薄面激光-硅光電池中小粒徑種子流監測裝置研制

丁幼春，朱 凱，王凱陽，劉曉東，杜超群

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薄面激光-硅光電池中小粒徑種子流監測裝置研制

丁幼春，朱 凱，王凱陽，劉曉東，杜超群

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

針對油菜、小麥等中小粒徑種子在播種過程中難以兼容監測的問題，該文采用光層厚度約為1 mm的薄面激光發射模組和硅光電池的光伏效應原理設計了一種中小粒徑種子流監測裝置。根據薄面激光模組發射角度與硅光電池對角線長度計算出種子監測區域大小以及監測區域的具體位置，明確了監測裝置的導管內徑、導管中心線位置、薄面激光發射模組與硅光電池的相對位置等結構參數。對種子穿越薄面激光層所需時間進行分析，油菜種子的穿越響應信號在3 ms以內完成，小麥種子的穿越響應信號在7 ms以內完成。對種子的穿越響應信號進行隔直通交、雙級放大、半波整流、電壓比較、單穩態觸發轉化為單脈沖信號，作為單片機外部中斷源進行計數，獲得播量信息，實現了中小粒徑種子流無碰撞檢測。油菜精量排種器臺架試驗和小麥數粒儀試驗表明：在排種頻率8.4～32.1 Hz范圍內，油菜種子的監測準確率不低于98.1%，在排種頻率21.5～31.2 Hz范圍內，小麥種子的監測準確率不低于95.1%。田間播種試驗結果表明：在田間正常排種頻率范圍內，油菜種子的監測準確率不低于98.6%，小麥種子的監測準確率不低于95.8%，光照條件、機具振動對監測精度無影響。

農業機械；激光器；硅光電池；中小粒徑種子流；監測

0 引 言

油菜和小麥是中國重要的油料和糧食作物[1]，兩者播種期相鄰，種植面積居世界前列[2]。精量聯合播種能夠提高作業效率，降低作業成本，增加農民收益。對播種過程的實時監測是智能播種機發展的趨勢之一。針對油菜和小麥播期毗鄰，油麥兼用聯合直播機播種過程處于全封閉狀態，田間各種因素造成的漏播影響播種質量無法得到及時矯正的問題，研究一種油麥兼用的中小粒徑種子流傳感裝置，實時監測播種過程，對于提升油麥兼用聯合直播機信息化水平具有重要的現實意義。

國外對播種監測技術研究較早，20世紀80年代西方就將電子技術用于播種機，精密播種機監測系統比較先進。澳大利亞AEE有限公司為氣力式播種機設計了一種監視器[3]，采用紅外線傳感器監測每個輸種管種子的排量，當發現故障時監視器立刻發出聲音和燈光警報。美國Dickey-john公司研制的PM400型[4]大范圍監測系統，實現了無接觸式檢測，準確率以及可靠性高，可以同時對36路播種進行監測，檢測對象為大中粒徑種子。美國約翰迪爾公司生產的SeedStar?2監測系統[5-6]能夠實時監測小麥的播種行數、播種行距、行漏播量、平均播種總量，并以圖表形式實時顯示。意大利MC electronic研制的精準播種系統[7]能夠對48行的播種和施肥進行監測，主要針對大中粒徑種子，對油菜種子檢測精度不高。近年來，國內對播種監測系統的研究逐漸增多，趙立業等[8-13]利用小燈泡和硅光電池作為發射端和接收端，基于短路電流和受光面積成正比這一特性[14]，能夠準確檢測出雙粒大豆種子同時下落的重播現象，并且能準確檢測精密排種器的各項排種性能。周利明等[15-19]利用種子介電特性，針對玉米播種機研究了一種基于電容信號的監測方法，可以檢測播種工況下排種量、漏播量及重播量等參數。張霖等[20-23]根據典型的彈簧-質量-阻尼系統的二階傳遞函數理論，對系統的阻尼振動頻率和阻尼進行了分析，選用了合適的材料以及安裝方式，研究了一種綠豆種子計數系統。

