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0 引言

農業生產中小麥、玉米、水稻、大豆等作物的測產、選種工作繁重、單調, 自動化的作物考種儀將大大降低農業工作者的勞動強度, 提高工作效率和準確率。作物種子考種一般包括物理尺寸、視覺外觀和化學成分等多方面指標。 胡傳祚等研制出基于單片機的, 能夠自動測量種子長度、自動數粒測千粒質量的測試儀[1]。宋鵬等研究了基于計算機視覺的玉米種子精選系統, 可以在一定程度上根據玉米種子的顏色特征、形態特征將玉米種子分級, 還可區分不同品系的玉米種子[2]。美國農業部開發的SKCS4100單粒谷物質量分析儀, 能夠測量單粒谷物的水分、硬度指數、質量 (mg) 和直徑等參數。

目前, 國內研究多集中于基于圖像處理的種子外觀形態測量、分級、分類研究和種子有機成分含量檢測及種子含水率檢測。對于單粒種子質量自動測量、分級的質量譜自動分析儀器未見報道。一般, 不同作物種子質量分布、形態差異很大, 開發出具有通用的質量自動測量裝置較難;另外, 常見作物種子質量較小, 實現高精度自動精確測量亦有難度。

為了解決這一問題, 設計了一種小麥種子質量自動測量裝置。本文主要介紹其稱重模塊的設計。

1 檢測系統組成及測量原理

小麥種子質量自動測量裝置由質量檢測模塊和自動輸種模塊構成。其結構如圖1所示。

圖1 種子快速稱重裝置結構示意圖   下載原圖

1.單粒排鐘裝置 2.種子 3.種子接收斗 4.種子分類回收容器5.種子刷 6.秤臺 7.稱重傳感器 8.基座 9.種子分類板

裝置的工作過程:單粒排種裝置在槽輪和曲柄滑塊機構組成的驅動裝置作用下, 由秤臺左側運動到秤臺上方1cm處, 排下1粒小麥種子, 而后回復到原位置;種子的質量由快速稱重單元測量并傳送到單片機;單片機獲得種子質量信息后, 向種子刷、種子分類板、排種器各自的運動控制器發出控制信號;種子刷由外側運動到內側將種子從秤臺上掃下, 種子分類板控制器將根據稱重單元發來的控制信號, 以轉與不轉實現分類功能 (若該次測量分類結果與上次不同, 則轉動, 否則不動作) 。重復以上步驟, 即可完成大量種子的單粒質量的測量與分類。該批種子質量分布的統計參數:均值和標準差分別按照式 (1) 、式 (2) 計算;均值、標準差、種子總數、總質量和分類結果將以滾動顯示方式顯示在由單片機控制的液晶屏幕上。

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

標準差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—被測種子總數;

xk —第k粒種子的質量 (mg) 。

2 測量電路設計

一般用精密電子天平測量單粒種子的質量, 而電子天平穩定時間較長, 體積較大, 不適合快速稱重和系統集成。本設計采用單點式稱重傳感器LAA-K5, 這是一種應變式雙孔平行梁稱重傳感器, 量程30g, 靈敏度0.85mV/V, 綜合誤差0.03%, 激勵電壓最大6V。其結構圖和應變片組橋方式如圖2所示。這種傳感器固有頻率相對較高, 可滿足快速稱量的要求;配以精密的放大電路和優化的數據處理算法, 以提高測量的分辨力, 實現單粒種子質量的精確測量。

圖2 雙孔平行梁稱重傳感器結構圖   下載原圖

整個質量測量模塊的組成單元如圖3所示。

圖3 質量測量模塊組成單元圖   下載原圖

采用5V激勵電壓時, 傳感器的橋路輸出共模信號電平達到2.5V, 故前級放大器采用差分輸入方式。三運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]。運算放大器選用性價比高的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, 且不需要外部補償元件, 單5V供電, 使用非常方便, 特別適合應用到傳感器的放大電路中。前級放大電路的電路圖如圖4所示。不難計算出[6], 前級放大器的總放大倍數為

