高效仿形对靶喷药装置探测传感设计与试验-毕业设计定稿.doc

高效仿形对靶喷药装置传感探测设计与试验绪 论引言中国加入WTO已经七年之久，我国的水果产品贸易也进入了一个全新的发展阶段，国际化的水果产品市场对水果的安全和质量提出了更高的要求1,2,3，我国水果产品生产正面临着质量和市场的双重挑战。以农药残留检测为主的绿色技术壁垒成为当前乃至今后较长时期内我国水果生产和出口的主要障碍。我国植保机械和农药使用技术严重落后的现状严重的妨碍了果树病虫草害的防治,带来了诸如农药有效利用率低、水果产品中农药残留超标、环境污染、作物药害、操作者中毒等负面影响,造成了不应有的损失以及其他不良后果,到了非引起高度重视不可的时候。由于日趋恶化的全球生态环境问题，以保护生态环境、生产绿色果品为主的思路己成为世界果树生产的主题。利用现代先进的科学技术, 结合传统的精耕细作进行果树的种植管理, 以及病虫害的综合防治, 生产绿色食品是中国水果打开“绿色通道”,走向国际市场的重要一步。如何提高农药的有效利用率, 降低农药在非靶标环境中的投放量, 是农药使用技术在21世纪的主要研究内容。最终研制出高可靠性、安全性及方便性, 并且满足越来越高的环保要求,实现低喷量、精喷洒、少污染、高工效、高防效的果园作业机械是摆在农机研究人员面前的一个亟待解决的任务。本论文的主要内容正是基于我国水果产业所面临的机遇和挑战，尤其是以农药残留检测为主的绿色技术壁垒给我国水果产业带来的挑战，对国内外植保机械的研究现状和发展方向进行了简单的研究，尤对国内外现行的先进的施药技术和设备进行了重点的研究，并结合杨老师的项目课题要求，对对靶喷雾技术进行了更深层次的研究分析。在对近20年对靶喷雾技术的研究成果进行研究的基础之上，尤其是其在果园上应用，把对靶喷雾技术中的探测技术作为本论文的研究内容。就目前而言，基于实时传感器的对靶喷雾探测技术常用的检测手段有CCD图像探测技术、红外探测技术和超声波探测技术。CCD图像传感技术虽然检测精度较高，但是由于实时性相对较差，并且相应的配套设施较多，造成了费用较高，因此就大大限制了在小型果园上的应用；超声波技术由于存在着探测盲区，因此在近距离检测的时候精度较差，并且一套超声波收发设备价格也相对较高，由于本装置对检测精度的要求也不是很高，因此采用了相对廉价、探测精度适中的红外探测技术作为果园对靶喷雾机的对靶探测技术的探测手段。第一章 简单介绍了国内外植保机械的研究现状,概括了我国植保机械的特点，并介绍了目前几种较为先进的农药施用技术；第二章 对施药技术中的先进技术-对靶喷雾技术的国内外研究现状进行了综述，最后提出了我国对靶技术的发展重点；第三章 概述了本文中用到的红外探测技术的光电探测技术，并对红外光电探测器的组成和工作原理进行了简要的介绍；第四章 在前面三章的基础上，完成了高效仿形对靶喷药装置传感探测部分的红外探测电路的设计。详细的阐述了电路的工作模块和工作原理，总结了整个红外探测装置从设计到制作再到试验的整个过程。最后，对试验结果进行了分析，提出了本红外探测装置的不足之处和改进方法。第一章 植保机械概述1.1 国内外农药喷雾机械的研究现状1.1.1 国内的研究状况一份农业部于2002年做的关于我国的植保机械与施药技术现状的研究报告表明4：我们的植保机械目前有20多个品种、80多个型号，其中80%左右处于发达国家20世纪50-60年代的水平，而相当于国外90年代的较为先进的植保机械还不足10%。常用的机具仍是几十年前的老三样：单管喷雾器、压缩式喷雾器以及背负式喷雾器。并且存在着严重的“跑、冒、滴漏”现象和较高的故障率。总的来说，目前的施药机械的特点就是4,5,6：（1） 施药机具及喷洒部件落后、型号品种单一、远远不能满足不同作物、不同病虫害防治的需要。从而造成农药的使用量过大，农药浪费、农产品中的农药残留超标，对环境也造成了很大的污染，也使操作人员中毒的事故率大增。（2） 现有喷雾机及喷洒部件不满足现代多元农药科学使用的要求。仅以喷头为例，虽然化学除草剂发展很快，但由于没有与之配套、质量好的扇型喷头，使除草效果大大降低，单位面积上使用的除草剂剂量增加，飘失的除草剂还造成周围敏感作物的药害。（3） 现有植保机械工效低，对暴发性病虫害缺乏应急防治能力。我国单一的植保机械品种不能适应病虫害适时防治和应急防治，从而延误时机。很多的农业灾害都是由于应急能力不足而造成了严重的损失。当然，我国的植保机械从建国前的一穷二白到现在也有了长足的发展。尤其是进入20世纪90年代以来，随着人们对可持续发展和生态农业的观念日益提高，我国对农药喷施和雾化机械的研究也逐渐深入7。江苏大学的张继先（1995）率先采用正交试验的方法对机动喷雾机悬架进行了优化设计，并建立了影响喷雾质量的喷雾机悬架的动态模型；王旭（1996）等人对影响喷雾机工作性能的因素进行了试验和总结；王文元等人（1994）对微喷头布置形式对喷雾均匀度的影响进行了研究，并提出了优化的对不同喷头型式的布置参数；汤伯敏等人（2001）研制了气液二相流喷头并进行了雾化性能和药液物理特性的相关试验；何雄奎等人（2002）就喷雾机风速对雾滴在果树内沉积分布的影响进行了研究，结果显示风速越大，雾滴的穿透性和沉积量越大。