0 引言

农业生产中小麦、玉米、水稻、大豆等作物的测产、选种工作繁重、单调, 自动化的作物考种仪将大大降低农业工作者的劳动强度, 提高工作效率和准确率。作物种子考种一般包括物理尺寸、视觉外观和化学成分等多方面指标。 胡传祚等研制出基于单片机的, 能够自动测量种子长度、自动数粒测千粒质量的测试仪[1]。宋鹏等研究了基于计算机视觉的玉米种子精选系统, 可以在一定程度上根据玉米种子的颜色特征、形态特征将玉米种子分级, 还可区分不同品系的玉米种子[2]。美国农业部开发的SKCS4100单粒谷物质量分析仪, 能够测量单粒谷物的水分、硬度指数、质量 (mg) 和直径等参数。

目前, 国内研究多集中于基于图像处理的种子外观形态测量、分级、分类研究和种子有机成分含量检测及种子含水率检测。对于单粒种子质量自动测量、分级的质量谱自动分析仪器未见报道。一般, 不同作物种子质量分布、形态差异很大, 开发出具有通用的质量自动测量装置较难;另外, 常见作物种子质量较小, 实现高精度自动精确测量亦有难度。

为了解决这一问题, 设计了一种小麦种子质量自动测量装置。本文主要介绍其称重模块的设计。

1 检测系统组成及测量原理

小麦种子质量自动测量装置由质量检测模块和自动输种模块构成。其结构如图1所示。

图1 种子快速称重装置结构示意图   下载原图

1.单粒排钟装置 2.种子 3.种子接收斗 4.种子分类回收容器5.种子刷 6.秤台 7.称重传感器 8.基座 9.种子分类板

装置的工作过程:单粒排种装置在槽轮和曲柄滑块机构组成的驱动装置作用下, 由秤台左侧运动到秤台上方1cm处, 排下1粒小麦种子, 而后回复到原位置;种子的质量由快速称重单元测量并传送到单片机;单片机获得种子质量信息后, 向种子刷、种子分类板、排种器各自的运动控制器发出控制信号;种子刷由外侧运动到内侧将种子从秤台上扫下, 种子分类板控制器将根据称重单元发来的控制信号, 以转与不转实现分类功能 (若该次测量分类结果与上次不同, 则转动, 否则不动作) 。重复以上步骤, 即可完成大量种子的单粒质量的测量与分类。该批种子质量分布的统计参数:均值和标准差分别按照式 (1) 、式 (2) 计算;均值、标准差、种子总数、总质量和分类结果将以滚动显示方式显示在由单片机控制的液晶屏幕上。

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

标准差σ=1n∑k=1n(xk−x¯)2−−−−−−−−−−−−√$\sigma =\sqrt{\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{k=1}^n(x{}_k-\overline{x})}{}^2}$ (2)

式中 n—被测种子总数;

xk —第k粒种子的质量 (mg) 。

2 测量电路设计

一般用精密电子天平测量单粒种子的质量, 而电子天平稳定时间较长, 体积较大, 不适合快速称重和系统集成。本设计采用单点式称重传感器LAA-K5, 这是一种应变式双孔平行梁称重传感器, 量程30g, 灵敏度0.85mV/V, 综合误差0.03%, 激励电压最大6V。其结构图和应变片组桥方式如图2所示。这种传感器固有频率相对较高, 可满足快速称量的要求;配以精密的放大电路和优化的数据处理算法, 以提高测量的分辨力, 实现单粒种子质量的精确测量。

图2 双孔平行梁称重传感器结构图   下载原图

整个质量测量模块的组成单元如图3所示。

图3 质量测量模块组成单元图   下载原图

采用5V激励电压时, 传感器的桥路输出共模信号电平达到2.5V, 故前级放大器采用差分输入方式。三运放放大电路是一种高输入阻抗和低输出阻抗, 高共模抑制比的仪用放大器[3,8,9]。运算放大器选用性价比高的AD8628, 零漂移、低偏置电压 (5μV) 、高增益、高共模抑制比、高电源抑制比;输入端偏置电流很小, 且不需要外部补偿元件, 单5V供电, 使用非常方便, 特别适合应用到传感器的放大电路中。前级放大电路的电路图如图4所示。不难计算出[6], 前级放大器的总放大倍数为

