基于單片機的棉籽分級控制系統(tǒng)設計

張洪洲+王陽+白建國+張風旗+張亞江+趙志遠

摘要：針對當前南疆地區(qū)棉籽清選分級效果不佳的問題，設計了一種以單片機為核心芯片的棉籽分級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對脫絨棉籽的外觀顏色信息的自動檢測和自動優(yōu)選。用顏色傳感器檢測待優(yōu)選棉籽的顏色數(shù)據(jù)，送入單片機，單片機將信號進行相應的歸一化處理，判斷該棉籽是否達到優(yōu)選標準，并作出相應的決策，同時在顯示屏上顯示優(yōu)選的數(shù)據(jù)信息，結果表明，該系統(tǒng)對棉籽的優(yōu)選效果良好。

關鍵詞：單片機；棉籽；分級；系統(tǒng)設計

中圖分類號：S126；S226.5 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0391-02

棉籽是棉花業(yè)生產(chǎn)過程中最基本的生產(chǎn)資料之一^[1-2]，新疆生產(chǎn)建設兵團是我國最大的優(yōu)質(zhì)商品棉和唯一的長絨棉生產(chǎn)基地。因此，棉籽的質(zhì)量問題不容忽視。在南疆地區(qū)，由于自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)管理條件等因素的影響，棉籽的質(zhì)量存在很大差異。傳統(tǒng)的棉籽分級優(yōu)選主要是根據(jù)物理和機械原理，利用棉籽的比重特性、空氣特性進行清選分級^[3-4]。由于劣質(zhì)棉籽和優(yōu)質(zhì)棉籽的空氣特性和比重特性比較接近，傳統(tǒng)的優(yōu)選分級方法不能完全地將劣質(zhì)棉籽清除，極大地影響了優(yōu)選效果，進而影響棉籽的發(fā)芽率，影響棉花的產(chǎn)量，不利于棉花種植業(yè)的發(fā)展。針對這些問題，本研究設計了以單片機和RGB顏色傳感器為核心的棉籽分級控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對棉籽顏色信息的實時采集，通過單片機對采集來的棉籽顏色信息進行歸一化處理，通過設定棉籽等級參量的上下限閾值、單片機控制氣流強度開關，使棉籽等級區(qū)分開，并且在顯示屏上動態(tài)顯示棉籽的優(yōu)選數(shù)據(jù)信息。

1 棉籽分級控制系統(tǒng)分析

1.1 存在的問題

國內(nèi)外許多研究人員對農(nóng)產(chǎn)品清選分級類的設備進行了較深入的研究，但關于以自動控制為基礎的棉籽分級設備方面的研究相對較少，這就面臨一些尚需解決的控制技術問題：（1）棉籽顏色信息的檢測與采集。由于采集現(xiàn)場環(huán)境復雜，如實驗室、加工廠溫濕度變化較大，光線強度、迎光與背光采集，以及南疆地區(qū)地處沙漠空氣懸浮物較多等因素，使采集的數(shù)據(jù)信息與實際信息有較大的偏差。（2）控制系統(tǒng)硬件要求結構精簡、性價比高，如RGB傳感器的選擇、單片機型號的選擇及其抗干擾性較強。目前市場上能達到實用性強、實時性操作要求的設備性價比低，致使棉籽分級設備的發(fā)展受到了一定的阻礙。（3）棉籽分級設備的自動控制、控制系統(tǒng)要保證對棉籽分級的穩(wěn)定性、快速性和高效性。

針對以上問題，本研究找出適合整個控制系統(tǒng)的芯片和器件等，并對棉籽分級設備控制部分進行了優(yōu)化設計。通過試驗調(diào)試改進，驗證了整個棉籽分級控制系統(tǒng)設計的有效性和合理性。