当然，有关的理论研究还有很多，在这里不能一一列举。结合这些先进的理论，目前我国先进的施药技术主要有:1) 静电喷雾技术8,9静电喷雾技术是应用高压静电在喷头与喷雾目标间建立静电场,而农药液体经喷头雾化后,通过不同的充电方法被充上电荷,形成群体荷电雾滴,然后在静电场力和其他外力的联合作用下,雾滴作定向运动而吸附在目标的各个部位,达到沉积效率高、雾滴飘移散失少、改善生态环境等良好的性能。在这方面，江苏理工大学的高良润、清华大学的杨学昌以及南京林业大学的郑加强对静电喷雾的治虫效果、实现方法和沉积效果进行了一些研究。图1-1 静电喷雾系统Fig 1-1 System of the detecting electrostatic spraying2) 视觉喷雾技术10基于地图的精确喷雾是应用全球定位系统(Global positioning system , GPS) 确定田间位置坐标, 根据预先准备的变量施药图安排喷雾作业，从而实现针对病虫害区域的农药喷施。华南农业大学的洪添胜等人对基于DGPS的农药在葡萄园中喷施分布质量进行了一些研究，得到一些有益的结论11,7。3) 风送低量喷雾技术8风送低量喷雾技术是利用液力先将药液雾化，然后运用强大的气流将压力雾化或离心雾化的药液雾滴吹向目标物。由于气流对枝叶的翻动作用，可使作物的页面、叶背、上下、内外都均匀地覆盖上药液，由于雾滴在气流的强制作用下飞向果树，可防止自然风的干扰而产生环境污染。这种喷施方法不仅使果树上喷施的药液量大为减少, 还提高了药液在靶标上的覆盖密度和均匀度。何雄奎等人（2002）对风速对雾滴在果树内沉积分布的影响进行了研究12。图1-2 风送静电喷雾系统Fig 1-2 Air assisted electrostatic spray system4) 对靶喷雾技术13对靶喷雾就是只对目标喷雾，对于非目标（靶标）不喷雾或者尽量少喷雾的技术（此处的靶标一般指的是果树的枝叶）。对靶喷雾可以改善果园传统的连续喷药时农药有效利用率低的状况，并且减少农药对环境的污染，在这方面目前国内的研究很多。下面有详细的论述。在对国外的先进成果进行转化和吸收之后，然后进行自主创新是我们施药机械发展的必由之路，我国的植保机械发展的趋势如下4,5,6,14：A. 研制生产具有国际水平的手动和小型机动植保机械。结合我国的实际国情，适合于小型农户的机械在很长的一段时间内仍有广阔的市场，应当尽快提高这类机具的技术水平并推出更多的新型产品。B. 研制开发大中型植保机械设备。大中型设备具有高效、低污染、便于自动控制等诸多优势，随着我国农业生产集约化程度的提高，这类机具将是未来植保机械的主力军。风送式大中型喷杆喷雾机、风送式果园喷雾机、航空喷雾设备必将在植保设备中占有很重要的一席。C. 微低量喷雾、全密封自动混药、气帘风送、自动控制以及静电喷雾等一些新的较为先进的技术将会得到逐步的应用。同时，和植保机械相关的新的材料、新的工艺水平都会有一定的发展，进而推动植保机械的全面发展。D. 针对我国幅员辽阔、地域差异较大的特点，应开发适应于不同地域、不同环境要求的系列化植保机械。而且针对植保机械的系列化程度较低的现状，产品的系列化也是一个急需解决的问题。E. 随着农业产业结构的调整，我国的经济作物种植面积设施农业面积将逐步扩大，为满足特定的需要，开发专用植保机械将成为未来设计的热点。1.1.2 国外的研究状况由于国外的植保机械的研究普遍较早，因此理论研究成果也比较多，应用技术也比较成熟，对农药精确喷施和喷雾技术的研究也较为深入和全面7。从喷头的结构和形式到喷杆的运动模型及布置形式；从喷雾沉积效率到低容量的喷雾效果，都有着较为深入的研究。其中尤以美国、法国、德国、意大利、丹麦、日本等发达国家为代表。日本在果园和温室中发展无人操作喷雾机。利用遥控直升机施撒农药已进入实用阶段15。德国十分重视生态环境问题，植保机械在德国被列为高科技产品(王卫国，1998)，并采取一系列高科技技术措施减少农药漂移和地面无效沉积，以提高农药有效利用率，这些技术措施主要有: 定向对靶喷雾技术、精确喷雾技术、可控雾滴施药技术和农药回收技术16。美国的静电喷雾设备日趋完善，Bertelli、Randell公司生产的静电喷头使用12V直流电源，能够产生40kv的高压，可用于喷杆喷雾机和背负式机动喷雾喷粉机上，该喷头与普通喷头相比，可减少药液损失约65 ，大大降低了农药对环境的污染17。丹麦哈迪公司生产的ALPHA 2000型风送式喷杆喷雾机采用气力辅助喷雾技术，利用风机产生强大气流，经软性气袋斜下方小孔产生下压气流，将雾滴带入株冠中，提高了雾滴在作物各个部位的附着量，增强了雾滴的穿透性，使其可穿入浓密的作物中。作业时喷雾装置还可根据需要变换前后角度，大大降低了农药漂移污染18,15。总的来说，国外的植保机械呈现以下特点：1) 形成了以大型植保机械和航空植保机械为主体的防治体系；2) 植保机械技术先进，配套齐全；3) 研究重点在于发展安全施药，保护生态环境；4) 以化学防治为主体，同时积极发展综合防治技术。