油菜種子（平均粒徑0.8～2.2 mm）粒徑小，小麥種子（平均長度6.25 mm、寬度3.33 mm、厚度3.07 mm）粒徑較大[24]，兩者排種頻率均較高，要實現兼容監測存在一定難度。針對油菜等小粒徑種子的檢測，丁幼春等[25-27]利用壓電薄膜傳感器對油菜精量排種器的性能監測、漏播監測與補種進行了研究，但是這種監測方式主要利用油菜種子與壓電薄膜發生碰撞而產生壓電效應原理設計的，種子與壓電薄膜碰撞改變了種子下落的軌跡，一定程度上影響了種子流的有序性，而且對中小粒徑種子的通用檢測存在一定限制。

針對油麥兼用精量集排器[28-30]種子流的實時監測問題，本文提出利用薄面激光與硅光電池的光伏效應[31]原理，設計了一種中小粒徑種子流監測裝置，并對其進行了試驗。

1 監測裝置結構主要參數設計

1.1 監測裝置總體結構與監測原理

監測裝置總體結構如圖1所示，主要包括入種口、上導管、下導管、出種口、薄面激光發射模組、硅光電池、集成電路板、鋰電池等。薄面激光發射模組由激光二極管、聚焦鏡片、一字波浪鏡片組成，激光發射角度由一字波浪鏡片決定，經過多次折射的激光最終形成厚度約為1 mm的薄面激光。硅光電池受光面積為10 mm×10 mm（隨著面積增大，成本會急劇增加），當照度為100 lx時，開路電壓為300 mV。薄面激光從上導管與下導管之間的空隙穿過照射在硅光電池上，空隙的縱向長度稱為通光層厚度，監測裝置總體結構和性能參數如表1。

1.入種口 2.上導管 3.薄面激光發射模組 4.硅光電池 5.薄面激光 6.下導管 7.出種口 8.支架 9.無線收發模塊 10.集成電路板 11.鋰電池 12.電路板定位柱 13.排種狀態指示燈 14.電源開關 15.電源指示燈

表1 監測裝置總體結構和性能參數

種子經由上導管下落，穿越薄面激光層，由于種子對激光的遮擋改變了照射在硅光電池表面的光強度，使硅光電池兩端電壓隨之發生變化，這種電壓信號的變化一直伴隨著種子從進入至離開激光層的整個過程，稱為穿越響應。穿越響應經信號調理環節即隔直通交、雙級放大、半波整流、電壓比較、單穩態觸發，最終作為單片機外部中斷源，實現種子的計數。

1.2 薄面激光模組發射角度

硅光電池受光面為10 mm×10 mm的正方形，在實際使用時，為了使導管內徑盡可能大，采用正方形的斜對角線區域作為接收區域，斜對角線長度=14.1 mm，為了確定激光發射角度，建立圖2所示的幾何模型。

a. 監測裝置局部示意圖b. 薄面激光平面示意圖 a. Partial schematic diagram of monitoring deviceb. Flat schematic diagram of thin surface laser

1.硅光電池 2.種子 3.上導管 4.薄面激光 5.薄面激光發射模組

1.Silicon photocell 2.Seeds 3.Upper tube 4.Thin surface laser 5.Thin surface laser emitting module

注：為梯形腰邊延長線交點；為激光發射角度，(°)；為最大內切圓半徑，mm；為硅光電池受光面斜對角線長度，mm；為薄面激光發射模組與硅光電池水平距離，mm；為種子下落起始點至檢測區的距離，mm。

Note:is intersection of trapezoidal waist extension line.is laser emission angle, (°).is radius of maximum inscribed circle, mm.is the length of a silicon photovoltaic cell subjected to a smooth oblique diagonal, mm.is the horizontal distance between the laser emission module and the silicon photocell, mm.is the distance from the starting point of seed falling to the detection area, mm.

圖2 激光發射角度計算幾何模型

Fig.2 Geometric model for calculation of laser emission angle

設計時為了使得上導管內徑1最大，根據圖2幾何模型建立與1的數學關系式，如式（1）。

根據公式（1）可知，在0～180°范圍內，值越大，1的值越小，理論上1值越大越好，但是當1過于大時，使得硅光電池與薄面激光發射模組距離增大，會增加裝置的整體尺寸，并且會增加制造成本。根據1的理論值范圍0～14.1 mm，綜合考慮導管內徑、裝置大小及成本的因素后，選擇發射角度為30°的一字波浪鏡片構成薄面激光發射模組。