1.2 控制系統(tǒng)設計方案

棉籽分級控制系統(tǒng)工作原理：由喂料口將待分級的棉籽滑落至運轉(zhuǎn)的傳送帶上，RGB顏色傳感器檢測位于傳感器正下方傳送帶上的棉籽的顏色數(shù)據(jù)信息，并把檢測來的信號經(jīng)過變送器作放大濾波等處理，送入單片機處理，單片機對數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，作出相應決策，若棉籽的顏色信息未達到理想的優(yōu)選下限閾值，則判定其為劣質(zhì)棉籽，控制芯片要發(fā)出指令，控制與傳送帶處于同一平面且成直角的高壓氣流使設備產(chǎn)生強氣流，將該棉籽從傳送帶上吹入劣種箱內(nèi)；若采集來的棉籽顏色信息達到了理想的下限閾值，控制芯片作出決策使該棉籽在傳送帶上平穩(wěn)送到優(yōu)質(zhì)棉籽箱內(nèi)，同時單片機將該棉籽的顏色信息送入顯示屏實時顯示，棉籽的顏色信息閾值可由鍵盤輸入設定。

棉籽分級控制系統(tǒng)結合了模擬電子技術、數(shù)字電路、電工基礎、檢測技術、信號處理以及單片機等理論和技術。設計的棉籽分級系統(tǒng)具有結構簡單、穩(wěn)定性強、可靠性高、速度快、效率高等特點。

2 棉籽分級控制系統(tǒng)的設計

2.1 硬件部分設計

棉籽分級系統(tǒng)需要通過RGB顏色傳感器檢測并采集棉籽的顏色數(shù)據(jù)信息；同時CPU還要對采集來的信息進行數(shù)據(jù)處理、適時顯示、控制強氣流裝置以及數(shù)據(jù)的存儲，核心芯片的任務比較重?；谶@些因素，本設計采用51系列的STC89C55RD作為核心控制芯片。該芯片STC89C55RD有20 kb的Flash程序存儲器，1 280 b的RAM數(shù)據(jù)存儲器，可承受高達80 MHz的時鐘，8位CPU、5V供電電壓有5組并行口、8個中斷源、3個定時器、2個數(shù)據(jù)指針，具有低功耗、高性能的特點^[5]。

單片機STC89C55RD具有加密性強、低功耗、超低價、速度快、可靠性高、超強抗靜電性和抗干擾性等特點，其核內(nèi)RAM有4組32個Rn、4組36個通用I/O口，可以進行多路并行采集；支持在線編程，而且?guī)в谐绦蜃詣蛹用?；實際工作頻率可達到80 MHz。

棉籽顏色檢測與采集采用RGB傳感器RCS230，實現(xiàn)適時采集，RCS230是TAOS公司推出的數(shù)模兼容的光頻轉(zhuǎn)換的傳感器。內(nèi)部集成了硅光電二極管陣列和1個電流頻率轉(zhuǎn)換器，輸出頻率2～500 kHz，該輸出頻率與光強度呈線性；分辨率10位以上的可編程芯片要求電壓在常規(guī)范圍內(nèi)，具有掉電恢復功能、誤差小等優(yōu)點。

顯示模塊要求顯示棉籽的顏色信息以及設定的優(yōu)質(zhì)棉種的顏色信息閾值，所以采用液晶顯示屏帶背光的LCD1602。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示1個字符，每位之間有1個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

強氣流發(fā)生與控制模塊通過單片機控制繼電器開關，啟動強氣流發(fā)生裝置，并且有單片機輸出的PWM經(jīng)過處理后控制氣流的強度，以免氣流過大而破壞優(yōu)質(zhì)棉籽的表層、氣流過小而導致劣質(zhì)棉種無法被打到箱體內(nèi)。

2.2 軟件部分設計

棉籽分級控制系統(tǒng)的軟件設計采用keil uVision2軟件編程，keil C51是一個完整的開發(fā)工具，涵蓋了編譯、仿真等功能。程序采用模塊子程序的編寫思想，使程序的嚴謹性達到要求。通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使棉籽的分級精度提高。棉籽分級控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖1所示。

3 試驗設計與分析

顏色信息閾值設定依據(jù)：成熟的棉籽接近于黑色，未成熟的棉籽接近于紅色^[6]。因此，棉籽是否成熟可根據(jù)采集來的藍綠光占整個棉籽的紅藍綠三色光的比值來判定，即（B+G）/（R+B+G）。

在閾值為0.65、0.75時，分別進行棉籽分級試驗，分別取分級后的優(yōu)質(zhì)棉和劣質(zhì)棉棉籽100、200、500、1 000、2 000粒進行發(fā)芽試驗，結果見表1。