1.2 总结从实际出发，我们必须承认，我们的植保机械和技术仍处在起步阶段，和世界先进的植保技术相比我们的差距还是相当大的。因此，借鉴国外先进的技术和经验，进行先进喷雾技术深入研究，然后进行自主创新最终创出属于自己的技术和设备是我们发展植保机械的必经之路。第二章 对靶喷雾技术2.1 对靶喷雾技术简介对靶喷雾技术19,17是实现高效低污染施药的一种重要方法。所谓对靶喷雾就是只对目标喷雾，对于非目标（靶标）不喷雾或者尽量少喷雾（此处的靶标一般指的是果树的枝叶）。对靶喷雾技术把自动化技术与喷雾技术相结合,靶标探测“电子眼”发现靶标(果树枝叶) 时,喷雾机自动控制系统打开喷雾系统进行对靶喷雾,在没有果树枝叶的空挡,“电子眼”把信号传给自动控制系统,将喷雾系统关闭,喷雾机不对外喷雾施药。自动对靶施药机械能够根据靶标的有无和靶标特征的变化有选择性地对靶施药，有效地提高农药在作物上的附着率，明显地减少农药在非靶标区域的沉降，获得了较好的施药效果，能够降低生产成本和减少农药对环境的污染。进入21世纪后，在喷雾机上应用图像识别技术和3S技术，使自动对靶喷雾技术取得了突破性进展。自动对靶喷雾技术主要有基于地理信息技术和实时信息采集与处理2种系统。1) 基于地理信息技术的自动对靶喷雾技术19基于地理信息技术的自动对靶变量施药系统是精准农业的重要组成部分，它以地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）、决策支持系统（DSS）为基础，智能的根据田间变异，对生产过程实施一整套精确定位、定量管理的集成技术。2) 基于实时传感器的自动对靶喷雾技术19该技术主要根据收集到的作物图像、激光、超声波及红外光信号，判断农作物形状、位置，控制喷嘴位置和喷雾电磁阀开启，进行“有靶标时喷雾，无靶标时不喷雾”作业方式，极大减少或基本消除了农药喷到靶标以外的可能性，提高了农药喷洒的利用率。2.2对靶喷雾技术的研究现状2.2.1 国内的研究现状国内从20世纪90年代开始研究对靶喷雾技术，在对国外的理论成果吸收消化之后，开始了自己的探索研究。主要的研究方面有：江苏大学的孙宏祥研究了红外光电探测器在静电对靶喷雾中的应用20,21（2002），设计了一种红外光电探测器，并将其用在棉花的探测上，最终实现了对靶喷雾的设计，在实验中取得了不错的效果。图2-1 棉花植株探测器工作图Fig 2-1 The working diagram of the plant detector for cotton中国农业大学的的何雄奎联合江苏大学的储金宇等人对果园自动对靶静电喷雾机进行了设计与试验22(2003)，研制了一种轻便、高效、省药、能减少对环境的污染、与国产小中型拖拉机配套的果园自动对靶静电喷雾机。通过多次结构改进和各种试验,采用基于红外传感探测技术,探测靶标的有无,将传统的连续喷雾改变为自动对靶控制喷雾，还解决了风送式低量喷雾与静电喷雾等关键技术问题。最后的试验结果表明：与风送式果园喷雾机连续喷雾相比,可以节省药液50 %75 %以上。图2-2 果园自动对靶喷雾机整体结构Fig 2-2 Unitary structure of orchard toward-target automatically detecting sprayer江苏大学的袁湘月、吴春笃等人对果园自动对靶喷雾机的对靶喷雾技术也进行了一系列相关的研究23（2004），选择漫反射型红外光电探测器作为目标探测器，并且做出了相应的探测电路。试验表明该机具有良好的性能，较好的解决了现行果园中存在的农药浪费，环境污染等问题。图2-3 果园自动对靶喷雾机系统结构框图Fig 2-3 Schematic diagram of orchard toward-target automatically detecting sprayer河南农业大学的王万章、史景钊等人对果树农药对靶喷雾药液沉积分布进行了研究24（2005），采用喷雾试验台对果树对靶喷雾中水平安放的空圆锥型喷嘴的喷雾药液沉积分布进行了试验研究。建立了药液沉积对数概率分布模型，计算了喷雾药液沉积范围、分析了喷雾药液沉积距离随喷雾压力，喷雾速度变化的规律。对所选用的2种空圆锥型喷嘴试验表明，压力和速度对喷雾药液沉积的最大距离D的影响最大；喷雾压力和喷雾行驶速度对喷雾药液沉积的最小距离D的影响较小。因此，在采用液力喷嘴实现果树仿形喷雾的控制中根据喷雾药液沉积的最小距离确定喷嘴到果树的距离，在选定喷嘴的情况下可根据果树的大小确定喷雾压力和喷雾速度参数，调节喷雾压力和速度能够够实现调整喷雾药液沉积范围的目的，为对靶喷雾的参数选择提供依据。图 2-4 果树仿形喷雾控制系统Fig 2-4 Block diagram showing the profile modeling spraying control system南京林业大学的葛玉峰等人提出了基于机器视觉的室内农药自动精确喷雾系统25（2005），通过模拟施药过程中施药器械和施药目标之间的相对运动，利用机器视觉技术采集实时树木图像，通过图像处理完成目标树木的分割和识别，以图像处理结果为依据进行施药决策，通过上位机PC机和下位机单片机进行数据交换，将决策结果转化为喷雾指令，并控制喷雾执行系统实现自动精确对靶喷雾。