光電式數(shù)種器的設(shè)計與試驗

呂澤鑫 郭慧東 伍恒 張航 李風(fēng)娟 雷福祥 周嶺

（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

千粒重［1］通常要數(shù)取一千粒完好的種子，再進行稱量，其重量即為種子千粒重。但人工數(shù)取一千粒作物種子，不但增加了育種成本，而且計數(shù)也不準確［2］。數(shù)種盤［3］利用定量窩眼計數(shù)省時省力，但無法完成自動化的數(shù)種要求，且數(shù)種結(jié)果累加性較差。機械數(shù)種器［4-8］利用振蕩原理將種子均勻的散布在平面上，再以種子流的形式依次通過光電傳感器進行計數(shù)。數(shù)種器可以完成自動化的數(shù)種作業(yè)，但計數(shù)結(jié)果精確性不高，數(shù)種時間較長，振蕩過程會損傷種子?；谟嬎銠C視覺識別技術(shù)的種子計數(shù)器［9］是將種子平鋪在特定平臺上，利用強光照射平臺，再用計算機視覺識別技術(shù)捕捉種子在平臺上所成的像。計算機視覺識別技術(shù)計數(shù)快速、多量，但強光照射會對種子胚芽有所損傷［10］。

針對上述問題，設(shè)計一種光電式數(shù)種器，數(shù)種器由計數(shù)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和運送系統(tǒng)組成。具有快速數(shù)種、計數(shù)準確、損種率低、操作簡便、適用性強等優(yōu)點。

1 光電式數(shù)種器的組成及工作原理

光電式數(shù)種器（圖1）主要由計數(shù)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和運送系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

圖1 光電式數(shù)種器

工作時，電機啟動帶動傳送帶勻速運轉(zhuǎn)，將一定量的種子放到下種盒內(nèi)，種子由下種盒下種口落下，散落在傳送帶上的計數(shù)凹槽內(nèi)，計數(shù)凹槽內(nèi)的種子隨著傳送帶經(jīng)過紅外計數(shù)傳感器，傳感器接受模擬信號，單片機處理模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號顯示在顯示屏上，計數(shù)過的種子落入接種盒內(nèi)。未落入計數(shù)凹槽內(nèi)的種子會沿著斜傳送帶掉入到收集箱內(nèi)，由運種盒通過軌道重新進入下種盒循環(huán)計數(shù)。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

作物種子的形狀大多是不規(guī)則的，不同時期的種子外形也有所不同。依據(jù)棉花、玉米、稻谷、小麥等作物種子的普遍特性將其假設(shè)為橢圓柱體［11］。對光電式數(shù)種器計數(shù)凹槽形狀和大小，下種盒的結(jié)構(gòu)與光電計數(shù)系統(tǒng)進行創(chuàng)新設(shè)計。

2.1 傳送帶計數(shù)凹槽形狀的選擇

為提高計數(shù)凹槽的充種率、單粒計數(shù)精度和數(shù)種速度，將傳送帶計數(shù)凹槽設(shè)計為傾斜形（圖2a）和直立形（圖2b）兩種［12］。直立型計數(shù)凹槽打孔簡單，方便種子落入。相較而言，傾斜形計數(shù)槽采用開口錐形設(shè)計，其錐面能夠減小種子的滑出阻力，降低種子堵塞，有效減少計數(shù)槽的空槽率，降低種子的破損率。因此，本設(shè)計傳送帶計數(shù)凹槽選擇傾斜型孔槽。

圖2 傳送帶計數(shù)槽形狀示意圖

2.2 傳送帶計數(shù)凹槽尺寸的選擇

傳送帶計數(shù)凹槽在于固定種子相對位置和保障種子按粒計數(shù)。每條傳送帶上設(shè)置五排計數(shù)凹槽，每一排凹槽間的種子在計數(shù)時互不影響。根據(jù)光電傳感器的有效范圍，每排計數(shù)凹槽間距為100 mm，行距為40 mm。傳送帶全長為1 400 mm。

用精度為0.01 mm的千分尺測量種子三維尺寸，然后根據(jù)三維尺寸求出相應(yīng)的等效長、寬和高，而部分種子三維尺寸如下（表1）：

表1 部分種子尺寸模型單位：mm

因此，將傳送帶計數(shù)凹槽的尺寸分類設(shè)計為A類（13 mm×8 mm×5 mm）、B類（8 mm×5 mm×3 mm）、C 類（9 mm×4 mm×2 mm）三種不同的傳送帶，滿足對不同品種種子的計數(shù)要求。

2.3 下種盒的設(shè)計

下種盒（圖3）采用雙層空腔式設(shè)計，上下兩層之間用一塊鈍角三角形擋板隔開。上層承裝待數(shù)種子，下層設(shè)計五個下種口，每個下種口正下方對應(yīng)一排計數(shù)凹槽，既保證了下種速度也保證了每個計數(shù)凹槽里面只有一粒種子。

圖3 下種盒結(jié)構(gòu)圖

2.4 光電計數(shù)單元的設(shè)計

設(shè)計選用光電式傳感器［13-15］。工作時，被測變化量轉(zhuǎn)換成光信號，借助光電元件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電式數(shù)種器選用光電計數(shù)單元為E3FDS30P1 漫反射型光電開關(guān)［17-19］。開關(guān)檢測內(nèi)部裝有一個發(fā)光器和一個收光器，正常情況下發(fā)光器所發(fā)出的光無法被收光器捕捉，在物體擋住入射光的傳播路徑時，入射光就會有一部分被反射回來，收光器收到反射回來的光信號，經(jīng)過處理后輸出一個開關(guān)信號，完成一次計數(shù)。

