，1 2 ( 4 ) ：2 7 3 - - 2 7 7 【1 3 】何维玮，赵新，李毅堂，等基于A D 7 7 4 5 的微电容加速 度计测量电路设计与实现 J 】传感技术学报，2 0 0 8 ，2 1 ( 3 ) ： 5 3 0 一5 3 2 H eW e iw e i，Z h a oX in ，L i Y it a n g ，e ta 1 D e s ig na n d im p l e m e n t a t io no fA D 7 7 4 5b a s e dm ic r o m a c h in e dc a p a c it iv e a c c e l c r o m e = t c rin t e r f a c ec ir c u it J C h in e s eJ o u r n a lo fS e n s o r a n dA c t u a t o r s ，2 0 0 8 ，2 l ( 3 ) ：5 3 0 5 3 2 ( inC h in s e sw it h E n g l is ha b s t r a c t ) 【1 4 】梁胜，黄钊洪，李欣惠基于A D 7 7 4 5 的无接触电容式角 度传感器的设计 J 】传感器与微系统，2 0 0 7 ，2 6 ( 1 2 ) ：9 4 - - 9 6 L ia n gS h e n ，H u a n gZ h a o h o n g ，L i X in h u iD e s ig no f c o n t a c t l c s sc a p a c it a n c ea n g l es e l l s o rb a s e do nA D 7 7 4 5 J 】 T r a n s d u c e ra n dM ic r o s y s t e mT e c h in o l o g ie s ，2 0 0 7 ，2 6 ( 1 2 ) ： 9 4 9 6 ( inC h in e s ew it hE n g l is ha b s t r a c t ) 第1 0 期周利明等：小麦播种机电容式排种量传感器设计 1 0 3 【1 5 】陈超，续志军电容式倾角传感器的研究与应用叨微计 【1 6 】 算机信息，2 0 0 9 ，2 5 ( 1 6 ) ：1 5 3 - - 1 5 5 C h e l aC h a o X uZ h ij u n 1 f 1 1 er e s e a r c ha n da p p l ic a t io no ft h e o b l iq u it y - b a s e dc a p a c it a n c et r a n d u c e r J C o n t r o la n d A u t o m a t io n 。2 0 0 9 。2 5 ( 1 6 ) ：1 5 3 1 5 5 ( in C h in e s ew it h E n g l is ha b s a a c t ) 史智兴，高焕文光电传感器抗尘性能量化技术与应用 【J 】农业机械学报，2 0 0 3 ，3 4 ( 3 ) ：8 6 8 8 S h i Z h ix in g 。G a oH u a n w e n N u m e r ic a lm e a s u r in gm e t h o d a n da p p l ic a t io no fa n t id u s tc a p a b il it yo fp h o t o e l e c t r ic s e n s o r s J T r a n s a c t io n so ft h eC S A M ，2 0 0 3 。3 钺3 ) ：8 6 8 8 ( inC h in e s ew it hE n g t is ha b s t r a c t ) D e s ig no fc a p a c it a n c es e e dr a t es e n s o ro fw h e a tp l a n t e r Z h o uL im in 9 1 ，Z h a n gX ia o c h a 0 1 ，Y u a nY a n w e i2 ( 1 C h in e s eA c a d e m yo f A g r ic u l t u r a lM e c h a n iz a t io nS c i