江西师范大学的黄建华提出了基于超声波技术的间歇喷雾装置26（2006），利用了性价比较好的单片微型计算机作为系统的控制核心, 通过由双晶头发射的超声波探测果树的枝叶来及时的捕捉喷药目标, 整个系统的抗干扰能力较高， 系统能在干扰大的白天正常工作,且寻靶速度快, 响应迅速, 可以根据农作物的有无实现喷药的及时控制, 达到间歇喷药的目的。图2-5 果园自动对靶喷雾机的实际产品Fig 2-5 Industrial products of orchard toward-target automatically detecting sprayer中国农业大学的吴泽袆等人提出了基于AVR单片机的自动对靶喷雾装置27（2007），设计了以ATmega 16 单片机为核心的自动对靶控制系统，该系统利用PC 机作为上位机,控制摄像头定时摄取图像,利用2g2r2b 颜色特征分割该彩色图像,当绿色颜色分量大于预设阀值时,便判定摄像头下有靶标,用PC机的串口通信系统发送指令到单片机,延迟预设的时间后,控制执行机构进行喷雾,实现自动对靶喷雾,并且可以设定延迟时间,从而实现在不同行走速度下的自动对靶喷雾。河北农业大学的韦真博等人所设计的自动喷雾机红外控制系统中28（2007），利用红外遥控专用芯片PT2262 与PT2272，围绕51单片机搭建简单可行的红外控制电路，形成了红外遥控伺服车控制系统和红外线传感器控制喷雾系统，实现了喷雾器的行走自动控制和对靶喷雾。中国农业大学的邹建军等人对果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统进行了更为仔细的研究29（2007），针对目前果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统易受环境影响、工作不稳定、探测距离近的缺陷, 研制了一种由集成电路构成的果园自动对靶喷雾机红外探测系统。试验结果表明: 系统的探测距离为0-6.5m，最小识别间距小于0.3m，系统工作稳定、灵敏度高、体积小、不受自然光的干扰。2.2.2 国外的研究状况发达国家如美国、欧共体、日本也正在研制类似喷雾机,目前国外主要有两种方法实现对靶施药30，一是使用图像识别技术，该系统由摄像头、图像采集卡和计算机组成。计算机把采集的数据进行处理，并与图像库中的资料进行对比，确定对象是草还是庄稼、何种草等等，以控制系统是否喷药。二是采用叶色素光学传感器，该系统的核心部分由一个独特的叶色素光学传感器、控制电路和一个阀体组成。阀体内含有喷头和电磁阀，当传感器通过测试叶色素判定有草存在时，即控制喷头对准目标喷洒除草剂。但是目前只能在裸地上探测目标，可依据需要确定传感器的数量，组成喷洒系统，用于果园的行间护道、沟旁和道路两侧喷洒除草剂。据介绍，使用该系统，能节约用药量6O一8O，但由于图象处理装置造价高、产品商品化较为困难,目前均处于试验阶段。俄罗斯研制的On一2型果园喷雾机采用超声波测定树冠位置20，可实现对果树树冠喷雾，而在果树空挡区则自动停止喷雾，大幅度减少或基本消除了农药喷到非靶标植物上去的可能性，提高了农药的有效利用率。美国Durand-Wayland公司生产了一种叫Smart spray果树智能喷雾系统25。该系统采用防水超声波传感器和安装在驾驶室内的喷雾控制器连接,两侧的喷头根据探测到的树的大小形状后才相应地开启喷雾。可以实现喷杆独立控制,根据果树高度,果园行距控制喷雾，能保持稳定的喷雾压力,严格控制喷雾流量,避免过量喷雾。这一系统的果园喷雾试验表明与传统喷雾相比可节约37%的施药成本。图2-6 Smart spray果树智能喷雾系统Fig 2-6 Picture of smart spray orchard spray system美国加利福尼亚大学戴维斯分校(University of California at Davis) 和美国伊利诺斯大学(University of Illinois) 的学者研制了基于机器视觉的杂草自动识别和喷雾控制系统。该系统针对非均匀分布的田间杂草, 根据其长势和密度, 控制除草剂喷施量, 实现高的空间喷施精确度( Spatial application accuracy, SAA )，提出了有关作物和杂草在喷雾过程中的图像识别、决策和控制算法，除草剂节约达到48% 。AGTECH公司研制的“Tree-sense”智能喷雾器采用了“沙漠风暴”中使用的探测敌人坦克的三维图像传感器，它能够根据作物的距离、形状进行有效喷雾，从而实现精确对靶喷雾20。2.3 总结总的来说，我国对对靶喷雾技术的原理以及相应的装置的研究还处于刚刚起步阶段，和西方发达国家较为成熟的理论成果和已经产业化的工业产品相比，我国在这方面的研究还存在着明显的差距。