1.3 導管內徑及通光層厚度確定

導管內徑的設計依據是激光面內最大內切圓半徑，只有當種子從半徑為1的內切圓內穿越薄面激光時才可能被檢測出來，將=30°代入式（1），解得1=5.4，因導管內徑≤10.8。為了消除種子從內切圓切點處穿越發生遮擋信號過小導致監測失效，確定導管內徑為10 mm。基于薄面激光層厚度為1 mm，考慮到薄面激光發射模組本身制造誤差，通光層厚度確定為2 mm。

2 監測裝置光電信號處理系統設計

2.1 光電信號特性分析

為了準確有效的分析和處理光電信號，利用示波器采集種子下落過程中產生的原始電壓信號并記錄，發現在自然光照條件下，當所使用的激光穩定照射到硅光電池表面時，硅光電池受光會產生300 mV的偏置電壓。種子下落穿越薄面激光層的過程中，會使硅光電池的偏置電壓瞬間減小，之后恢復常態。偏置電壓的減小值與種子粒徑、通過監測區的位置有關，通過試驗測試得油菜種子下落產生的偏置電壓變化范圍為0.8～10 mV，小麥種子為3～48 mV。根據光伏效應原理，這種變化是由照射到硅光電池的激光強度決定的。圖3為不同粒徑種子、不同位置穿越激光層時對激光遮擋長度的示意圖。

注：O1，O2表示2粒不同粒徑大小的種子，在相同位置經過監測區；O3，O4表示2粒相同粒徑大小的種子，在不同的位置經過檢測區；C1，C2，C3，C4分別表示4粒種子對激光遮擋的長度。

穿越響應時間定義為種子從剛進入激光層至種子完全離開激光層所用的時間，根據自由落體運動規律對種子穿越響應時間進行計算，如式（2）。

式中為重力加速度，9.8 m/s2，激光層的厚度約為1 mm，為種子的整體長度，mm；為種子下落起始點至檢測區的距離，mm；為種子穿越響應時間，ms。根據傳感裝置與精量排種器安裝位置關系設定=57 mm，根據油菜種子、小麥種子粒徑范圍，式中的取最大值2.2和6.25 mm，計算得出油菜種子穿越響應時間為2.98 ms、小麥種子穿越響應時間為6.65 ms，當增大時會減小，即種子穿越響應時間會隨著下落高度的增大而減小。在實際播種過程中，因精量排種器投種口處種子向下的初速度不完全為0，因此油菜種子和小麥種子穿越響應時間小于2.98 和6.65 ms。

2.2 信號處理電路設計與仿真

根據光電信號的特性分析，設計了信號處理電路，包括隔直通交、雙級放大、半波整流、電壓比較、單穩態觸發。通過隔直通交電路消除硅光電池常態下的偏置電壓使常態電壓歸0，以便后續僅對穿越響應信號進行放大處理，同時可以消除因長時間工作硅光電池表面的浮塵對偏置電壓的影響。為了放大電路能夠適應所有種子穿越響應信號的放大要求，采用雙極放大電路，以期將所有微小信號全部放大至飽和狀態。后續利用二極管對飽和雙極性信號進行半波整流處理，保留正向電壓，濾除負向電壓，之后通過電壓比較處理形成方波信號，再經過單穩態觸發電路產生時長可調節的規整方波信號，并作為單片機外部中斷源實現種子計數，信號處理電路如圖4。

注：AD620為實際電路的放大器；LM393為實際電路的電壓比較器； 74HC123E為實際電路的單穩態觸發器；JX2為信號接入端。

為了優化電路功能與關鍵參數如放大倍數、比較電壓，利用Multisim電路仿真軟件對信號處理電路進行仿真，仿真模型中AD620AN為實際電路板中采用的精密儀表放大芯片（AD620），10 k電位器為放大倍數調整電阻，通過改變電阻的大小來調節放大倍數，放大電路設計時兩級放大倍數保持一致，以期達到最佳的放大效果。模型中LM393P為實際電路板中采用的比較器芯片，50 k電位器為比較電壓調整電阻，通過改變電阻值大小來調節比較電壓大小。仿真電路原理圖如圖5。

注：AD62AN代表實際電路的放大器；LM393P代表實際電路的電壓比較器； XSC1為示波器；U4為電壓指示器；V1為模擬輸入信號；Key=A和Key=B分別表示通過鍵盤A和B調節電位器比例值。

