基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種監(jiān)測系統(tǒng)的設計與試驗

孫國峻，張金然，徐勇，余洪峰，何瑞銀*

基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種監(jiān)測系統(tǒng)的設計與試驗

孫國峻1,2，張金然1，徐勇1，余洪峰1，何瑞銀1*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學工學院，江蘇 南京 210031；2.添唯檢驗檢測(江蘇)有限公司，江蘇 鹽城 224007)

針對蘇南地區(qū)油菜播種一體機作業(yè)過程中種子監(jiān)測困難的問題，設計了一種基于PVDF雙壓電薄膜的油菜單粒精密播種機播種性能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過播種機安裝在測速輪上的編碼器采集機具作業(yè)速度，結合設定的目標播量，得到理論排種間距，采用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜監(jiān)測裝置，采集油菜種子落粒數(shù)。為了濾除機器振動信號干擾，設置參照壓電薄膜，通過邏輯運算模塊降低振動干擾，采用施密特電路遲滯原理消除比較器抖動干擾。系統(tǒng)采用STM32F103VBT6單片機作為中央處理器，結合設定的理論株距、相鄰脈沖電壓信號的時間間隔與播種機前進速度，計算得出播種量、排種速度、漏播率與重播率等性能指標。試驗臺試驗表明，在26.5～42.2 r/min排種軸轉速下，系統(tǒng)對排種量的檢測精度不低于96.4%，漏播檢測精度高于95.8%，重播檢測精度高于98.4%；振動頻率8～16 Hz條件下，系統(tǒng)播量檢測精度高于95.2%。

油菜播種機；播種性能監(jiān)測系統(tǒng)；漏播率；重播率；PVDF雙壓電薄膜；振動信號消除；比較器抖動消除

油菜免耕播種直播機因作業(yè)速度快、工作效率高被廣泛應用[1–2]。但當出現(xiàn)缺種、單行或多行排種裝置故障時，會導致重播、漏播，降低油菜播種質量[3–5]；因此，對油菜播種機加裝監(jiān)測裝置具有現(xiàn)實意義。

AL–MALLAHI[3]研發(fā)了一種排種流量光纖傳感系統(tǒng)，結合田間環(huán)境因素對排種流量擬合模型修正后，估算以團塊形式流動的谷物種子的質量，檢測準確率約為95%。HOBERGE等[4]針對谷物氣送式播種機，研發(fā)了一種壓電陣列傳感系統(tǒng)，提高了種子流高頻撞擊條件下的檢測準確度。美國Precision Planting公司研制的WaveVision顆粒傳感器，采用微波監(jiān)測原理，克服了光學傳感器會在連續(xù)2?；蚨嗔７N子穿越傳感器時被誤測為1粒的問題，適用于玉米、大豆等大籽粒種子。陳建國等[5]針對小麥種子設計了電容式排種流量傳感器，建立落種數(shù)與電容積分值的回歸模型，檢測精度都高于97%。黃東巖等[6]研發(fā)了聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜傳感器，將種子與薄膜撞擊信號轉化為脈沖信號，實現(xiàn)了玉米精播排種檢測。這些播種監(jiān)測系統(tǒng)大多適用于玉米、花生、大豆[7]等較大粒徑種子的監(jiān)測。油菜種子質量輕、播種頻率較高、粒徑較小(平均粒徑1.72～2.21 mm)，對光電傳感器的精度要求更高，對田間塵土污染敏感；而電容傳感器易受到田間振動、溫度變化、寄生電容等因素影響，還未用于實際播種作業(yè)。丁幼春等[8]針對氣力式油菜播種機設計了一款監(jiān)測裝置，田間檢測精度高于96%，但氣力式播種機結構復雜，故障率高，易受到環(huán)境干擾，需要較高的成本，現(xiàn)階段還難以推廣。

筆者針對蘇南地區(qū)油菜播種一體機工作過程中振動干擾大、小籽粒種子難檢測的問題，設計了一種基于PVDF壓電薄膜的油菜播種質量監(jiān)測系統(tǒng)，設定壓電傳感器1與壓電傳感器2，采集到的信號經(jīng)單片機邏輯運算，降低了外部振動環(huán)境干擾，提高了監(jiān)測精度。現(xiàn)將結果報告如下。

