薄面激光-硅光电池中小粒径种子流监测装置研制

丁幼春，朱 凯，王凯阳，刘晓东，杜超群



薄面激光-硅光电池中小粒径种子流监测装置研制

丁幼春，朱 凯，王凯阳，刘晓东，杜超群

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

针对油菜、小麦等中小粒径种子在播种过程中难以兼容监测的问题，该文采用光层厚度约为1 mm的薄面激光发射模组和硅光电池的光伏效应原理设计了一种中小粒径种子流监测装置。根据薄面激光模组发射角度与硅光电池对角线长度计算出种子监测区域大小以及监测区域的具体位置，明确了监测装置的导管内径、导管中心线位置、薄面激光发射模组与硅光电池的相对位置等结构参数。对种子穿越薄面激光层所需时间进行分析，油菜种子的穿越响应信号在3 ms以内完成，小麦种子的穿越响应信号在7 ms以内完成。对种子的穿越响应信号进行隔直通交、双级放大、半波整流、电压比较、单稳态触发转化为单脉冲信号，作为单片机外部中断源进行计数，获得播量信息，实现了中小粒径种子流无碰撞检测。油菜精量排种器台架试验和小麦数粒仪试验表明：在排种频率8.4～32.1 Hz范围内，油菜种子的监测准确率不低于98.1%，在排种频率21.5～31.2 Hz范围内，小麦种子的监测准确率不低于95.1%。田间播种试验结果表明：在田间正常排种频率范围内，油菜种子的监测准确率不低于98.6%，小麦种子的监测准确率不低于95.8%，光照条件、机具振动对监测精度无影响。

农业机械；激光器；硅光电池；中小粒径种子流；监测

0 引 言

油菜和小麦是中国重要的油料和粮食作物[1]，两者播种期相邻，种植面积居世界前列[2]。精量联合播种能够提高作业效率，降低作业成本，增加农民收益。对播种过程的实时监测是智能播种机发展的趋势之一。针对油菜和小麦播期毗邻，油麦兼用联合直播机播种过程处于全封闭状态，田间各种因素造成的漏播影响播种质量无法得到及时矫正的问题，研究一种油麦兼用的中小粒径种子流传感装置，实时监测播种过程，对于提升油麦兼用联合直播机信息化水平具有重要的现实意义。

国外对播种监测技术研究较早，20世纪80年代西方就将电子技术用于播种机，精密播种机监测系统比较先进。澳大利亚AEE有限公司为气力式播种机设计了一种监视器[3]，采用红外线传感器监测每个输种管种子的排量，当发现故障时监视器立刻发出声音和灯光警报。美国Dickey-john公司研制的PM400型[4]大范围监测系统，实现了无接触式检测，准确率以及可靠性高，可以同时对36路播种进行监测，检测对象为大中粒径种子。美国约翰迪尔公司生产的SeedStar™2监测系统[5-6]能够实时监测小麦的播种行数、播种行距、行漏播量、平均播种总量，并以图表形式实时显示。意大利MC electronic研制的精准播种系统[7]能够对48行的播种和施肥进行监测，主要针对大中粒径种子，对油菜种子检测精度不高。近年来，国内对播种监测系统的研究逐渐增多，赵立业等[8-13]利用小灯泡和硅光电池作为发射端和接收端，基于短路电流和受光面积成正比这一特性[14]，能够准确检测出双粒大豆种子同时下落的重播现象，并且能准确检测精密排种器的各项排种性能。周利明等[15-19]利用种子介电特性，针对玉米播种机研究了一种基于电容信号的监测方法，可以检测播种工况下排种量、漏播量及重播量等参数。张霖等[20-23]根据典型的弹簧-质量-阻尼系统的二阶传递函数理论，对系统的阻尼振动频率和阻尼进行了分析，选用了合适的材料以及安装方式，研究了一种绿豆种子计数系统。