進行電路仿真時，種子穿越響應信號最小幅值為0.8 mV，為使所有信號均能達到放大要求，采用幅值為0.8 mV的正弦信號模擬輸入信號，并且仿真信號頻率需高于排種頻率，設置頻率為1 kHz，電位器量程10 k，電位器初始值為10 k，逐步減小電阻值，放大倍數逐漸增大，直至達到飽和狀態，對應的飽和電壓為3.9 V。放大器的輸出電壓取決于供電電壓，供電電壓范圍越寬，輸出電壓的線性區越寬，電路中供電電壓為±5 V，飽和電壓只能達到3.9 V。飽和狀態時2個電位器的阻值為680 Ω，放大倍數為70倍。

放大信號經過二極管之后，由于二極管正向導通作用，負向電壓會被濾去，且正向電壓會產生0.7 V左右的壓降，經過二極管后的電壓信號峰值均在3.2 V左右，根據比較器的工作原理，將3.2 V作為閾值參考，設置比較電壓為3 V，即所有幅值大于3 V的電壓信號均會被轉換為方波脈沖信號。

單穩態觸發電路的作用是通過調整其外圍電阻對方波信號產生指定寬度的脈沖信號。脈沖寬度的設置依據為油菜種子、小麥種子的穿越響應時間，穿越響應時間由式（2）計算得到，利用時間約束使種子個數與波形數一一對應，根據前期試驗，油菜種子的穿越響應時間設置為3 ms，小麥種子的穿越響應時間設置為7 ms，即可實現油菜和小麥種子的兼容監測，無需調節其他參數。利用單穩態觸發電路為種子設置對應的脈沖寬度，可以消除1次穿越響應信號通過比較電路后產生2個方波信號，繼而影響計數的準確性。利用四通道示波器（GDS-3154）對一級放大信號、二級放大信號、比較信號、單穩態觸發信號進行實時采集，結果如圖6。

1.一級放大信號（100 mV·格?1） 2.二級放大信號（5 V·格?1） 3.比較信號（5 V·格?1） 4.單穩態觸發信號（5 V·格?1）

1.Primary amplification signal(100 mV·scale?1) 2.Secondary amplification signal(5 V·scale?1) 3.Comparison signal(5 V·scale?1) 4.Monostable trigger signal(5 V·scale?1)

a. 油菜種子信號波形圖

a. Signal waveform of rape seed

1.一級放大信號（100 mV·格?1） 2.二級放大信號（5 V·格?1） 3.比較信號（5 V·格?1） 4.單穩態觸發信號（5 V·格?1）

1.Primary amplification signal(100 mV·scale?1) 2.Secondary amplification signal(5 V·scale?1) 3.Comparison signal(5 V·scale?1) 4.Monostable trigger signal(5 V·scale?1)

b. 小麥種子信號波形圖

b. Signal waveform of wheat seed

圖6 油菜和小麥種子的電壓信號波形圖

Fig.6 Voltage signal waveform of rape and wheat seed

2.3 監測流程

根據制作的集成電路板尺寸以及電源模塊尺寸，綜合關鍵結構參數設計并制作了中小粒徑種子流監測裝置，種子流穿越薄面激光層產生的信號經過處理電路后形成脈沖序列信號，脈沖序列信號作為MSP430F149單片機系統的外部中斷，經計數程序獲得種子量信息，在OLED屏上實時顯示。監測裝置軟件程序采用C語言編寫，主要包括系統參數設置初始化、計數中斷程序、OLED顯示屏初始化等。

3 監測精度試驗

3.1 臺架試驗

3.1.1 試驗材料與設備

試驗使用華油雜62油菜種子和鄭麥9023小麥種子，在試驗前人工挑選分離出破損開裂的種子，試驗所用主要儀器和設備為油菜精量排種器，氣力式精量排種器試驗臺架，轉速表，中小粒徑種子流監測裝置，接種袋，計時器，SLY-C微電腦自動數粒儀（浙江托普儀器有限公司），整體試驗裝置如圖7。

1.中小粒徑種子流監測裝置 2.油菜精量排種器 3.氣力式精量排種器試驗臺架 4.接種袋 5.電機 6.變頻器 7.轉速表 8.風機 1.Monitoring device for medium and small size seed flow 2.Rapeseed precision metering device 3.Test platform for pneumatic precision metering device 4.Seeds collecting bag 5.Motor 6.Frequency converter 7.Tachometer 8.Fan