1　油菜播種機一體機的結構與監(jiān)測裝置結構及工作原理

基于江蘇欣田機械制造有限公司生產(chǎn)的油菜旋耕滅茬施肥播種開溝一體機，機具結構與監(jiān)測裝置安裝位置如圖1所示。

1　機架；2　種箱；3　排種電機；4　播種監(jiān)測裝置；5　測速輪；6　編碼器；7　圓盤開溝器；8　鎮(zhèn)壓輪；9　護溝板；10　開溝犁；11　旋耕刀；12　傳動箱；13　三點懸掛裝置；14　肥箱。

該油菜播種一體機可以一次性完成旋耕、滅茬、開溝、播種、施肥、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。針對該機具工作會受到較大的振動干擾的問題，設計了一種聚偏二氟乙烯(PVDF)雙壓電薄膜監(jiān)測裝置，結構如圖2所示。

1　入種口；2　導種管；3　矩形孔；4　壓電傳感器1；5　導種槽；6　傾斜基板；7　出種口；8　壓電傳感器2。

播種作業(yè)時，油菜種子流經(jīng)導種管落至傾斜向下的壓電傳感器1，與其在碰撞腔發(fā)生擦碰后沿導種槽從出種口流出。采用沉槽基板–壓電薄膜結構，在傾斜基板上開出矩形孔槽，可降低種子因碰撞薄膜產(chǎn)生的自激振蕩，提高信號的收斂速度(小于1 ms)，并同一傾斜基板相同結構處設置壓電傳感器。

2　基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計

2.1　結構

油菜播種機排種監(jiān)測系統(tǒng)主要由壓電傳感器模塊、信號調理電路、增量式編碼器測速模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊與中央處理器等構成，如圖3所示。油菜直播機排種作業(yè)時，使用按鍵模塊設置相關播種參數(shù)(理論粒距、測速輪直徑、滑移率、報警系數(shù)范圍等)，單片機通過傳感器信號調理電路獲取種子下落信號，通過編碼器測速模塊獲取機具前進速度，根據(jù)國家標準[9]計算得到相關的油菜播種量信息。監(jiān)測系統(tǒng)通過液晶屏顯示模塊實時顯示當前播種狀態(tài)信息，并在出現(xiàn)重播、漏播、報警系數(shù)不合格等情況下，控制聲光報警模塊發(fā)出聲光報警。

圖3　播種質量監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2.2　壓電傳感器監(jiān)測方法

聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜是一種新型的壓電高分子材料，近年來在醫(yī)療電子、結構振動、機器人等領域有著廣泛的應用[10–11]。較傳統(tǒng)的壓電陶瓷，具有壓電系數(shù)高(為壓電陶瓷的10～20倍)、響應速度快、頻率范圍寬、柔順性好等優(yōu)點[11–14]。

壓電傳感器會因油菜種子碰擦到PVDF壓電薄膜傳感器產(chǎn)生形變，出現(xiàn)極化現(xiàn)象，產(chǎn)生尖脈沖壓電信號。經(jīng)過油菜種子碰撞試驗對信號進行分析，選用MEAS公司的LDT0–028K壓電薄膜，其厚度為0.2 mm，最小感應應力為0.01 N。

基于所設計的監(jiān)測裝置，油菜種子與壓電薄膜碰撞產(chǎn)生的電壓峰值經(jīng)運算放大器放大后約為2 V，信號衰減時間低于1 ms；機具振動下壓電薄膜產(chǎn)生的電壓峰值經(jīng)運算放大器放大后可達到2 V以上，產(chǎn)生相似的干擾信號，造成監(jiān)測系統(tǒng)誤檢測。用雙通道示波器(LDS21010)觀測，并將波形用外部U盤存儲方式保存，當油菜種子碰擦壓電薄膜產(chǎn)生的信號如4–a，振動對監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號如圖4–b。

a　油菜種子下落信號；b　振動干擾信號。

2.3　播種質量的監(jiān)測

排種作業(yè)時，通過按鍵設定株距，記錄PVDF傳感器輸出信號的時間間隔，結合安裝在測速輪上的編碼器采集實時機具車速，根據(jù)GB/T 6973— 2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[9]，可計算出播種機的排種速度、播種面積、排種量、重播漏播率等性能指標，實現(xiàn)對油菜精密直播機播種狀態(tài)的監(jiān)測。判斷依據(jù)為式(1)。