由于西方的这些对靶喷雾装置虽然精度较高，技术也比较完善，但是由于价格昂贵，造成这些技术和设备在我国的应用阻力重重。因此开发出适合我国国情，并且较为廉价的高效仿形对靶喷雾装置是我们目前的研究重点和方向。第三章 红外探测系统3.1 红外辐射红外辐射俗称红外线（IR）31,32,它与其他光线一样，也是一种客观存在的物质，是一种人眼看不见的光线。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就会有红外线向周围辐射。红外光是波长比红色光的波长（0.76m）还长的光波1。通常，将电磁波波谱中间隔为0.76-1000m的波谱段称为红外光谱区。一般把红外光谱分为四个区域，即近红外（0.76-3.0m）、中红外（3.0-6.0m）、中远红外（6.0-20m）、和远红外（20-1000m）区。而在目前的工程应用中，红外探测和遥控中所使用的红外光谱主要集中在0.76-1.60m（760-1600nm）的近红外区。图3-1 红外波谱在电磁波谱所处的位置Fig 3-1 The position of Infrared spectrum in the electromagnetic spectrum3.2 红外探测系统的组成根据普朗克定理，凡是绝对温度大于零度的物体都会产生热辐射31,32,33。物体发射的辐射通密度是物体温度及物体辐射系数的函数。利用景物温度及辐射系数的自然差异可以做成各种红外仪器。而当物体受到外来的红外辐射辐照时，会产生反射、吸收和透射的现象,主动的红外探测仪器这是基于这些现象所做成的红外仪器。景物发射的红外辐射信号经空间传输到红外装置上，红外装置的红外光学系统接收景物的红外辐射，并将其会聚在探测器上。探测器将入射的红外辐射转换成电信号，信号处理系统将探测器送来的电信号处理后便得出与景物温度、方位、相对运动角速度等参量有关的信号。图3-2 红外探测系统Fig3-2 The Infrared detecting system红外探测系统由光学系统、敏感元件、前置放大器和调制器等组成。图3-3 红外探测系统的组成结构图Fig3-3 Block diagram for infrared detecting system3.2.1红外探测系统的光学元件红外光学元件的作用是重新改善光束的分布，更有效的利用光能。光学元件用于辐射源，可形成有确定方向的辐射光束31,33。光学元件用于辐射探测器上，用来收集相关的辐射信号，并将辐射信号会聚到探测器灵敏表面上，从而大大的提高了灵敏面的照度，提高了仪器的信噪比，增强了系统的探测能力。根据结构的不同，红外传感器的光学元件分为三大类：透镜式、反射式和混合式光学元件。其中混合式元件是由透镜式和反射式元件组合而成。二者的具体结构如下： 1) 透镜式红外光学元件透射式红外光学元件也称折射式红外光学元件，它一般由几个透镜或组合透镜构成，每个组合透镜都可以看作一个独立的光学元件32,33。在红外探测器的光学元件中，利用透镜聚光器将物镜整个视场内的辐射束全部收集到探测器的灵敏面上。透射式光学元件的部件是用红外光学材料制成的，应根据所用的红外波长选择光学材料。一般测波段在0.76-3nm的近红外区，可用一般的光学玻璃和石英灯材料，通常还需要在镜片表面蒸镀红外增透层，一方面滤去不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射率，提高探测精度和距离。图3-4 透射式红外光学元件原理图Fig 3-4 The schematic diagram of Infrared optical transmission system2) 反射式红外光学元件对于波长更长的红外信号的探测（远红外信号），能透过它的材料很少，因此常采用反射式的光学元件。反射元件有球面形、抛物面形、双曲面形和椭球面形等几种。图3-5 两种典型的反射式红外光学元件Fig 3-5 Two typical frames of infrared optical reflection system在反射式光学元件中，获得红外波段的光学玻璃材料的制造比较困难，此外发射元件还常做成大口径的镜子，但是在加工方面，反射式要比透射式困难的多。反射式光学元件多是凹面玻璃反射镜，其表面镀金、铝或镍铬等对红外波段反射率很高的材料，为了减小光学像差，或为了使用上的方便，通常再加一片次反射镜，使目标辐射经二次发射聚焦到接收元件上。3.2.2红外探测系统的发射元件红外发射元件基本上采用的都是GAAS、AlGaAS或者GAInAsP等半导体材料制作的红外发射二极管（IRED）或者三极管31,33,其发射波长在880-1700nm范围内，这与Si光电接收器件的响应波长相匹配。图3-6 常见的红外发射二极管及三极管Fig 3-6 The common Infrared launching Diode and transistor红外发射二极管常见的驱动电路有恒定直流驱动电路、恒定直流脉冲驱动电路及交流驱动电路31。