油菜种子（平均粒径0.8～2.2 mm）粒径小，小麦种子（平均长度6.25 mm、宽度3.33 mm、厚度3.07 mm）粒径较大[24]，两者排种频率均较高，要实现兼容监测存在一定难度。针对油菜等小粒径种子的检测，丁幼春等[25-27]利用压电薄膜传感器对油菜精量排种器的性能监测、漏播监测与补种进行了研究，但是这种监测方式主要利用油菜种子与压电薄膜发生碰撞而产生压电效应原理设计的，种子与压电薄膜碰撞改变了种子下落的轨迹，一定程度上影响了种子流的有序性，而且对中小粒径种子的通用检测存在一定限制。

针对油麦兼用精量集排器[28-30]种子流的实时监测问题，本文提出利用薄面激光与硅光电池的光伏效应[31]原理，设计了一种中小粒径种子流监测装置，并对其进行了试验。

1 监测装置结构主要参数设计

1.1 监测装置总体结构与监测原理

监测装置总体结构如图1所示，主要包括入种口、上导管、下导管、出种口、薄面激光发射模组、硅光电池、集成电路板、锂电池等。薄面激光发射模组由激光二极管、聚焦镜片、一字波浪镜片组成，激光发射角度由一字波浪镜片决定，经过多次折射的激光最终形成厚度约为1 mm的薄面激光。硅光电池受光面积为10 mm×10 mm（随着面积增大，成本会急剧增加），当照度为100 lx时，开路电压为300 mV。薄面激光从上导管与下导管之间的空隙穿过照射在硅光电池上，空隙的纵向长度称为通光层厚度，监测装置总体结构和性能参数如表1。

1.入种口 2.上导管 3.薄面激光发射模组 4.硅光电池 5.薄面激光 6.下导管 7.出种口 8.支架 9.无线收发模块 10.集成电路板 11.锂电池 12.电路板定位柱 13.排种状态指示灯 14.电源开关 15.电源指示灯

表1 监测装置总体结构和性能参数

种子经由上导管下落，穿越薄面激光层，由于种子对激光的遮挡改变了照射在硅光电池表面的光强度，使硅光电池两端电压随之发生变化，这种电压信号的变化一直伴随着种子从进入至离开激光层的整个过程，称为穿越响应。穿越响应经信号调理环节即隔直通交、双级放大、半波整流、电压比较、单稳态触发，最终作为单片机外部中断源，实现种子的计数。

1.2 薄面激光模组发射角度

硅光电池受光面为10 mm×10 mm的正方形，在实际使用时，为了使导管内径尽可能大，采用正方形的斜对角线区域作为接收区域，斜对角线长度=14.1 mm，为了确定激光发射角度，建立图2所示的几何模型。

a. 监测装置局部示意图b. 薄面激光平面示意图 a. Partial schematic diagram of monitoring deviceb. Flat schematic diagram of thin surface laser

1.硅光电池 2.种子 3.上导管 4.薄面激光 5.薄面激光发射模组

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

注：为梯形腰边延长线交点；为激光发射角度，(°)；为最大内切圆半径，mm；为硅光电池受光面斜对角线长度，mm；为薄面激光发射模组与硅光电池水平距离，mm；为种子下落起始点至检测区的距离，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.

图2 激光发射角度计算几何模型

Fig.2 Geometric model for calculation of laser emission angle

设计时为了使得上导管内径1最大，根据图2几何模型建立与1的数学关系式，如式（1）。

根据公式（1）可知，在0～180°范围内，值越大，1的值越小，理论上1值越大越好，但是当1过于大时，使得硅光电池与薄面激光发射模组距离增大，会增加装置的整体尺寸，并且会增加制造成本。根据1的理论值范围0～14.1 mm，综合考虑导管内径、装置大小及成本的因素后，选择发射角度为30°的一字波浪镜片构成薄面激光发射模组。

1.3 导管内径及通光层厚度确定

导管内径的设计依据是激光面内最大内切圆半径，只有当种子从半径为1的内切圆内穿越薄面激光时才可能被检测出来，将=30°代入式（1），解得1=5.4，因导管内径≤10.8。为了消除种子从内切圆切点处穿越发生遮挡信号过小导致监测失效，确定导管内径为10 mm。基于薄面激光层厚度为1 mm，考虑到薄面激光发射模组本身制造误差，通光层厚度确定为2 mm。