式中：Δ為相鄰2粒種子下落時間間隔：為播種機行進速度；為設定的油菜種子理論株距，由人機交互模塊設定。

在油菜播種機上外接測速輪，選用增量式編碼器(型號E6B2–CWZ6C 400P/R)采集測速輪旋轉信息，通過編碼器產(chǎn)生的脈沖信號獲取機具前進速度()。

式中：為編碼器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)；為機具速度測量周期；為外接測速輪直徑；為測速輪轉動滑移率。

定義單位時間內播種機前進距離除以按鍵設定的理論株距為理論排種量Q，系統(tǒng)監(jiān)測到的油菜粒數(shù)為p，傳感器1檢測得到的脈沖數(shù)為m(包括油菜種子數(shù)與達到電壓闕值以上的振動次數(shù))、傳感器2檢測到的達到電壓闕值以上的振動次數(shù)，則

由于油菜種子下落與機具振動均產(chǎn)生1 ms內的信號，且為相互獨立的事件，則油菜籽下落信號與振動信號同時發(fā)生概率為。

為了提高油菜種子監(jiān)測系統(tǒng)的檢測精度，降低振動信號干擾，在單位時間內用傳感器1檢測到的脈沖數(shù)量m減去傳感器２檢測到的脈沖數(shù)量并加上，即可得到播量監(jiān)測系統(tǒng)檢測到的油菜粒數(shù)p。

定義報警系數(shù)為Q與p的比值。

在播種作業(yè)時，當報警系數(shù)的值不在設定的范圍時，判定作業(yè)效果為不合格，監(jiān)測系統(tǒng)控制報警模塊報警。

2.4　硬件設計

油菜監(jiān)測系統(tǒng)主控電路由傳感器檢測模塊、地輪測速模塊、聲光報警模塊、液晶顯示模塊、人機交互模塊、電源模塊等6個模塊組成，如圖5所示。采用STM32F103VBT6單片機作為中央處理器，包括內部參數(shù)設置，獲取采樣信息，數(shù)據(jù)運算以及驅動報警電路等，其中電源由12 V蓄電池經(jīng)過LM2596S降壓芯片DC12V–DC5V降壓后提供。

圖5　監(jiān)測系統(tǒng)的主控電路

由于PVDF傳感器受到油菜籽沖擊后產(chǎn)生的電荷較小，必須經(jīng)過電荷放大裝置來放大碰撞信號，再通過比較器電路轉換為可以計數(shù)的方波。由于輸入比較器的電壓信號在闕值附近變化會出現(xiàn)比較器抖動現(xiàn)象，因而采用單電源反向施密特電路的遲滯消除比較器抖動。選用了LF412CN運算放大器，并結合LM393芯片構成了遲滯比較器，輸出單片機可處理TTL信號，調理電路如圖6所示。通過調節(jié)電阻Rt6、Rt7的電阻值大小來調節(jié)信號靈敏度與TTL信號高電平電壓，最終輸出約1 ms脈寬的方波信號，實現(xiàn)單粒油菜種子與單個方波信號的轉換。示波器觀測結果如圖7所示，表明該調理電路可以準確地檢測到油菜種子下落和振動信號，并轉換為計數(shù)的方波。

圖6　信號調理電路

a　油菜種子下落信號與TTL信號；b　振動干擾信號與TTL信號。

為了降低振動信號對監(jiān)控系統(tǒng)檢測精度的干擾，采用雙傳感器采集法，傳感器1檢測得到的脈沖數(shù)為m(包括種子數(shù)與達到電壓闕值以上的振動次數(shù))、傳感器2檢測到的達到電壓闕值以上的振動次數(shù)，依據(jù)公式(4)，由單片機程序計算出消除振動干擾后的種子數(shù)。