從表1可以看出，對應不同顏色信息閾值，系統(tǒng)對棉籽的優(yōu)選效果不同，即閾值越高，優(yōu)選的效果越好，而且誤差越小。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)棉籽分級設備的正確控制，滿足設計要求。

4 結語

利用RGB顏色傳感器、LCD背光顯示屏和單片機等設計了棉籽分級裝置的控制系統(tǒng)，通過試驗驗證這一系統(tǒng)設計的可靠性和實用性，為棉籽分級優(yōu)選設備的研究提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳 濤，徐小波，樂忠宇，等. 棉花種子顏色分選自動化系統(tǒng)研究[C]//中國農(nóng)業(yè)機械學會2006年學術會議論文集.鎮(zhèn)江：中國農(nóng)業(yè)機械學會，2006：451-454.

[2]李彥林. 棉種色選機在棉種加工中的應用[J]. 新疆農(nóng)機化，2005（3）：25.

[3]李景彬. 棉種色選裝置的光電系統(tǒng)研究[D]. 石河子：石河子大學，2006.

[4]張若宇，坎 雜，江英蘭，等. 農(nóng)業(yè)機器人在新疆兵團農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用前瞻[J]. 農(nóng)機化研究，2006（9）：29-32.

[5]蔡振江.單片機原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]張若宇，坎 雜，江英蘭，等. 基于RGB模型脫絨棉種質(zhì)量與顏色特征的相關性分析[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2008，26（6）：750-753.endprint

摘要：針對當前南疆地區(qū)棉籽清選分級效果不佳的問題，設計了一種以單片機為核心芯片的棉籽分級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對脫絨棉籽的外觀顏色信息的自動檢測和自動優(yōu)選。用顏色傳感器檢測待優(yōu)選棉籽的顏色數(shù)據(jù)，送入單片機，單片機將信號進行相應的歸一化處理，判斷該棉籽是否達到優(yōu)選標準，并作出相應的決策，同時在顯示屏上顯示優(yōu)選的數(shù)據(jù)信息，結果表明，該系統(tǒng)對棉籽的優(yōu)選效果良好。

關鍵詞：單片機；棉籽；分級；系統(tǒng)設計

中圖分類號：S126；S226.5 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0391-02

棉籽是棉花業(yè)生產(chǎn)過程中最基本的生產(chǎn)資料之一^[1-2]，新疆生產(chǎn)建設兵團是我國最大的優(yōu)質(zhì)商品棉和唯一的長絨棉生產(chǎn)基地。因此，棉籽的質(zhì)量問題不容忽視。在南疆地區(qū)，由于自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)管理條件等因素的影響，棉籽的質(zhì)量存在很大差異。傳統(tǒng)的棉籽分級優(yōu)選主要是根據(jù)物理和機械原理，利用棉籽的比重特性、空氣特性進行清選分級^[3-4]。由于劣質(zhì)棉籽和優(yōu)質(zhì)棉籽的空氣特性和比重特性比較接近，傳統(tǒng)的優(yōu)選分級方法不能完全地將劣質(zhì)棉籽清除，極大地影響了優(yōu)選效果，進而影響棉籽的發(fā)芽率，影響棉花的產(chǎn)量，不利于棉花種植業(yè)的發(fā)展。針對這些問題，本研究設計了以單片機和RGB顏色傳感器為核心的棉籽分級控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對棉籽顏色信息的實時采集，通過單片機對采集來的棉籽顏色信息進行歸一化處理，通過設定棉籽等級參量的上下限閾值、單片機控制氣流強度開關，使棉籽等級區(qū)分開，并且在顯示屏上動態(tài)顯示棉籽的優(yōu)選數(shù)據(jù)信息。