2 监测装置光电信号处理系统设计

2.1 光电信号特性分析

为了准确有效的分析和处理光电信号，利用示波器采集种子下落过程中产生的原始电压信号并记录，发现在自然光照条件下，当所使用的激光稳定照射到硅光电池表面时，硅光电池受光会产生300 mV的偏置电压。种子下落穿越薄面激光层的过程中，会使硅光电池的偏置电压瞬间减小，之后恢复常态。偏置电压的减小值与种子粒径、通过监测区的位置有关，通过试验测试得油菜种子下落产生的偏置电压变化范围为0.8～10 mV，小麦种子为3～48 mV。根据光伏效应原理，这种变化是由照射到硅光电池的激光强度决定的。图3为不同粒径种子、不同位置穿越激光层时对激光遮挡长度的示意图。

注：O1，O2表示2粒不同粒径大小的种子，在相同位置经过监测区；O3，O4表示2粒相同粒径大小的种子，在不同的位置经过检测区；C1，C2，C3，C4分别表示4粒种子对激光遮挡的长度。

穿越响应时间定义为种子从刚进入激光层至种子完全离开激光层所用的时间，根据自由落体运动规律对种子穿越响应时间进行计算，如式（2）。

式中为重力加速度，9.8 m/s2，激光层的厚度约为1 mm，为种子的整体长度，mm；为种子下落起始点至检测区的距离，mm；为种子穿越响应时间，ms。根据传感装置与精量排种器安装位置关系设定=57 mm，根据油菜种子、小麦种子粒径范围，式中的取最大值2.2和6.25 mm，计算得出油菜种子穿越响应时间为2.98 ms、小麦种子穿越响应时间为6.65 ms，当增大时会减小，即种子穿越响应时间会随着下落高度的增大而减小。在实际播种过程中，因精量排种器投种口处种子向下的初速度不完全为0，因此油菜种子和小麦种子穿越响应时间小于2.98 和6.65 ms。

2.2 信号处理电路设计与仿真

根据光电信号的特性分析，设计了信号处理电路，包括隔直通交、双级放大、半波整流、电压比较、单稳态触发。通过隔直通交电路消除硅光电池常态下的偏置电压使常态电压归0，以便后续仅对穿越响应信号进行放大处理，同时可以消除因长时间工作硅光电池表面的浮尘对偏置电压的影响。为了放大电路能够适应所有种子穿越响应信号的放大要求，采用双极放大电路，以期将所有微小信号全部放大至饱和状态。后续利用二极管对饱和双极性信号进行半波整流处理，保留正向电压，滤除负向电压，之后通过电压比较处理形成方波信号，再经过单稳态触发电路产生时长可调节的规整方波信号，并作为单片机外部中断源实现种子计数，信号处理电路如图4。

注：AD620为实际电路的放大器；LM393为实际电路的电压比较器； 74HC123E为实际电路的单稳态触发器；JX2为信号接入端。

为了优化电路功能与关键参数如放大倍数、比较电压，利用Multisim电路仿真软件对信号处理电路进行仿真，仿真模型中AD620AN为实际电路板中采用的精密仪表放大芯片（AD620），10 k电位器为放大倍数调整电阻，通过改变电阻的大小来调节放大倍数，放大电路设计时两级放大倍数保持一致，以期达到最佳的放大效果。模型中LM393P为实际电路板中采用的比较器芯片，50 k电位器为比较电压调整电阻，通过改变电阻值大小来调节比较电压大小。仿真电路原理图如图5。

注：AD62AN代表实际电路的放大器；LM393P代表实际电路的电压比较器； XSC1为示波器；U4为电压指示器；V1为模拟输入信号；Key=A和Key=B分别表示通过键盘A和B调节电位器比例值。

