一種測(cè)量風(fēng)傳種子沉降速度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王學(xué)進(jìn)，李鑫，戴梅

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

一種測(cè)量風(fēng)傳種子沉降速度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王學(xué)進(jìn)，李鑫，戴梅

（常熟理工學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

介紹了一種測(cè)量風(fēng)傳種子沉降速度系統(tǒng)的設(shè)計(jì).系統(tǒng)采用MC9S12XS128單片機(jī)為主控芯片，利用兩個(gè)線性CCD傳感器分別采集種子下落過(guò)程中的視頻信號(hào)，通過(guò)圖像邊緣檢測(cè)算法精確捕捉種子下落過(guò)程中的始末兩個(gè)時(shí)刻，利用加權(quán)算術(shù)平均法計(jì)算出種子沉降速度值，同時(shí)擬合出沉降高度與速度的曲線.實(shí)際測(cè)試表明，本系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).

線性CCD；邊緣檢測(cè)；種子沉降速度；加權(quán)算術(shù)平均法

種子隨風(fēng)擴(kuò)散對(duì)植物種群基因流動(dòng)、外來(lái)物種入侵、植物群落演替以及保護(hù)生物學(xué)等領(lǐng)域的研究有重要意義.在自然界中，氣流、地形等外界環(huán)境對(duì)種子擴(kuò)散作用影響較大，種子自身的生物學(xué)特性對(duì)其擴(kuò)散距離也起到很重要的作用.在理想的外界環(huán)境下，植物種子在空中漂浮時(shí)間越長(zhǎng)其擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，而種子沉降速度是影響其擴(kuò)散距離的重要因素之一.

基于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于線性CCD的測(cè)量風(fēng)傳種子沉降速度的系統(tǒng)，在不考慮外界環(huán)境的影響下，研究植物種子沉降速度，為測(cè)量種子沉降速度提供了一種新型高效方法.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于線性CCD的測(cè)量風(fēng)傳種子沉降速度的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括：系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括一只長(zhǎng)度可伸縮的沉降管，線性CCD安裝支架，以及用于維持整個(gè)系統(tǒng)平衡的支架.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采集模塊，數(shù)據(jù)處理與顯示模塊等.在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理等功能，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量種子沉降速度的功能.系統(tǒng)的整體組成如圖1所示.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以MC9S12XS128單片機(jī)為主要硬件平臺(tái)，硬件設(shè)計(jì)主要包括：電源模塊、MC9S12XS128最小系統(tǒng)[1]，BDM下載接口，線性CCD信號(hào)采集電路，按鍵輸入及

液晶顯示模塊，聲光報(bào)警電路.系統(tǒng)硬件組成如圖2所示.

2.1 線性CCD信號(hào)采集電路

本系統(tǒng)采用的線性傳感器是TAOS公司的TSL1401芯片，TSL1401的線性傳感器陣列由一個(gè)1*128的光電二極管陣列組成，輸出信號(hào)具有高線性度和均勻度，芯片內(nèi)部集成度高，簡(jiǎn)化了操作控制邏輯，只需要一個(gè)串行輸入端（SI）信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào).

實(shí)驗(yàn)表明，TSL1401的輸出信號(hào)和環(huán)境光線密切相關(guān)，導(dǎo)致相同的曝光時(shí)間、鏡頭光圈等參數(shù)下難以適應(yīng)各種不同的環(huán)境，基于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輔助光源，采用高亮度LED光源置于沉降管內(nèi)部，使沉降管內(nèi)部光線環(huán)境相對(duì)外界環(huán)境保持相對(duì)穩(wěn)定的光強(qiáng)度，適合線性CCD穩(wěn)定的工作.同時(shí)，在不降低系統(tǒng)采樣率的前提下，采用運(yùn)算放大器對(duì)線性CCD輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大，可有效解決弱光線和輸出信號(hào)低的問(wèn)題.

系統(tǒng)選用TI公司的LMV358運(yùn)算放大器對(duì)線性CCD輸出信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)放大倍數(shù)的公式為：

經(jīng)測(cè)試，設(shè)置信號(hào)放大倍數(shù)為11倍，可保證輸出信號(hào)在合理范圍內(nèi).TSL1401線性CCD驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)放大電路如圖3所示.

2.2 調(diào)試模塊

良好的調(diào)試模塊，可縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加完善.本設(shè)計(jì)中需要檢測(cè)線性CCD的工作狀態(tài)和采集信號(hào)，并需要設(shè)置系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)，為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了調(diào)試模塊，主要包括串口調(diào)試模塊、按鍵輸入和液晶顯示模塊以及聲光報(bào)警電路.