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

相关资料表明[4], 各电阻的匹配程度将影响这个放大器总的共模抑制比, 各电阻元件的热稳定性将决定放大器增益的稳定性。放大器的增益越大, 带宽越窄。有研究表明, 前级放大器的性能是整个放大电路的关键, 其放大倍数不宜太大, 以避免将噪声一并放大带入下一级。同时, 在反馈电阻上并联电容, 降低放大器的通频带, 滤除高频干扰。为了减小电源波动对运放的影响, 在运放的各正电源和地之间, 并联去耦电容。

传感器的信号经过前级放大后, 信号的变化还是只有微伏级, 并不适合直接接入数据采集卡和ADC。因此, 需要经过后级放大器, 将微伏变化信号放大到毫伏级后, 再接入数据采集卡或ADC。这样做一方面可以减小测量误差的影响, 另一方面可以降低对ADC芯片位数的要求, 同时降低对测量电路精度的要求, 减少成本。

图4 前级放大器电路图   下载原图

后级的同相放大器将前级输出信号进一步放大后, 通过低通滤波器消除高频干扰[5]。经典的LRC滤波器在低通频段实现成本较高, 而有源滤波器成本相对较低, 还可以避免电感非线性对滤波器性能的影响, 故采用运算放大器构成的有源低通滤波器;后接的50Hz有源双T陷波器减小了50Hz的工频干扰。为了保证后级放大器低输出阻抗和频率特性, 采用电压跟随器输出。后级放大器的电路图如图5所示。其放大倍数AV2=AV21×AV22×AV23。其中, 二阶有源低通滤波电路放大倍数AV23和50Hz陷波电路放大倍数AV22, 均设计为单位增益, 故后级放大器的总放大倍数为

AV2=R5/R6

图5 后级放大电路   下载原图

整个放大电路的性能主要受前级放大电路的性能的影响[3], 要求前级放大电路具有良好的低噪声特性, 为此需要在电阻、电容的选用上采取一些措施。

为了降低电阻温度噪声和电阻值偏差的影响, 电路中所用电阻, 均采用集成电阻通过串并联的方式获得, 降低成本的同时提高了电路的性能。电源是波动小于0.01%的直流稳压电源。电路板布线方面, 线间距、线宽大于一般电路设计值, 减小导线电阻以及线线间耦合作用。

安装上10g的秤盘后, 在0～10g外力作用, 5V单端激励电压下, 传感器的输出在1.416 7～2.833 3mV范围内。在这个范围内小麦种子质量作用产生的输出电压变化只有几个微伏, 因此总放大倍数要大于1 500, 整个电路的放大倍数A=AV2×AV1。因为前级放大倍数不宜太大, 故将电路的总放大倍数分配到前级和后级, 前级放大倍数30, 后级放大倍数50;经过放大后, 输出电压在2.125 0～4.25V之间, 可满足ADC和数据采集卡对电压的要求。

3 数据处理算法

单片机将模数转换后的数据, 通过标度变换[10], 换算成质量值, 存入单片机内大小为10的一个数组A中, 这样就形成一个质量值的序列。测得质量数值反映了装置是处在称量状态还是种子刷扫除种子状态, 质量数值的变化率反映了测量值是否达到稳定;达到稳定状态时, 将连续采样20个数值求其平均值, 将结果显示到液晶屏幕上, 并将该结果存储到单片机Flash的一个指定块”B”。一批种子质量测定完毕后, 调用B块中的数据, 结合数据块B的大小 (数据块B的大小就是被测种子的数目) , 按照式 (1) 、式 (2) 的计算方法得到单粒种子质量的平均值和标准差。

测量过程中, 每次采集到的模数转换后的二进制数值值都将通过串口发送到计算机;基于LabView开发的程序将以波形图的方式实时显示每一次采集到的数据;测量结束后, LabView程序将柱状图的形式显示这批种子质量分布。显示效果如图6所示。

图6 LabView数据采集分析程序工作界面截图   下载原图

4 结论

介绍了一种小麦种子自动称重装置, 该装置尺寸小巧、功耗低、测量方便;但其测量参数单一, 测量精度有待提高。下一步将研究在此装置基础上, 在装置的末端添加含水率检测、有机质检测及种子外观、外形等参数检测模块, 实现小巧多功能考种仪的最终研究目标。此外, 提出的小质量检测方法, 也适用于玉米、水稻和胶囊等微质量检测。