圖4 光電計數(shù)單元模擬工作圖

待數(shù)種子經(jīng)過光電傳感器正下方時計數(shù)一次，傳送帶上每一排槽口上方都安裝有光電傳感器。計數(shù)后顯示器接收信號并顯示計數(shù)結(jié)果。

光電傳感器工作過程簡化模型（圖4），圖中H 為光電傳感器距傳送帶的距離，2為光電傳感器的感應(yīng)范圍角，L為每排槽口間距離，v為傳送帶的行進速度。光電傳感器的信號傳遞速度為光速，響應(yīng)時間為t0，信號在光電傳感器和傳送帶間的傳遞時間近似t→0，為保證計數(shù)結(jié)果的準確性，有：L＞H·sinθ+v·t0，H＜（L-v·t0）/sinθ，代入 數(shù) 據(jù)得H＜［（100-v）/sinθ］×10-3m（v 的 單 位 為m/s，0≤θ ≤20°），關(guān) 系 是H＜（820-0.82v），由此計算可知，為保證計數(shù)結(jié)果的準確性，應(yīng)保證H和v的正常關(guān)系。

3 軟件系統(tǒng)

光電式數(shù)種器采用STC-89C52單片機控制［20-22］，傳感器為E3F-DS30P1 漫反射型光電開關(guān)，用Keilu-Vision4 語言編寫程序［23］。每個光電傳感器輸出信號，經(jīng)累加器運算后將最終數(shù)字顯在顯示器上。斷電情況前的計數(shù)結(jié)果保存到單片機內(nèi)，重新開機后輸出到顯示器上，誤差率保持在較小范圍內(nèi)。

電路（圖5）中共有36 V 和5 V 兩組電源，36V 電源電壓給光電傳感器和顯示器供電，5 V 電源電壓給單片機供電。5 個光電傳感器直接與單片機相連，在接收到種子所反射的光信號后，將光的模擬信號變化量轉(zhuǎn)化成電信號變化量通過一個引腳輸入到單片機，單片機根據(jù)輸入信號電壓值的大小，換算出輸入信號的個數(shù)（即種子的數(shù)目），每隔0.2 s 輸出一個電信號到顯示器輸入引腳，顯示器每收到一個輸入電信號就累加一［24-25］。

圖5 電路原理圖

單片機處理輸入信號能有效減小計數(shù)結(jié)果的誤差率，顯示器可以直觀的讀出計數(shù)結(jié)果，且?guī)в杏洃浌δ?，斷電時可以自動保存當(dāng)前計數(shù)結(jié)果。顯示器有清零按鍵，在計數(shù)完成并進行下一次計數(shù)時可以直接清零。

4 實驗驗證

實驗分為三組，第一組兩名熟練的數(shù)種工人在1 m2的方臺上利用尺子10 粒種子為一排，1 000 粒為一組進行人工數(shù)種。第二組使用網(wǎng)上購買的SLY-C數(shù)粒器（自動化操作、無噪音、精度高、大中小粒種子通用型），其工作時使種子形成單粒的種子流，利用單個光電傳感器對通過的單粒種子進行計數(shù)。第三組采用本文所設(shè)計的光電式數(shù)種器。將數(shù)種五個光電傳感器調(diào)試在全通狀態(tài)，待數(shù)種子放入到下種盒內(nèi)，傳送帶以0.02 m/s的速度勻速運動進行數(shù)種作業(yè)。

三組均進行1 000 粒種子的計數(shù)，通過精確度和數(shù)種時間進行對比。為保證種子數(shù)目的準確性，每組共有10 人數(shù)種工作，每人數(shù)100 粒，重復(fù)數(shù)三遍，每次數(shù)出種子數(shù)目都為100 粒時將10 人數(shù)的種子集合起來用于實驗計數(shù)。

4.1 實驗結(jié)果準確性對比

通過實驗得出的數(shù)據(jù)（表2）所示

表2 不同數(shù)種方式準確性對比 單位：粒

圖6 不同數(shù)種方式準確性對比圖

由圖6 可知，傳統(tǒng)人工數(shù)種的誤差率為10%，SLY-C數(shù)粒器數(shù)種誤差率為1.64%，光電式數(shù)種器的數(shù)種誤差率為0.45%。

4.2 實驗數(shù)種時間對比

通過實驗得出的數(shù)據(jù)（表3）所示

表3 不同數(shù)種方式數(shù)種時間對比單位：秒

圖7 不同數(shù)種方式數(shù)種時間對比圖

由圖7 可知，光電式數(shù)種器比兩個數(shù)種工人數(shù)種效率高472. 17%，比SLY-C 數(shù)粒器數(shù)種效率高155.99%。

5 結(jié)論

光電式數(shù)種器由計數(shù)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和運送系統(tǒng)組成。利用傳送帶表面計數(shù)槽進行計數(shù)，利用光電式傳感器和單片機進行控制，實現(xiàn)智能、精準、快速數(shù)粒。傳送帶勻速前進，保證了數(shù)種結(jié)果的精確性，種子只與傳送帶和盒體接觸，相對運動小，對種子傷害小，保證種子的品質(zhì)。因此，光電式數(shù)種器可以為農(nóng)作物種子的顆粒計數(shù)提供有力的技術(shù)支持。