2.2.1 串口調(diào)試模塊

系統(tǒng)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.MAX232是MAXIM公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用較為廣泛.該芯片采用5 V單電源供電，芯片內(nèi)部集成兩個(gè)電源電路，分別完成+5 V至+10 V和+10 V至-10 V的電壓轉(zhuǎn)換，為通信提供電源.MAX232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換電路[2]如圖4所示.

2.2.2 按鍵輸入和液晶顯示模塊

系統(tǒng)采用獨(dú)立按鍵輸入設(shè)置相關(guān)參數(shù)，在顯示端，選用體積小、功耗低、控制簡(jiǎn)便的LCD5110液晶，用于顯示沉降時(shí)間、沉降高度、速度值等參數(shù).

2.3 聲光報(bào)警電路

為提醒測(cè)試人員注意測(cè)量結(jié)果是否正確，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路[3]，對(duì)在誤差范圍內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行綠燈提示，而對(duì)異常測(cè)量結(jié)果進(jìn)行紅光提示，并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警.設(shè)計(jì)的聲光報(bào)警電路如圖5所示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)主要有單片機(jī)初始化、線性CCD信號(hào)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)顯示及信號(hào)提示等軟件設(shè)計(jì).系統(tǒng)首先要對(duì)單片機(jī)初試化，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)各模塊的工作方式.在程序的循環(huán)運(yùn)行中主要是通過(guò)中斷的方式采集CCD信號(hào)，并通過(guò)軟件算法將采集數(shù)據(jù)計(jì)算為速度值顯示到液晶上.系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示.

3.1 邊緣檢測(cè)算法處理信號(hào)

本系統(tǒng)通過(guò)線性CCD采集種子下落過(guò)程的視頻信號(hào)，利用圖像邊緣檢測(cè)算法[4]捕捉種子下落的始末時(shí)刻.邊緣是圖像灰度不連續(xù)的結(jié)果，當(dāng)沒(méi)有種子落下時(shí)，CCD采集的信號(hào)灰度值穩(wěn)定，圖像最大灰度值在一定閾值范圍內(nèi)，而當(dāng)有種子下落時(shí)，CCD采集到種子圖像的灰度值明顯區(qū)別于正常圖像，圖像灰度值有很大波動(dòng)，通過(guò)邊緣檢測(cè)算法能夠標(biāo)識(shí)數(shù)字圖像中亮度變化明顯的點(diǎn)，以此辨別有種子落下的情況，記錄檢測(cè)到種子下落的始末時(shí)刻.

傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)算法包括濾波、增強(qiáng)、檢測(cè)和定位四個(gè)步驟，通過(guò)濾波算法消除采集信號(hào)噪聲，增強(qiáng)圖像邊緣強(qiáng)度，通過(guò)判斷圖像像素灰度值幅值大小來(lái)檢測(cè)邊緣，最終確定邊緣在圖像中的位置.根據(jù)設(shè)計(jì)需要本系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)算法過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，由于采集圖像信號(hào)主要用于檢測(cè)是否有種子下落，無(wú)需確定邊緣具體位置，因此可忽略定位環(huán)節(jié).本系統(tǒng)采用的邊緣檢測(cè)算法包括限幅平均濾波法和檢測(cè)圖像灰度幅值閾值兩部分[5].

3.1.1 限幅濾波法

線性CCD將采集到的視頻信號(hào)以模擬量的形式輸出，單片機(jī)需要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號(hào)量，并將數(shù)字圖像灰度信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩存數(shù)組中.

通過(guò)限幅濾波算法，對(duì)圖像信息進(jìn)行預(yù)處理，首先確定相鄰兩像素點(diǎn)的灰度值所允許的最大偏差值，如果第i個(gè)像素點(diǎn)與第i-1個(gè)的灰度值之差在最大偏差值范圍內(nèi)，且第i個(gè)像素點(diǎn)與第i+1個(gè)的灰度值之差也在最大偏差值范圍內(nèi)，則判定該點(diǎn)為有效像素點(diǎn)，否則判定該點(diǎn)為無(wú)效像素點(diǎn)，并用上一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值代替該點(diǎn).通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行限幅濾波，能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，去除圖像噪聲.經(jīng)限幅濾波算法處理后的采集種子的圖像如圖7所示.

3.1.2 檢測(cè)圖像灰度幅值閾值

經(jīng)過(guò)限幅濾波后可以正確恢復(fù)原始圖像信息，需要對(duì)有種子落下的圖像信息進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別.由于不同種子落下的情況各有不同，每幅圖片的信息也不同，經(jīng)測(cè)試可發(fā)現(xiàn)有種子落下的圖像灰度值的幅值有明顯波動(dòng)，因此可通過(guò)檢測(cè)圖像灰度值的幅值大小來(lái)判斷是否有種子下落.