2.5　軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)運行流程如圖8所示。對系統(tǒng)的工作模塊、相關I/O和寄存器進行初始化設置化后，啟動定時器與計數(shù)器，并讀取按鍵模塊輸入信息。

圖8　監(jiān)測系統(tǒng)運行流程

傳感器1檢測到信號時，觸發(fā)外部中斷0，關閉定時器0，讀取定時值Δ，計數(shù)器0加1，之后再開啟定時器0重新計時，定時值Δ為相鄰2粒種子下落時間間隔。傳感器2檢測到信號時，觸發(fā)外部中斷1，計數(shù)器0減1，計數(shù)器1加1。將2個傳感器信號返回STM32F103ZET6單片機，結合編碼器所采集前進速度，監(jiān)測系統(tǒng)對相關數(shù)據(jù)進行處理分析，獲取播種機的排種量、排種速度、播種面積、報警系數(shù)、重播漏播率、粒距合格率等信息，同時作出相應的聲光報警，并通過液晶屏顯示有關性能指標及報警信息。

3　監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

3.1　播種質量的檢測

播種質量監(jiān)測在試驗臺架[15]上進行。‘中雙11號’油菜種子，含水率為7.65%，平均粒徑為1.72～ 2.21 mm，千粒質量為4.68 g，自然休止角為27.2°，純凈度為98.5%。選用窩眼輪式排種器，其窩眼輪直徑為60 mm，厚度為20 mm，窩眼直徑為3.5 mm，圓周上均勻分布12個窩眼，即排種軸旋轉1周排種12粒，充種角度為90°，護種區(qū)角度為120°。

在試驗臺輸送帶上鋪油，以減小種子彈跳與落點誤差。設定油菜精量排種系統(tǒng)播種穴距為16 cm，根據(jù)現(xiàn)有的油菜精量直播機一般工作速度，分別設置種床輸送帶前進速度0.85、1.1、1.35 m/s，根據(jù)理論粒距以及排種器窩眼數(shù)設定排種軸轉速分別為26.5、34.3、42.2 r/min[16]，即實際每秒落粒數(shù)分別為5.3、6.86、8.44，設定播種粒數(shù)500粒時停止播種，在排種試驗臺上采集不同工況下的實際粒數(shù)與粒距[19]。每種播量與轉速條件下重復3次試驗，結果取平均值。

壓電薄膜采用沉槽–基板式安裝，在安裝位置與排種管內未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。由表1可知，在排種軸轉速為26.5～42.2 r/min時，單粒播種量檢測精度不低于96.4%。監(jiān)測系統(tǒng)對于漏播檢測精度高于95.8%，對于重播檢測精度高于98.4%。

表1　不同轉速下播種質量的監(jiān)測結果

3.2　振動排種性能的檢測

油菜播種一體機旋耕轉速為270 r/min，同一截面裝刀數(shù)量為3，所以旋耕產(chǎn)生的理論基準頻率為13.5 Hz[17]。經(jīng)檢測，機具正常播種工作時播種機的振動頻率主要集中在8～16 Hz[18–19]。設置激振器振動頻率為8、12、16 Hz，使用單PVDF壓電薄膜與雙PVDF壓電薄膜進行對比試驗。鑒于監(jiān)測系統(tǒng)在不同播量情況下檢測精度變化較小，設定播種數(shù)為500粒時停止工作。

由表2可知，在振動干擾頻率8～16 Hz條件下，隨著振動頻率增加，使用雙PVDF壓電薄膜監(jiān)測精度不低于95.2%，單PVDF壓電薄膜檢測精度最低為76.2%。表明采用雙傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)較好地解決了外部環(huán)境振動干擾，能夠有效地監(jiān)測機具排種性能。