进行电路仿真时，种子穿越响应信号最小幅值为0.8 mV，为使所有信号均能达到放大要求，采用幅值为0.8 mV的正弦信号模拟输入信号，并且仿真信号频率需高于排种频率，设置频率为1 kHz，电位器量程10 k，电位器初始值为10 k，逐步减小电阻值，放大倍数逐渐增大，直至达到饱和状态，对应的饱和电压为3.9 V。放大器的输出电压取决于供电电压，供电电压范围越宽，输出电压的线性区越宽，电路中供电电压为±5 V，饱和电压只能达到3.9 V。饱和状态时2个电位器的阻值为680 Ω，放大倍数为70倍。

放大信号经过二极管之后，由于二极管正向导通作用，负向电压会被滤去，且正向电压会产生0.7 V左右的压降，经过二极管后的电压信号峰值均在3.2 V左右，根据比较器的工作原理，将3.2 V作为阈值参考，设置比较电压为3 V，即所有幅值大于3 V的电压信号均会被转换为方波脉冲信号。

单稳态触发电路的作用是通过调整其外围电阻对方波信号产生指定宽度的脉冲信号。脉冲宽度的设置依据为油菜种子、小麦种子的穿越响应时间，穿越响应时间由式（2）计算得到，利用时间约束使种子个数与波形数一一对应，根据前期试验，油菜种子的穿越响应时间设置为3 ms，小麦种子的穿越响应时间设置为7 ms，即可实现油菜和小麦种子的兼容监测，无需调节其他参数。利用单稳态触发电路为种子设置对应的脉冲宽度，可以消除1次穿越响应信号通过比较电路后产生2个方波信号，继而影响计数的准确性。利用四通道示波器（GDS-3154）对一级放大信号、二级放大信号、比较信号、单稳态触发信号进行实时采集，结果如图6。

1.一级放大信号（100 mV·格‒1） 2.二级放大信号（5 V·格‒1） 3.比较信号（5 V·格‒1） 4.单稳态触发信号（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. 油菜种子信号波形图

a. Signal waveform of rape seed

1.一级放大信号（100 mV·格‒1） 2.二级放大信号（5 V·格‒1） 3.比较信号（5 V·格‒1） 4.单稳态触发信号（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. 小麦种子信号波形图

b. Signal waveform of wheat seed

图6 油菜和小麦种子的电压信号波形图

Fig.6 Voltage signal waveform of rape and wheat seed

2.3 监测流程

根据制作的集成电路板尺寸以及电源模块尺寸，综合关键结构参数设计并制作了中小粒径种子流监测装置，种子流穿越薄面激光层产生的信号经过处理电路后形成脉冲序列信号，脉冲序列信号作为MSP430F149单片机系统的外部中断，经计数程序获得种子量信息，在OLED屏上实时显示。监测装置软件程序采用C语言编写，主要包括系统参数设置初始化、计数中断程序、OLED显示屏初始化等。

3 监测精度试验

3.1 台架试验

3.1.1 试验材料与设备

试验使用华油杂62油菜种子和郑麦9023小麦种子，在试验前人工挑选分离出破损开裂的种子，试验所用主要仪器和设备为油菜精量排种器，气力式精量排种器试验台架，转速表，中小粒径种子流监测装置，接种袋，计时器，SLY-C微电脑自动数粒仪（浙江托普仪器有限公司），整体试验装置如图7。

1.中小粒径种子流监测装置 2.油菜精量排种器 3.气力式精量排种器试验台架 4.接种袋 5.电机 6.变频器 7.转速表 8.风机 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 试验方法

试验目的在于评估中小粒径种子流监测装置对不同排种频率种子流监测的准确率性及可靠性。台架试验中,油菜种子的监测精度测试在气力式精量排种器试验台架上进行，更高排种频率的试验在自动数粒仪上进行；小麦种子的监测精度测试在自动数粒仪上进行。

将监测装置入种口通过软管与油菜精量排种器排种口对接，并用接种袋收集从排种器落下的种子，试验在排种器不同工作转速下进行，包括高中低转速，高转速为24 r/min，中转速为18 r/min，低转速为13 r/min，每个转速状态下重复试验3次，每次当监测显示端计数为1 000粒左右时，停止排种，记录排种时间以及监测装置检测数，采用人工数种获得实际排种粒数。为了进一步验证监测装置的监测效果，利用SLY-C微电脑自动数粒仪（此数粒仪在低速排种状态下计数精度为4‰，排种速度高时，精度会下降）模拟高频排种，结合GDS-3154数字存储示波器采集种子波形并记录。通过调整数粒仪振动挡位进行测试，调整挡位为3档、4档、5档（各档对应的频率分别为20、25和30 Hz），每个排种频率状态下重复试验3次。在监测小麦种子时，调节监测装置上控制单稳态脉冲宽度的电位器，使脉冲宽度为7 ms。试验结果如表2。