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

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

傳感器的信號經過前級放大后, 信號的變化還是只有微伏級, 并不適合直接接入數據采集卡和ADC。因此, 需要經過后級放大器, 將微伏變化信號放大到毫伏級后, 再接入數據采集卡或ADC。這樣做一方面可以減小測量誤差的影響, 另一方面可以降低對ADC芯片位數的要求, 同時降低對測量電路精度的要求, 減少成本。

圖4 前級放大器電路圖   下載原圖

后級的同相放大器將前級輸出信號進一步放大后, 通過低通濾波器消除高頻干擾[5]。經典的LRC濾波器在低通頻段實現成本較高, 而有源濾波器成本相對較低, 還可以避免電感非線性對濾波器性能的影響, 故采用運算放大器構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。為了保證后級放大器低輸出阻抗和頻率特性, 采用電壓跟隨器輸出。后級放大器的電路圖如圖5所示。其放大倍數AV2=AV21×AV22×AV23。其中, 二階有源低通濾波電路放大倍數AV23和50Hz陷波電路放大倍數AV22, 均設計為單位增益, 故后級放大器的總放大倍數為

AV2=R5/R6

圖5 后級放大電路   下載原圖

整個放大電路的性能主要受前級放大電路的性能的影響[3], 要求前級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串并聯的方式獲得, 降低成本的同時提高了電路的性能。電源是波動小于0.01%的直流穩壓電源。電路板布線方面, 線間距、線寬大于一般電路設計值, 減小導線電阻以及線線間耦合作用。

安裝上10g的秤盤后, 在0～10g外力作用, 5V單端激勵電壓下, 傳感器的輸出在1.416 7～2.833 3mV范圍內。在這個范圍內小麥種子質量作用產生的輸出電壓變化只有幾個微伏, 因此總放大倍數要大于1 500, 整個電路的放大倍數A=AV2×AV1。因為前級放大倍數不宜太大, 故將電路的總放大倍數分配到前級和后級, 前級放大倍數30, 后級放大倍數50;經過放大后, 輸出電壓在2.125 0～4.25V之間, 可滿足ADC和數據采集卡對電壓的要求。

3 數據處理算法

單片機將模數轉換后的數據, 通過標度變換[10], 換算成質量值, 存入單片機內大小為10的一個數組A中, 這樣就形成一個質量值的序列。測得質量數值反映了裝置是處在稱量狀態還是種子刷掃除種子狀態, 質量數值的變化率反映了測量值是否達到穩定;達到穩定狀態時, 將連續采樣20個數值求其平均值, 將結果顯示到液晶屏幕上, 并將該結果存儲到單片機Flash的一個指定塊”B”。一批種子質量測定完畢后, 調用B塊中的數據, 結合數據塊B的大小 (數據塊B的大小就是被測種子的數目) , 按照式 (1) 、式 (2) 的計算方法得到單粒種子質量的平均值和標準差。

測量過程中, 每次采集到的模數轉換后的二進制數值值都將通過串口發送到計算機;基于LabView開發的程序將以波形圖的方式實時顯示每一次采集到的數據;測量結束后, LabView程序將柱狀圖的形式顯示這批種子質量分布。顯示效果如圖6所示。

圖6 LabView數據采集分析程序工作界面截圖   下載原圖

4 結論

介紹了一種小麥種子自動稱重裝置, 該裝置尺寸小巧、功耗低、測量方便;但其測量參數單一, 測量精度有待提高。下一步將研究在此裝置基礎上, 在裝置的末端添加含水率檢測、有機質檢測及種子外觀、外形等參數檢測模塊, 實現小巧多功能考種儀的最終研究目標。此外, 提出的小質量檢測方法, 也適用于玉米、水稻和膠囊等微質量檢測。