3.1.2 試驗方法

試驗目的在于評估中小粒徑種子流監測裝置對不同排種頻率種子流監測的準確率性及可靠性。臺架試驗中,油菜種子的監測精度測試在氣力式精量排種器試驗臺架上進行，更高排種頻率的試驗在自動數粒儀上進行；小麥種子的監測精度測試在自動數粒儀上進行。

將監測裝置入種口通過軟管與油菜精量排種器排種口對接，并用接種袋收集從排種器落下的種子，試驗在排種器不同工作轉速下進行，包括高中低轉速，高轉速為24 r/min，中轉速為18 r/min，低轉速為13 r/min，每個轉速狀態下重復試驗3次，每次當監測顯示端計數為1 000粒左右時，停止排種，記錄排種時間以及監測裝置檢測數，采用人工數種獲得實際排種粒數。為了進一步驗證監測裝置的監測效果，利用SLY-C微電腦自動數粒儀（此數粒儀在低速排種狀態下計數精度為4‰，排種速度高時，精度會下降）模擬高頻排種，結合GDS-3154數字存儲示波器采集種子波形并記錄。通過調整數粒儀振動擋位進行測試，調整擋位為3檔、4檔、5檔（各檔對應的頻率分別為20、25和30 Hz），每個排種頻率狀態下重復試驗3次。在監測小麥種子時，調節監測裝置上控制單穩態脈沖寬度的電位器，使脈沖寬度為7 ms。試驗結果如表2。

表2 排種器不同轉速和數粒儀高頻排種的試驗結果

由表2可知，監測裝置在8.4～32.1 Hz的排種頻率范圍內，油菜種子監測誤差最大不超過1.9%，監測準確率不低于98.1%，在21.5～31.2 Hz的排種頻率范圍內，小麥種子監測誤差最大不超過4.9%，監測準確率不低于95.1%。試驗過程中監測裝置沒有出現堵塞現象，工作穩定，在充滿電之后可以持續工作8 h。

檢測粒數與實際粒數存在一定的偏差，整體偏小，利用高速攝影（本文采用Pco.dimaxHD高速攝影儀，曝光時間為1.5s，幀速為2 128幀/s，焦距為2.8 mm，采集的圖像為1 920×1 080像素，攝像機距離排種平面距離為300 mm）觀察油菜和小麥種子下落的過程，并且結合數字式示波器采集種子產生的比較信號和單穩態信號波形，發現存在多粒種子同時落下的情形，在這種情形下，數字式示波器采集的單穩態脈沖數只有1個，監測裝置計數1次。分析其原因，主要是由于監測裝置對種子流的監測時間分辨率油菜為3 ms，小麥為7 ms，當多粒種子在分辨率時間內同時穿越光層時，只會被計數1次，這樣會使監測結果偏低。圖8為在20 Hz的排種頻率下高速攝影儀拍下的種子運動狀態。

a. 油菜、小麥運動狀態高速攝影試驗

a. High speed photography test of rapeseed and wheat in motion state

1.Pco.dimaxHD高速攝影儀 2.中小粒徑種子流監測裝置 3.SLY-C微電腦自動數粒儀

1.Pco.dimaxHD high speed camera 2.Monitoring device for medium and small size seed flow 3.SLY-C microcomputer automatic counting instrument

b. 油菜種子流高速攝影記錄c. 小麥種子流高速攝影記錄 a. High speed photography record of rape seed flowb. High speed photography record of wheat seed flow

3.2 田間試驗

為了考察裝置的穩定性以及復雜田間作業環境（包括光照、振動、粉塵）對監測效果的影響，于2018年9月在華中農業大學稻坂田開展油麥精量播種試驗。

在試驗前首先考察光照對中小粒徑種子流監測裝置的影響。將監測裝置入種口通過軟管與排種器排種口對接（種箱內不放種子，即沒有種子經過傳感裝置），在路面上直播機不工作的狀態下進行測試，將傳感裝置開啟，在太陽光照、人為打光、人為遮擋自然光條件下的測試結果表明：排種總量始終為0，沒有發生誤計，田間各種光照條件對監測裝置工作性能無影響。進一步考察振動對監測效果的影響，種箱內不放種子，直播機在田間前進30 m，重復3次，模擬振動條件的測試結果表明：排種總量始終為0，沒有發生誤計，田間機具振動對監測裝置工作性能無影響。