图3-7 红外发射二极管的驱动电路Fig 3-7 The driving circuit for Infrared launching diode在恒定直流电流驱动电路中，RS为限流电阻，如果RS的阻值大小合适，就可以使红外发光二极管的驱动电流最佳，从而使输出红外功率尽可能大。其限流电EcUFRs阻RS的大小由下式估算：IF 图3-8 直接直流驱动方式 Fig 3-8 Direct DC-driven approachEC电电源GB的电压（V）；UF为红外发光二极管的正向压降（V）；IF为红外发光二极管的工作电流。红外探测系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由馈给发光二极管的电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电流的平均值越小，则发光效率就越高。为了提高红外探测系统的作用距离，而又不使红外发射管过载，一般不采用平均发射方式，而采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。脉冲发射方式或调制载波发射方式可使红外发射管的平均功率减小，提高系统的有效作用距离，且大大提高红外探测系统的抗干扰能力。3.2.3红外探测系统的接收元件在红外探测和控制系统中，与红外发射元件配套的是红外光电检测、接收元件。在红外接收元件中，红外光电二极管、光敏三极管将接收到的红外光指令信号转换成相应的电信号。为了实现对微弱的红外光信号进行转换和检测，有必要对红外光电转换元件进行一定的研究35。红外光电转换元件是红外接收系统的传感元件，是红外接收前端的光电探测元件。红外光电转换元件包括光电二极管、光敏三极管和少量其他光电元件。光电二极管是最常见的光电转换元件，其检测或转换的原理是：当光电二级管PN结的光敏面受到光照射后，PN结的半导体材料吸收光能，并将光能转换为电能。当光电二极管上加有反相电压（即反偏）时，管子中的反相电流将随入射光照强度的变化而改变。也就是说，光电二极管的反向电流将随入射的光脉冲做同频率的变化。光电探测电路中常用的光电二极管有PN型、PIN型、雪崩(APD）型和肖特基型四种类型，其中用的最多的是用硅材料制成的PN结型光电二极管。图3-9 光电二极管的PN结示意图Fig 3-9 Schematic diagram of PN junction for Photodiode3.2.4红外探测系统的前置放大元件在红外光电接收电路中，红外光敏元件用于将接收到的红外光指令信号转换为相应的电信号。但是由于转换后的信号一般都十分微弱，必须通过前置放大器放大后，才能送到信号处理电路。一般红外光敏元件检测出的电信号通常为微伏量级，因此要求前置放大器的电压增益不小于60dB34。常用的放大元件有分立元器件构成的红外接收前置放大器、集成运放器构成的红外接收前置放大器、数字集成电路构成的红外接收前置放大器以及专用的红外接收放大集成电路等。3.3红外探测系统的工作原理图3-10 主动式红外探测器的基本组成框图Fig 3-10 The basic block diagram of Initiative infrared detector在图示的红外光电接收和发射电路中，编码波形发生器产生一定占空比的脉冲信号，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使其发射出一系列等幅的红外光脉冲信号。发射脉冲编码信号可降低功耗，提高发射功率。右边所示的红外接收电路中，光电探测器（红外光电二极管或光敏三极管）用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号，当接收光电管在没有收到红外光信号时，光电管中的电流很小，即只有很小的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外光电脉冲信号照射时，光电管的电阻急剧减小，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。由于检测出的信号微弱，需要经高增益电压放大器放大，然后经整流滤波电路后输出正极性脉冲信号，加至触发电路（例如双稳态触发器），使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机件动作，执行机件可以是继电器、可控硅器件或音响电路。第四章 红外传感探测装置的设计、制作与试验本试验装置采用漫反射型红外光电探测方法，在设计上采用了红外线调制和解调技术，它由红外线发射电路、红外线接收电路和输出电路3部分组成。发射电路为红外线调制和发射电路，发射经过调制的红外线信号；接收电路为红外线接收和解调电路，它只接收来自发射电路的、经过调制的红外线信号，而排除其它红外线的干扰；输出电路由继电器及其相应的后续装置构成。由于在本探测装置中，用到了一些集成电路元件，先将这几个集成电路元件介绍如下。4.1 关键元件简介4.1.1锁相环音频译码集成电路 LM567锁相环是一种允许用参考信号去控制环路内部振荡器的频率和相位的闭环回路，是一种相位反馈电路36。