表2 排种器不同转速和数粒仪高频排种的试验结果

由表2可知，监测装置在8.4～32.1 Hz的排种频率范围内，油菜种子监测误差最大不超过1.9%，监测准确率不低于98.1%，在21.5～31.2 Hz的排种频率范围内，小麦种子监测误差最大不超过4.9%，监测准确率不低于95.1%。试验过程中监测装置没有出现堵塞现象，工作稳定，在充满电之后可以持续工作8 h。

检测粒数与实际粒数存在一定的偏差，整体偏小，利用高速摄影（本文采用Pco.dimaxHD高速摄影仪，曝光时间为1.5s，帧速为2 128帧/s，焦距为2.8 mm，采集的图像为1 920×1 080像素，摄像机距离排种平面距离为300 mm）观察油菜和小麦种子下落的过程，并且结合数字式示波器采集种子产生的比较信号和单稳态信号波形，发现存在多粒种子同时落下的情形，在这种情形下，数字式示波器采集的单稳态脉冲数只有1个，监测装置计数1次。分析其原因，主要是由于监测装置对种子流的监测时间分辨率油菜为3 ms，小麦为7 ms，当多粒种子在分辨率时间内同时穿越光层时，只会被计数1次，这样会使监测结果偏低。图8为在20 Hz的排种频率下高速摄影仪拍下的种子运动状态。

a. 油菜、小麦运动状态高速摄影试验

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

1.Pco.dimaxHD高速摄影仪 2.中小粒径种子流监测装置 3.SLY-C微电脑自动数粒仪

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

b. 油菜种子流高速摄影记录c. 小麦种子流高速摄影记录 a. High speed photography record of rape seed flowb. High speed photography record of wheat seed flow

3.2 田间试验

为了考察装置的稳定性以及复杂田间作业环境（包括光照、振动、粉尘）对监测效果的影响，于2018年9月在华中农业大学稻坂田开展油麦精量播种试验。

在试验前首先考察光照对中小粒径种子流监测装置的影响。将监测装置入种口通过软管与排种器排种口对接（种箱内不放种子，即没有种子经过传感装置），在路面上直播机不工作的状态下进行测试，将传感装置开启，在太阳光照、人为打光、人为遮挡自然光条件下的测试结果表明：排种总量始终为0，没有发生误计，田间各种光照条件对监测装置工作性能无影响。进一步考察振动对监测效果的影响，种箱内不放种子，直播机在田间前进30 m，重复3次，模拟振动条件的测试结果表明：排种总量始终为0，没有发生误计，田间机具振动对监测装置工作性能无影响。

为了进一步考察中小粒径种子流传感装置在田间工作状态下的监测精度，将种箱内放入适量种子，使用接种带收集从输种管出口排出的种子，试验现场如图9。

试验之前先启动监测装置，显示端数据清零，油麦兼用型精量直播机田间正常工作速度在1.8～5.4 km/h之间，太慢或者太快均会影响播种效果，因此设定直播机在3个适宜速度下进行试验，分别为慢Ⅰ档、慢Ⅱ档、慢Ⅲ档，对应的作业速度分别为2.7、4.0和4.9 km/h，每个档位的播种距离为30 m，分别开展油菜、小麦播种试验，每个档位试验1次，每次试验完成记录中小粒径种子流监测装置显示的播种总量，取下接种袋，采用人工数种的方法得到实际播种总量，田间试验结果如表 3。