為了進一步考察中小粒徑種子流傳感裝置在田間工作狀態下的監測精度，將種箱內放入適量種子，使用接種帶收集從輸種管出口排出的種子，試驗現場如圖9。

試驗之前先啟動監測裝置，顯示端數據清零，油麥兼用型精量直播機田間正常工作速度在1.8～5.4 km/h之間，太慢或者太快均會影響播種效果，因此設定直播機在3個適宜速度下進行試驗，分別為慢Ⅰ檔、慢Ⅱ檔、慢Ⅲ檔，對應的作業速度分別為2.7、4.0和4.9 km/h，每個檔位的播種距離為30 m，分別開展油菜、小麥播種試驗，每個檔位試驗1次，每次試驗完成記錄中小粒徑種子流監測裝置顯示的播種總量，取下接種袋，采用人工數種的方法得到實際播種總量，田間試驗結果如表 3。

1.油麥兼用型精量直播機 2.東方紅-LX954拖拉機 3.導種管 4.中小粒徑種子流監測裝置 5.接種袋 6.播種信息顯示端

表3 田間油麥播量監測試驗結果

由表3可知，在3個工作速度下，監測裝置對油菜播量的監測準確率不超過98.6%，誤差不超過1.4%，對小麥播量的監測準確率不超過95.8%，誤差不超過4.2%，工作性能穩定。

4 討 論

監測裝置激光發射模組與硅光電池相距23 mm，發射端只有直徑為2.5 mm的圓形小孔暴露于空氣中，通過對硅光電池受光面進行密封結構設計，使硅光電池暴露面積僅為2 mm×14.1 mm。裝置工作時處于封閉狀態，田間浮沉難以進入裝置，浮塵的主要影響是改變照射在硅光電池上的光強，進而使硅光電池偏置電壓發生變化，通過隔直通交電路可以消除硅光電池的偏置電壓使電壓歸零，不會對計數產生干擾；在機具應用中，搭載該裝置監測播種過程，觀察3個工作日，未發現故障情況。

在氣力式精量播種過程中，種子從排種口下落，向下的初始速度并不全為0，因此實際穿越響應時間會更短，穿越響應時間與種子下落的速度緊密相關，下落的初始速度越大，穿越響應時間越短。為了使裝置適應各種排種狀況，本文按照最長的穿越響應時間設計，這樣即使種子向下的初始速度為0也不影響監測。放大倍數是基于最小信號進行設計，關鍵難點為小粒徑種子，此類型種子產生的信號微小，因此在設計放大倍數時，關鍵依據是從大量測試中找準最小信號，最小信號能達到放大要求，那么所有種子產生的信號都能達到放大要求，否則會產生漏檢。種子穿越薄面激光層的過程中，由于種子自身的位姿改變，對激光遮擋的面積也發生改變，穿越響應信號可能會出現2個或者更多尖峰波，在二級放大后穿越響應時間內穿越信號并不是全段被放大至飽和，導致電壓比較環節后存在多個方波信號的情況，影響計數精度，因此在電壓比較之后加入單穩態觸發電路對信號進行脈沖寬度的設置，利用種子穿越激光層的時間約束，使種子個數與波形數一一對應，提高計數精度，但一定程度上降低了時間分辨率，在相同高度以相同初始速度落下，小麥種子的穿越響應時間比油菜種子時間長，在穿越響應時間內同時下落2粒或者多粒種子的可能性小麥種子比油菜種子大，因此小麥種子監測準確率會低于油菜種子。

5 結 論

本文設計了中小粒徑種子流監測裝置用于解決中小粒徑種子播種監測的難題，對中小粒徑種子流監測裝置的準確率、抗光照干擾和抗振性進行了性能試驗。

1）利用光伏效應原理設計了中小粒徑種子流監測裝置。該監測裝置包括入種口、上導管、薄面激光發射模組、硅光電池、感應光層、下導管、出種口、信號調理電路，結構緊湊、體積小巧，適合于中小粒徑種子精量排種器田間作業環境播量監測。

2）采用1 mm薄面激光發射模組作為發射端，種子之間的縱向距離大于1 mm時均能被檢測出來，一定程度上提高了種子流監測的時間分辨率。設計了穿越響應信號的隔直通交電路、雙極放大電路、半波整流電路、比較電路、單穩態觸發電路，實現油菜、小麥種子流脈沖序列的轉化，實現了中小粒徑種子流的計數。