锁相环有有三个基本组成部分，即相位检测器、环路滤波器和压控振荡器。图4-1 锁相环的组成框图Fig 4-1 The component diagram for phase locked logic(PLL)LM567为锁相环音频译码电路，它在电路中的功用是作选频用，即只有当输入信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，电路输出低电平，否则输出高电平。它的内部原理框图如图4-2：图4-2 LM567的内部原理框图Fig 4-2 The internal Block diagram for LM567其5、6脚外接的电阻R和电容C，组成低频振荡电路，产生方波振荡信号。由 R、C 决定内部振荡器的中心振荡频率,改变电阻R和电容C的值可以非常方便地改变振荡频率。其计算公式为34： (4-1) LM567的第1、2脚分别对地接一电容器，形成输出滤波网络和锁相环低通滤波网络。2脚所接电容器C2的容量决定了锁相环的捕捉带宽，其大小BW为： (4-2)式中，U1N为3管脚输入的正弦波信号电压的有效值，C2的单位为F。图4-3 LM567的引脚图Fig 4-3 The Figure-pin for LM5674.1.2 集成运算放大器 UA741UA741是一种单片高性能内补偿运放器，具有较宽的共模和差模范围，一般不需要进行外部频率补偿，具有短路保护及失调电压调到零的能力，而且功耗较小，是一种很常用的放大器37。在本电路中，UA741用作反相放大器，其闭环电压增益Gf为：(4-3)图4-4 UA741的引脚图Fig 4-4 The Figure-pin for UA741 1-Ofset null 5-Ofset null2-Inverting input 6-Output3-Non-Inverting Input 7-VCC+4.1.3 双定时器 NE555NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可以达到200mA。NE555的工作方式可分为单稳态工作方式、双稳态工作方式以及无稳态工作方式，而单稳态工作方式有包括手动驱动方式、脉冲驱动方式和压控振荡器三种方式。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，可延时数微秒到数小时38。只需要把输入触发脉冲接在555定时器的2脚，6、7两脚短接并与定时元件R、C相连,就构成了脉冲驱动的单稳态触发器。单稳态触发器只有一个稳态，在外加脉冲的作用下,触发器由稳态翻转为暂稳态,过一段时期,又自动地回到原来的状态.单稳态触发器常用于波形的整形、定进和延时。其内部原理图如图4-5：图4-5 NE555的内部原理框图Fig 4-5 The internal block diagram for LM567本电路中的555的工作方式即为脉冲驱动的单稳触发器，用于输出一定宽度的脉冲，从而使继电器延时一段时间，延时时间的大小Tp0由电阻R7和电容C9的值决定。(4-4) 4.2 红外传感探测电路的具体设计下图4-6即为本红外探测装置的电路原理图：运算放大器三态稳压器红外发射管红外接收管继电器定时器锁相环图4-6 红外探测器电路原理图Fig 4-6 Schematic diagram of infrared detecting circuit4.2.1工作模块 电源模块12V的直流电源通过22F的极性电容滤波，然后经过三态稳压集成电路7809,得到9V的直流电源驱动后续电路工作，并且再经过一个22F的极性电容滤波，得到更为稳定的工作电源。 图 4-7 电源模块Fig 4-7 The electrical source module 发射模块 由上文对LM567的介绍可容易的计算出它的中心振荡频率f0(4-5)LM567的5管脚即输出中心振荡频率为41.32KHz的方波信号，送到三极管9013的基级，经三极管放大后，驱动红外发射管SE303向外发射红外信号，而通过调节可变电阻的大小，即可改变发射功率 图 4-8 发射模块最终达到调节发射距离的目的。此处的 Fig 4-8 The infrared launching module红Led灯为发射电路的指示灯，由此判断发射电路是否开始工作。 接收模块 由前面的介绍可知，当红外接收管PH302接收到前方物体反射回来的红外信号时，由于自身的特性，阻抗变小，相应的提高了负极的电位。其上方的100K的电阻起到限流的作用， 图4-9 接收模块防止因电流过大而造成二极管击穿,不能正常 Fig 4-9 The infrared incepting module工作。图4-10 放大模块Fig4-10 The magnifing module 放大模块 PH302负极的电位变化的信号经电容103低频滤波后，经集成运放电路UA741放大后，送到下一级模块。