1 棉籽分級控制系統(tǒng)分析

1.1 存在的問題

國內(nèi)外許多研究人員對農(nóng)產(chǎn)品清選分級類的設備進行了較深入的研究，但關于以自動控制為基礎的棉籽分級設備方面的研究相對較少，這就面臨一些尚需解決的控制技術問題：（1）棉籽顏色信息的檢測與采集。由于采集現(xiàn)場環(huán)境復雜，如實驗室、加工廠溫濕度變化較大，光線強度、迎光與背光采集，以及南疆地區(qū)地處沙漠空氣懸浮物較多等因素，使采集的數(shù)據(jù)信息與實際信息有較大的偏差。（2）控制系統(tǒng)硬件要求結構精簡、性價比高，如RGB傳感器的選擇、單片機型號的選擇及其抗干擾性較強。目前市場上能達到實用性強、實時性操作要求的設備性價比低，致使棉籽分級設備的發(fā)展受到了一定的阻礙。（3）棉籽分級設備的自動控制、控制系統(tǒng)要保證對棉籽分級的穩(wěn)定性、快速性和高效性。

針對以上問題，本研究找出適合整個控制系統(tǒng)的芯片和器件等，并對棉籽分級設備控制部分進行了優(yōu)化設計。通過試驗調(diào)試改進，驗證了整個棉籽分級控制系統(tǒng)設計的有效性和合理性。

1.2 控制系統(tǒng)設計方案

棉籽分級控制系統(tǒng)工作原理：由喂料口將待分級的棉籽滑落至運轉(zhuǎn)的傳送帶上，RGB顏色傳感器檢測位于傳感器正下方傳送帶上的棉籽的顏色數(shù)據(jù)信息，并把檢測來的信號經(jīng)過變送器作放大濾波等處理，送入單片機處理，單片機對數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，作出相應決策，若棉籽的顏色信息未達到理想的優(yōu)選下限閾值，則判定其為劣質(zhì)棉籽，控制芯片要發(fā)出指令，控制與傳送帶處于同一平面且成直角的高壓氣流使設備產(chǎn)生強氣流，將該棉籽從傳送帶上吹入劣種箱內(nèi)；若采集來的棉籽顏色信息達到了理想的下限閾值，控制芯片作出決策使該棉籽在傳送帶上平穩(wěn)送到優(yōu)質(zhì)棉籽箱內(nèi)，同時單片機將該棉籽的顏色信息送入顯示屏實時顯示，棉籽的顏色信息閾值可由鍵盤輸入設定。

棉籽分級控制系統(tǒng)結合了模擬電子技術、數(shù)字電路、電工基礎、檢測技術、信號處理以及單片機等理論和技術。設計的棉籽分級系統(tǒng)具有結構簡單、穩(wěn)定性強、可靠性高、速度快、效率高等特點。

2 棉籽分級控制系統(tǒng)的設計

2.1 硬件部分設計

棉籽分級系統(tǒng)需要通過RGB顏色傳感器檢測并采集棉籽的顏色數(shù)據(jù)信息；同時CPU還要對采集來的信息進行數(shù)據(jù)處理、適時顯示、控制強氣流裝置以及數(shù)據(jù)的存儲，核心芯片的任務比較重?；谶@些因素，本設計采用51系列的STC89C55RD作為核心控制芯片。該芯片STC89C55RD有20 kb的Flash程序存儲器，1 280 b的RAM數(shù)據(jù)存儲器，可承受高達80 MHz的時鐘，8位CPU、5V供電電壓有5組并行口、8個中斷源、3個定時器、2個數(shù)據(jù)指針，具有低功耗、高性能的特點^[5]。

單片機STC89C55RD具有加密性強、低功耗、超低價、速度快、可靠性高、超強抗靜電性和抗干擾性等特點，其核內(nèi)RAM有4組32個Rn、4組36個通用I/O口，可以進行多路并行采集；支持在線編程，而且?guī)в谐绦蜃詣蛹用?；實際工作頻率可達到80 MHz。

棉籽顏色檢測與采集采用RGB傳感器RCS230，實現(xiàn)適時采集，RCS230是TAOS公司推出的數(shù)模兼容的光頻轉(zhuǎn)換的傳感器。內(nèi)部集成了硅光電二極管陣列和1個電流頻率轉(zhuǎn)換器，輸出頻率2～500 kHz，該輸出頻率與光強度呈線性；分辨率10位以上的可編程芯片要求電壓在常規(guī)范圍內(nèi)，具有掉電恢復功能、誤差小等優(yōu)點。

顯示模塊要求顯示棉籽的顏色信息以及設定的優(yōu)質(zhì)棉種的顏色信息閾值，所以采用液晶顯示屏帶背光的LCD1602。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示1個字符，每位之間有1個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