表2　不同轉速和不同振動頻率下的播量檢測

監(jiān)測系統(tǒng)檢測結果與實際結果有一定的偏差，產(chǎn)生的原因：一方面，油菜種子下落時與導種管碰撞或與壓電薄膜碰撞飛離后與第2粒下落種子發(fā)生碰擦，造成油菜種子動量損失較大，甚至未能撞擊壓電薄膜，導致壓電傳感器無法產(chǎn)生有效信號；另一方面，油菜種子碰撞信號衰減時間為1 ms，多粒種子在1 ms內與壓電薄膜發(fā)生碰撞會導致漏檢測，但播種機工作時落種頻率不超過10 Hz，經(jīng)計算這種情況發(fā)生的概率低于0.1%?？稍诤罄m(xù)改進試驗中增加修正系數(shù)，提高檢測準確率。

4　結論

針對小粒徑油菜種子播種監(jiān)測困難的問題，設計了基于PVDF雙壓電薄膜傳感器的油菜直播機監(jiān)測系統(tǒng)，運用遲滯比較器電路消除波形抖動，采用雙傳感器檢測去除機具振動信號干擾，并對其檢測精度與抗振動進行了性能試驗。測試結果表明，在26.5～42.2 r/min排種軸轉速條件下，無振動干擾播種作業(yè)時，該系統(tǒng)播量檢測精度不低于96.4%，漏播檢測精度高于95.8%，重播檢測精度高于98.4%；在8～16 Hz振動條件下，系統(tǒng)播量檢測精度高于95.2%。

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Design and experiment of rapeseed sowing monitoring system based on PVDF bi-piexoelectric film

SUN Guojun1,2，ZHANG Jinran1，XU Yong1，YU Hongfeng1，HE Ruiyin1*

(1.College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031, China; 2.Tianwei Inspection and Testing(Jiangsu) Co. Ltd, Yancheng, Jiangsu 224007, China)

In order to address the difficulty of monitoring small seeds during the operation of an integrated rape sowing machine in southern Jiangsu, a monitoring system for the sowing performance of a single seed precision seeder for rapeseed is designed based on PVDF bi-piezoelectric film. The system collects the operating speed of the machine through the encoder installed on the tachometer wheel of the seeder, and obtains the theoretical seeding spacing in combination with the set target seeding rate. The PVDF bi-piezoelectric film monitoring device is used to collect the number of rapeseeds. In order to filter the interference of machine vibration signal, a reference piezoelectric film is set up to eliminate vibration interference through logic operations, and the Schmitt circuit hysteresis principle is used to eliminate comparator jitter interference. The system uses the STM32F103VBT6 microcontroller as the central processor to calculate the performance indicators such as sowing volume, seeding speed, omission rate and reseeding rate by combining the set theoretical plant distance, the time interval between adjacent pulse voltage signals and the forward speed of the seeder. The test bench shows that under the conditions of 26.5-42.2 r/min seeding shaft speed, the system detects the seeding volume with an accuracy of 96.4%, the missed sowing with an accuracy of 95.8% and the resowing with an accuracy of 98.4%. Under the condition that the vibration frequency is 8-16 Hz, the system can detect the sowing volume with an accuracy higher than 95.2%.

rapeseed planter; seeding performance monitoring system; leakage sowing rate; replay rate; PVDF bi-piezoelectric film; vibration signal cancellation; comparator jitter cancellation

孫國峻，張金然，徐勇，余洪峰，何瑞銀．基于PVDF雙壓電薄膜的油菜播種監(jiān)測系統(tǒng)的設計與試驗[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版)，2022，48(5)：601–607．

SUN G J，ZHANG J R，XU Y，YU H F，HE R Y．Design and experiment of rapeseed sowing monitoring system based on PVDF bi-piexoelectric film[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2022，48(5)：601–607．

http://xb.hunau.edu.cn

S223.2

A

1007-1032(2022)05-0601-07

10.13331/j.cnki.jhau.2022.05.014

2021–04–28

2022–04–01

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300908)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目[CX(19)2012]；江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機裝備與技術示范推廣項目(NJ2019–14)

孫國峻(1996—)，男，江蘇濱海人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備研究，guojunsun0318@163.com；*通信作者，何瑞銀，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究，ryhe_njau@163.com

責任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立