由对UA741的说明可知,运放器的放大倍数A为（4-6） 锁相鉴频模块图4-11 锁相鉴频模块 Fig4-11 The PLL Frequency Identification module信号经UA741放大传至LM567的输入端3脚，LM567内部的电位检测器先对输入信号和锁相环路内部振荡器产生的信号的频率和相位进行比较，只有当某一连续输入的信号落在给定的通频带内，锁相环电路将此信号锁定，这就是所谓的锁相。使8脚输出低电平，同时滤去了其他噪声外来信号的干扰，达到了鉴频的目的。图4-12 延时模块Fig4-12 The delaying module 延时模块如果LM567的8脚输出低电平，经过一个103电容低频滤波后，传到NE555的比较器的负极端口Trigger2管脚，延时控制电路开始工作。驱动它的Output3端口输出高电平，最大的延时时间Tp0为：(4-7) 驱动模块 图4-13 驱动模块Fig 4-13 The driven moduleNE555的Output端口如果有高电平，送到三极管基级，使三极管正向导通，驱动红LED灯发光，同时继电器两端加上了电源。继电器开始工作，常开触点闭合，驱动后续电路工作。继电器的工作时间由延时电路的延时时间决定，继电器的状态可以通过红LED灯观察。延时时间通过调节R7的大小实现。4.2.2电路的工作过程电源接通后，LM567与其外围相关元件组成的振荡电路起振，振荡频率为41.32KHz。同时LM567的5管脚输出同样频率的信号，并通过三极管9013使红外发射管SE303发射出同样频率的红外信号。如果前方一定的距离内有果树枝叶，就会将将红外信号反射回来，红外接收管PH302就会接收到相应的红外信号，经过UA741运放器放大后，加到LM567的输入端口，由于LM567锁相的特性可知,LM567只有检测到其能捕捉到的带宽范围内的信号才能锁相，同时使Out端8脚输出低电平，从而滤除了其它噪声的干扰。保证只有PH302接收到的信号是由SE303发射的被障碍物反射回来的信号，才可以驱动NE555与其外围相关元件组成的单稳延时电路，Output输出高电平，驱动LED灯发光，继电器工作，从而使电磁继电器常开触点闭合，驱动电磁阀闭合，开始喷雾。而当前方无果树的枝叶的时候，PH302就接收不到相应频率的红外信号，而使得继电器常开触点保持断开状态，电磁阀没有吸合。喷雾器不工作，停止喷雾。由于发射功率一定，因此红外信号可以被反射回来并且能为红外接收管捕捉到的距离也就是有限的。通过调节电位器电阻的大小，就可以改变检测距离，并且可以防止由于相邻行的果树干扰而产生的误动作。4.3 红外传感探测装置的制作4.3.1电路原理图的绘制在对果园对靶喷雾技术用到的红外探测电路进行研究分析的基础上，结合光电开关的常用设计电路，用PROTEL 99SE 软件绘制出了本红外探测器的红外探测器的电路原理图，并且用PROTEL 99SE自带的元件规则检查功能对整个电路进行了分析和规则检查，结果显示电路原理图是可行的。图4-14 红外探测器电路原理图Fig 4-14 Schematic diagram of infrared detecting circuit4.3.2印刷电路板图的绘制由于红外信号的频率较高，属于高频信号的范畴。因此，为了减少手工搭接电线之间和电子元件间的干扰，从而提高整个探测器的探测精度，提出了用印刷电路板进行探测器的制作和试验。用DXP2004绘制出了红外探测器的PCB文件图，如下图4-15所示：图4-15 探测电路的PCB文件图Fig 4-15 The pcb diagram for the infrared detecting circuit4.3.3实际印刷电路板的制作将红外探测器的PCB文件做好后，交予专门的印刷电路板的制作厂家，进行实物制作，下图4-16为印刷电路板的实物图：图4-16 印刷电路板的实物图Fig4-16 The product for PCB4.3.4红外探测传感装置的焊接制作根据电路原理图所生成的元件清单，采购了所需的电子元件。下表4-1为用DXP2004软件生成的本装置所需的元件清单：表4-1 元件清单Table 4-1 The list for component 将买来的元件按照PCB文件图上的位置，对元件进行了焊接，焊好的红外探测器如下图4-17所示：图4-17 焊接好的红外探测器Fig 4-17 The made product for infrared detector4.4 试验过程和结果分析4.4.1室内试验I. 室内试验过程为了检验该探测器的探测性能，分别对三种颜色的物体进行了探测试验，并记录了在此试验条件下的探测距离。具体的试验过程和试验数据记录如下。注：由于电路最大电流的限制，限流电阻的取值不能过小，本试验的试验结果都是在限流电阻R1=93.3的条件下进行的。图4-18 使用红外探测器探测绿色平板Fig 4-18 detecting green object using the infrared detector detector图4-19 使用红外探测器探测白纸Fig 4-19 detecting white paper using the infrared de