3）中小粒徑種子流監測裝置臺架及高頻數粒儀試驗結果表明：在8.4～32.1 Hz的排種頻率范圍內，油菜種子監測準確率不低于98.1%，在21.5～31.2 Hz的排種頻率范圍內，小麥種子監測準確率不低于95.1%，試驗過程沒有出現堵塞的現象。田間試驗結果表明：中小粒徑種子流監測裝置能夠實時監測中小粒徑種子的田間播量，且田間光照和機具振動對監測精度無影響。

該監測裝置可為中小粒徑精量播種過程的播量監測、漏播檢測提供有效支撐。

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Development of monitoring device for medium and small size seed flow based on thin surface laser-silicon photocell

Ding Youchun, Zhu Kai, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, Du Chaoqun

(1.,,430070,; 2.,,430070,)

Rapeseed and wheat are important oil and food crops in china, the sowing dates of them are adjacent, and planting area ranks in the forefront of the world. Precision combined seeding can improve working efficiency, reduce operating costs, increase farmer's income. Monitoring the sowing process is one of the trends in the development of intelligent seeders. The sowing process of the precision planter for rapeseed and wheat is completely closed, miss seeding caused by various factors in the field can not be corrected in time. It is of great practical significance to study a seed flow monitoring device for medium and small particle size monitoring the sowing process real time, so as to improve the intelligence level of the precision planter for rapeseed and wheat. In recent years, domestic and foreign scholars carried out many related studies on miss seeding and reseeding detection system mainly for potato, corn, wheat and other large and medium seeds. Few studies have focused on miss seeding and reseeding detection system for rapeseed and other small seeds because of its small size, light weight and high seeding frequency. Rapeseed and wheat are both seeding at high frequencies, but the rapeseed size is small(average particle size 0.8-2.2 mm), wheat size is larger(average length 6.25 mm, width 3.33 mm, thickness 3.07 mm), it is difficult for them to achieve compatible detection. In order to solve the above problems, a small and medium size seed flow monitoring device was designed based on the principle of photovoltaic effect of thin surface laser and silicon photocell in this paper. A thin surface laser emitting module with a thickness of about 1 mm and a photovoltaic effect produced by a silicon photocell were used. According to the emission angle of thin laser module and the diagonal length of silicon photocell, the size of seed monitoring area and the specific location of monitoring area were calculated, the structure parameters of the monitoring device, such as the inner diameter of the catheter, the position of the catheter center line, the relative position of thin laser module and silicon photocell, were defined. The time required for seeds to pass through the thin laser layer was analyzed. The response signal of rapeseed was completed within 3 ms and that of wheat seeds was completed within 7 ms. The response signal of seed crossing was transformed into single pulse signal by means of isolated direct traffic, double-stage amplification, half-wave rectification, voltage comparison and monostable trigger, and as an external interrupt source of single chip computer, thus the seeding information was counted, and the collision-free detection of small and medium sized seed flow was realized. Testing results of seed metering device metering at different revolving speed and counting instrument metering with high frequency showed that in the seeding frequency range of 8.4 to 32.1 Hz, the monitoring accuracy of rapeseed was not less than 98.1%, in the seeding frequency range of 21.5 to 31.2 Hz, the monitoring accuracy of wheat was not less than 95.1%. The results of field experiments showed that the device could monitor the seeding amount of small and medium sized seeds in real time, and the field light and vibration of machine had no effects on the monitoring accuracy.

agricultural machinery; lasers; silicon batteries; medium and small size seed flow; monitoring

2018-11-29

2018-12-25

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；湖北省技術創新專項重大項目（2016ABA094）

丁幼春，教授，博士生導師，主要從事油菜機械化生產智能化技術與裝備研究。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.002

S223.2+5

A

1002-6819(2019)-08-0012-09

丁幼春，朱 凱，王凱陽，劉曉東，杜超群. 薄面激光-硅光電池中小粒徑種子流監測裝置研制[J]. 農業工程學報，2019，35(8)：12－20. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.002 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Zhu Kai, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, Du Chaoqun. Development of monitoring device for medium and small size seed flow based on thin surface laser-silicon photocell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 12－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.002 http://www.tcsae.org