強氣流發(fā)生與控制模塊通過單片機控制繼電器開關，啟動強氣流發(fā)生裝置，并且有單片機輸出的PWM經(jīng)過處理后控制氣流的強度，以免氣流過大而破壞優(yōu)質(zhì)棉籽的表層、氣流過小而導致劣質(zhì)棉種無法被打到箱體內(nèi)。

2.2 軟件部分設計

棉籽分級控制系統(tǒng)的軟件設計采用keil uVision2軟件編程，keil C51是一個完整的開發(fā)工具，涵蓋了編譯、仿真等功能。程序采用模塊子程序的編寫思想，使程序的嚴謹性達到要求。通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使棉籽的分級精度提高。棉籽分級控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖1所示。

3 試驗設計與分析

顏色信息閾值設定依據(jù)：成熟的棉籽接近于黑色，未成熟的棉籽接近于紅色^[6]。因此，棉籽是否成熟可根據(jù)采集來的藍綠光占整個棉籽的紅藍綠三色光的比值來判定，即（B+G）/（R+B+G）。

在閾值為0.65、0.75時，分別進行棉籽分級試驗，分別取分級后的優(yōu)質(zhì)棉和劣質(zhì)棉棉籽100、200、500、1 000、2 000粒進行發(fā)芽試驗，結果見表1。

從表1可以看出，對應不同顏色信息閾值，系統(tǒng)對棉籽的優(yōu)選效果不同，即閾值越高，優(yōu)選的效果越好，而且誤差越小。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)棉籽分級設備的正確控制，滿足設計要求。

4 結語

利用RGB顏色傳感器、LCD背光顯示屏和單片機等設計了棉籽分級裝置的控制系統(tǒng)，通過試驗驗證這一系統(tǒng)設計的可靠性和實用性，為棉籽分級優(yōu)選設備的研究提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳 濤，徐小波，樂忠宇，等. 棉花種子顏色分選自動化系統(tǒng)研究[C]//中國農(nóng)業(yè)機械學會2006年學術會議論文集.鎮(zhèn)江：中國農(nóng)業(yè)機械學會，2006：451-454.

[2]李彥林. 棉種色選機在棉種加工中的應用[J]. 新疆農(nóng)機化，2005（3）：25.

[3]李景彬. 棉種色選裝置的光電系統(tǒng)研究[D]. 石河子：石河子大學，2006.

[4]張若宇，坎 雜，江英蘭，等. 農(nóng)業(yè)機器人在新疆兵團農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用前瞻[J]. 農(nóng)機化研究，2006（9）：29-32.

[5]蔡振江.單片機原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]張若宇，坎 雜，江英蘭，等. 基于RGB模型脫絨棉種質(zhì)量與顏色特征的相關性分析[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2008，26（6）：750-753.endprint

摘要：針對當前南疆地區(qū)棉籽清選分級效果不佳的問題，設計了一種以單片機為核心芯片的棉籽分級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對脫絨棉籽的外觀顏色信息的自動檢測和自動優(yōu)選。用顏色傳感器檢測待優(yōu)選棉籽的顏色數(shù)據(jù)，送入單片機，單片機將信號進行相應的歸一化處理，判斷該棉籽是否達到優(yōu)選標準，并作出相應的決策，同時在顯示屏上顯示優(yōu)選的數(shù)據(jù)信息，結果表明，該系統(tǒng)對棉籽的優(yōu)選效果良好。