1.油麦兼用型精量直播机 2.东方红-LX954拖拉机 3.导种管 4.中小粒径种子流监测装置 5.接种袋 6.播种信息显示端

表3 田间油麦播量监测试验结果

由表3可知，在3个工作速度下，监测装置对油菜播量的监测准确率不超过98.6%，误差不超过1.4%，对小麦播量的监测准确率不超过95.8%，误差不超过4.2%，工作性能稳定。

4 讨 论

监测装置激光发射模组与硅光电池相距23 mm，发射端只有直径为2.5 mm的圆形小孔暴露于空气中，通过对硅光电池受光面进行密封结构设计，使硅光电池暴露面积仅为2 mm×14.1 mm。装置工作时处于封闭状态，田间浮沉难以进入装置，浮尘的主要影响是改变照射在硅光电池上的光强，进而使硅光电池偏置电压发生变化，通过隔直通交电路可以消除硅光电池的偏置电压使电压归零，不会对计数产生干扰；在机具应用中，搭载该装置监测播种过程，观察3个工作日，未发现故障情况。

在气力式精量播种过程中，种子从排种口下落，向下的初始速度并不全为0，因此实际穿越响应时间会更短，穿越响应时间与种子下落的速度紧密相关，下落的初始速度越大，穿越响应时间越短。为了使装置适应各种排种状况，本文按照最长的穿越响应时间设计，这样即使种子向下的初始速度为0也不影响监测。放大倍数是基于最小信号进行设计，关键难点为小粒径种子，此类型种子产生的信号微小，因此在设计放大倍数时，关键依据是从大量测试中找准最小信号，最小信号能达到放大要求，那么所有种子产生的信号都能达到放大要求，否则会产生漏检。种子穿越薄面激光层的过程中，由于种子自身的位姿改变，对激光遮挡的面积也发生改变，穿越响应信号可能会出现2个或者更多尖峰波，在二级放大后穿越响应时间内穿越信号并不是全段被放大至饱和，导致电压比较环节后存在多个方波信号的情况，影响计数精度，因此在电压比较之后加入单稳态触发电路对信号进行脉冲宽度的设置，利用种子穿越激光层的时间约束，使种子个数与波形数一一对应，提高计数精度，但一定程度上降低了时间分辨率，在相同高度以相同初始速度落下，小麦种子的穿越响应时间比油菜种子时间长，在穿越响应时间内同时下落2粒或者多粒种子的可能性小麦种子比油菜种子大，因此小麦种子监测准确率会低于油菜种子。

5 结 论

本文设计了中小粒径种子流监测装置用于解决中小粒径种子播种监测的难题，对中小粒径种子流监测装置的准确率、抗光照干扰和抗振性进行了性能试验。

1）利用光伏效应原理设计了中小粒径种子流监测装置。该监测装置包括入种口、上导管、薄面激光发射模组、硅光电池、感应光层、下导管、出种口、信号调理电路，结构紧凑、体积小巧，适合于中小粒径种子精量排种器田间作业环境播量监测。

2）采用1 mm薄面激光发射模组作为发射端，种子之间的纵向距离大于1 mm时均能被检测出来，一定程度上提高了种子流监测的时间分辨率。设计了穿越响应信号的隔直通交电路、双极放大电路、半波整流电路、比较电路、单稳态触发电路，实现油菜、小麦种子流脉冲序列的转化，实现了中小粒径种子流的计数。

3）中小粒径种子流监测装置台架及高频数粒仪试验结果表明：在8.4～32.1 Hz的排种频率范围内，油菜种子监测准确率不低于98.1%，在21.5～31.2 Hz的排种频率范围内，小麦种子监测准确率不低于95.1%，试验过程没有出现堵塞的现象。田间试验结果表明：中小粒径种子流监测装置能够实时监测中小粒径种子的田间播量，且田间光照和机具振动对监测精度无影响。

该监测装置可为中小粒径精量播种过程的播量监测、漏播检测提供有效支撑。

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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

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；湖北省技术创新专项重大项目（2016ABA094）

丁幼春，教授，博士生导师，主要从事油菜机械化生产智能化技术与装备研究。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 凯，王凯阳，刘晓东，杜超群. 薄面激光-硅光电池中小粒径种子流监测装置研制[J]. 农业工程学报，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