本系統(tǒng)采用遞推平均法檢測(cè)幅值，把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣

到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得處理后的平均幅值，將該平均幅值和設(shè)定的幅值閾值A(chǔ)作對(duì)比，若大于閾值A(chǔ)，則說(shuō)明檢測(cè)到有種子落下，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，遞推平均算法可準(zhǔn)確的檢測(cè)出種子落下的情況.

3.2 數(shù)據(jù)處理算法

系統(tǒng)通過(guò)邊緣檢測(cè)算法測(cè)出種子下落過(guò)程的始末時(shí)刻，在沉降高度一定的情況下，對(duì)種子沉降實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)出種子每次下落時(shí)間，計(jì)算種子單次沉降速度，再采用加權(quán)算術(shù)平均算法計(jì)算出種子的最終沉降速度，具體算法如下：

Xi為同一顆種子在沉降高度為H時(shí)的沉降時(shí)間的測(cè)量結(jié)果，Wi為對(duì)應(yīng)速度值的權(quán)數(shù)，Y為加權(quán)算術(shù)平均數(shù)即沉降速度值，則加權(quán)算術(shù)平均數(shù)的計(jì)算公式為：

采用加權(quán)算術(shù)平均算法可減小計(jì)算誤差，可以適當(dāng)擴(kuò)大當(dāng)前測(cè)試值對(duì)未來(lái)測(cè)試沉降速度的預(yù)測(cè)值的影響作用.經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，使用加權(quán)算術(shù)平均算法可準(zhǔn)確測(cè)得種子沉降速度.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選用蒲公英種子，測(cè)量種子在0.5 m，1.0 m，1.5 m以及2.0 m的沉降高度下的下落時(shí)間，根據(jù)加權(quán)算術(shù)平均算法計(jì)算出沉降速度，數(shù)據(jù)如表1所示.

為驗(yàn)證算法準(zhǔn)確性，系統(tǒng)對(duì)算法進(jìn)行了Matlab實(shí)驗(yàn)仿真，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真得到沉降高度與沉降速度結(jié)果如圖8的曲線1所示，仿真結(jié)果與系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)行結(jié)果一致.且系統(tǒng)對(duì)同一沉降高度下的沉降速度進(jìn)行了多次測(cè)量，并與傳統(tǒng)秒表的測(cè)試方法進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小，系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，測(cè)量更為精準(zhǔn).

4.2 擬合數(shù)據(jù)線性曲線

為便于測(cè)量不同高度下的種子沉降速度的大小，系統(tǒng)對(duì)沉降高度和沉降速度的關(guān)系曲線進(jìn)行了一次線性直線擬合，建立曲線模型為一次線性函數(shù)：

其中K，b為一次線性函數(shù)系數(shù)，x為種子沉降高度，y為種子沉降速度值.系統(tǒng)采用的Matlab擬合一次線性曲線程序如下：

對(duì)應(yīng)一次線性函數(shù)中的參數(shù)為K=0.0160，b=0.1955，即得到種子沉降高度與沉降速度的一次線性直線如式（4），實(shí)驗(yàn)擬合出的曲線如圖8曲線2所示.

5 總結(jié)

設(shè)計(jì)了一種基于線性CCD的測(cè)量風(fēng)傳種子沉降速度的系統(tǒng)，可準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)傳種子的沉降速度.實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為測(cè)量種子沉降速度提供了一種新型實(shí)用的方法[6].

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Design and Implementation of Measuring Wind Dispersal Seed Settlement Velocity System

WANG Xue-jin,LIXin,DAIMei
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

This paper introduces a kind of designing and Implementation ofmeasuring wind dispersal seed settlement velocity system.Based on the MC9S12XS128,the system can get the seed falling video signal by linear CCD,and it can acquire seed settlement time after processing signal with image edge detection algorithm.Besides,the system can calculate the final settlement velocity by the weighted arithmetic average and also fitting the curve of sedimentation height and speed.The test shows that the intelligentmeasurement system has the features of high precision,strong disturbance attenuation,high efficiency,and easy operation and maintenance,and that it can improve the design and performance of products,which can be widely used.The system provides a practical way tomeasure wind dispersal seed settlement velocity.

linear CCD;edge detection;seed settlement velocity;the weighted arithmetic average

Q94-337

A

1008-2794（2014）04-0095-05

2013-04-10

李鑫，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：智能控制技術(shù)與現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，E-mail：lixin_cx@163.com.