關鍵詞：單片機；棉籽；分級；系統(tǒng)設計

中圖分類號：S126；S226.5 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0391-02

棉籽是棉花業(yè)生產(chǎn)過程中最基本的生產(chǎn)資料之一^[1-2]，新疆生產(chǎn)建設兵團是我國最大的優(yōu)質(zhì)商品棉和唯一的長絨棉生產(chǎn)基地。因此，棉籽的質(zhì)量問題不容忽視。在南疆地區(qū)，由于自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)管理條件等因素的影響，棉籽的質(zhì)量存在很大差異。傳統(tǒng)的棉籽分級優(yōu)選主要是根據(jù)物理和機械原理，利用棉籽的比重特性、空氣特性進行清選分級^[3-4]。由于劣質(zhì)棉籽和優(yōu)質(zhì)棉籽的空氣特性和比重特性比較接近，傳統(tǒng)的優(yōu)選分級方法不能完全地將劣質(zhì)棉籽清除，極大地影響了優(yōu)選效果，進而影響棉籽的發(fā)芽率，影響棉花的產(chǎn)量，不利于棉花種植業(yè)的發(fā)展。針對這些問題，本研究設計了以單片機和RGB顏色傳感器為核心的棉籽分級控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對棉籽顏色信息的實時采集，通過單片機對采集來的棉籽顏色信息進行歸一化處理，通過設定棉籽等級參量的上下限閾值、單片機控制氣流強度開關，使棉籽等級區(qū)分開，并且在顯示屏上動態(tài)顯示棉籽的優(yōu)選數(shù)據(jù)信息。

1 棉籽分級控制系統(tǒng)分析

1.1 存在的問題

國內(nèi)外許多研究人員對農(nóng)產(chǎn)品清選分級類的設備進行了較深入的研究，但關于以自動控制為基礎的棉籽分級設備方面的研究相對較少，這就面臨一些尚需解決的控制技術問題：（1）棉籽顏色信息的檢測與采集。由于采集現(xiàn)場環(huán)境復雜，如實驗室、加工廠溫濕度變化較大，光線強度、迎光與背光采集，以及南疆地區(qū)地處沙漠空氣懸浮物較多等因素，使采集的數(shù)據(jù)信息與實際信息有較大的偏差。（2）控制系統(tǒng)硬件要求結構精簡、性價比高，如RGB傳感器的選擇、單片機型號的選擇及其抗干擾性較強。目前市場上能達到實用性強、實時性操作要求的設備性價比低，致使棉籽分級設備的發(fā)展受到了一定的阻礙。（3）棉籽分級設備的自動控制、控制系統(tǒng)要保證對棉籽分級的穩(wěn)定性、快速性和高效性。

針對以上問題，本研究找出適合整個控制系統(tǒng)的芯片和器件等，并對棉籽分級設備控制部分進行了優(yōu)化設計。通過試驗調(diào)試改進，驗證了整個棉籽分級控制系統(tǒng)設計的有效性和合理性。

1.2 控制系統(tǒng)設計方案

棉籽分級控制系統(tǒng)工作原理：由喂料口將待分級的棉籽滑落至運轉(zhuǎn)的傳送帶上，RGB顏色傳感器檢測位于傳感器正下方傳送帶上的棉籽的顏色數(shù)據(jù)信息，并把檢測來的信號經(jīng)過變送器作放大濾波等處理，送入單片機處理，單片機對數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，作出相應決策，若棉籽的顏色信息未達到理想的優(yōu)選下限閾值，則判定其為劣質(zhì)棉籽，控制芯片要發(fā)出指令，控制與傳送帶處于同一平面且成直角的高壓氣流使設備產(chǎn)生強氣流，將該棉籽從傳送帶上吹入劣種箱內(nèi)；若采集來的棉籽顏色信息達到了理想的下限閾值，控制芯片作出決策使該棉籽在傳送帶上平穩(wěn)送到優(yōu)質(zhì)棉籽箱內(nèi)，同時單片機將該棉籽的顏色信息送入顯示屏實時顯示，棉籽的顏色信息閾值可由鍵盤輸入設定。

棉籽分級控制系統(tǒng)結合了模擬電子技術、數(shù)字電路、電工基礎、檢測技術、信號處理以及單片機等理論和技術。設計的棉籽分級系統(tǒng)具有結構簡單、穩(wěn)定性強、可靠性高、速度快、效率高等特點。

2 棉籽分級控制系統(tǒng)的設計

2.1 硬件部分設計

棉籽分級系統(tǒng)需要通過RGB顏色傳感器檢測并采集棉籽的顏色數(shù)據(jù)信息；同時CPU還要對采集來的信息進行數(shù)據(jù)處理、適時顯示、控制強氣流裝置以及數(shù)據(jù)的存儲，核心芯片的任務比較重?；谶@些因素，本設計采用51系列的STC89C55RD作為核心控制芯片。該芯片STC89C55RD有20 kb的Flash程序存儲器，1 280 b的RAM數(shù)據(jù)存儲器，可承受高達80 MHz的時鐘，8位CPU、5V供電電壓有5組并行口、8個中斷源、3個定時器、2個數(shù)據(jù)指針，具有低功耗、高性能的特點^[5]。

單片機STC89C55RD具有加密性強、低功耗、超低價、速度快、可靠性高、超強抗靜電性和抗干擾性等特點，其核內(nèi)RAM有4組32個Rn、4組36個通用I/O口，可以進行多路并行采集；支持在線編程，而且?guī)в谐绦蜃詣蛹用?；實際工作頻率可達到80 MHz。

棉籽顏色檢測與采集采用RGB傳感器RCS230，實現(xiàn)適時采集，RCS230是TAOS公司推出的數(shù)模兼容的光頻轉(zhuǎn)換的傳感器。內(nèi)部集成了硅光電二極管陣列和1個電流頻率轉(zhuǎn)換器，輸出頻率2～500 kHz，該輸出頻率與光強度呈線性；分辨率10位以上的可編程芯片要求電壓在常規(guī)范圍內(nèi)，具有掉電恢復功能、誤差小等優(yōu)點。

顯示模塊要求顯示棉籽的顏色信息以及設定的優(yōu)質(zhì)棉種的顏色信息閾值，所以采用液晶顯示屏帶背光的LCD1602。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示1個字符，每位之間有1個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。

強氣流發(fā)生與控制模塊通過單片機控制繼電器開關，啟動強氣流發(fā)生裝置，并且有單片機輸出的PWM經(jīng)過處理后控制氣流的強度，以免氣流過大而破壞優(yōu)質(zhì)棉籽的表層、氣流過小而導致劣質(zhì)棉種無法被打到箱體內(nèi)。

2.2 軟件部分設計

棉籽分級控制系統(tǒng)的軟件設計采用keil uVision2軟件編程，keil C51是一個完整的開發(fā)工具，涵蓋了編譯、仿真等功能。程序采用模塊子程序的編寫思想，使程序的嚴謹性達到要求。通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使棉籽的分級精度提高。棉籽分級控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖1所示。

3 試驗設計與分析

顏色信息閾值設定依據(jù)：成熟的棉籽接近于黑色，未成熟的棉籽接近于紅色^[6]。因此，棉籽是否成熟可根據(jù)采集來的藍綠光占整個棉籽的紅藍綠三色光的比值來判定，即（B+G）/（R+B+G）。

在閾值為0.65、0.75時，分別進行棉籽分級試驗，分別取分級后的優(yōu)質(zhì)棉和劣質(zhì)棉棉籽100、200、500、1 000、2 000粒進行發(fā)芽試驗，結果見表1。

從表1可以看出，對應不同顏色信息閾值，系統(tǒng)對棉籽的優(yōu)選效果不同，即閾值越高，優(yōu)選的效果越好，而且誤差越小。該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)棉籽分級設備的正確控制，滿足設計要求。

4 結語

利用RGB顏色傳感器、LCD背光顯示屏和單片機等設計了棉籽分級裝置的控制系統(tǒng)，通過試驗驗證這一系統(tǒng)設計的可靠性和實用性，為棉籽分級優(yōu)選設備的研究提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳 濤，徐小波，樂忠宇，等. 棉花種子顏色分選自動化系統(tǒng)研究[C]//中國農(nóng)業(yè)機械學會2006年學術會議論文集.鎮(zhèn)江：中國農(nóng)業(yè)機械學會，2006：451-454.

[2]李彥林. 棉種色選機在棉種加工中的應用[J]. 新疆農(nóng)機化，2005（3）：25.

[3]李景彬. 棉種色選裝置的光電系統(tǒng)研究[D]. 石河子：石河子大學，2006.

[4]張若宇，坎 雜，江英蘭，等. 農(nóng)業(yè)機器人在新疆兵團農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用前瞻[J]. 農(nóng)機化研究，2006（9）：29-32.

[5]蔡振江.單片機原理及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6]張若宇，坎 雜，江英蘭，等. 基于RGB模型脫絨棉種質(zhì)量與顏色特征的相關性分析[J]. 石河子大學學報：自然科學版，2008，26（6）：750-753.endprint