摘 要

　　施肥作業(yè)的有效完成是保證作物豐產(chǎn)、足產(chǎn)的重要條件之一，作物的產(chǎn)量與化肥的合 理施用息息相關(guān)，一旦出現化肥漏施、少施的現象勢必會(huì )造成作物的減產(chǎn)，因此在施肥作 業(yè)過(guò)程中實(shí)現對肥箱料位的在線(xiàn)檢測和化肥的及時(shí)補充至關(guān)重要。本文以肥箱料位高度為 研究基礎，開(kāi)發(fā)設計一款性能可靠的基于單片機的肥箱料位檢測裝置，替代人工對肥箱中 肥料余量情況進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取、分析，減少了人力、物力投入，使施肥機信息化水平得以提 升。本論文主要研究?jì)热萑缦拢?/p>

　　首先通過(guò)閱讀料位檢測裝置結構設計相關(guān)資料，再結合我國目前施肥作業(yè)過(guò)程中常見(jiàn) 的顆粒化肥特點(diǎn)，確定了一種平行相鄰雙極板直插式的機械結構；該檢測裝置采用電容法 檢測原理，難點(diǎn)是由于檢測裝置電容極板采集到的電容信號很小、很微弱，為 pF 級別， 故對于微小電容的檢測本裝置采用電容/頻率轉換集成電路，將外界不可視的電容模擬量轉 換成可視的頻率數字信號，且精度很高。

　　通過(guò)分析肥箱料位檢測裝置所需硬件系統完成硬件電路模型搭建，主要包括電容測量 采集模塊、C/F 轉換模塊、顯示模塊以及串口通信模塊，并利用 Altium Designer 軟件繪制 硬件電路原理圖，再通過(guò)計算機語(yǔ)言編程完成系統軟件程序設計，主要包括電容數據處理 程序、數碼管顯示程序、串口通信程序以及主程序，然后利用 Keil uVision4 軟件進(jìn)行編譯， 并結合 Proteus ISIS 進(jìn)行軟硬件的聯(lián)合仿真調試，最后通過(guò) CAN 總線(xiàn)通信協(xié)議與上位機相 連。利用搭建的室內臺架測試平臺驗證自制的檢測裝置能夠對肥箱料位進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測 與測量值的顯示，并將采集到的試驗數據運用最小二乘法進(jìn)行線(xiàn)性擬合得到檢測裝置的靈 敏度為 0.1931pF/mm,線(xiàn)性度為±3.09%;通過(guò)尖山農場(chǎng)田間作業(yè)試驗證明基于單片機的肥 箱料位檢測裝置能夠適應田間復雜環(huán)境，對肥箱料位進(jìn)行在線(xiàn)測量；開(kāi)展溫度因素對檢測 裝置的影響試驗，增加溫度傳感器的使用，對田間作業(yè)溫度進(jìn)行補償校正。 基于單片機的肥箱料位檢測裝置性能良好，能夠滿(mǎn)足一般農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中施肥作業(yè)對 于料位檢測的要求，為研制施肥機智能化控制系統奠定了基礎。

　　關(guān)鍵詞：顆粒化肥；料位檢測；電容測量；單片機；施肥作業(yè)

Abstract

　　Effective completion of fertilization operations is one of the important conditions to ensure the crops yield well and adequately .The yield of crops is greatly related to the reasonable use of chemical fertilizer, Once the condition of fertilizer-leakage and less-application happen, it will be bound to lead to crop reduction, So in the fertilization process, it is hard important to realize the on-line detection of the level of fertilizer box and the supplement of fertilizer in season. In this paper, we develop and design a rational detection device of the material level in the fertilizer box by MCU based on the research of the height of the material level in the fertilizer box, which instead of manual, real-time acquisition and analysis of the fertilizer surplus in the fertilizer box, and reduce the injection of human and material resources, and improve the informatization level of fertilizer applicator meanwhile. As follows are the main research contents of this paper:

　　In the first place, we read some information related to the structural design of the detection device, and then combined with the characteristics of granular fertilizer in the fertilization process in China recently, we determined a kind of mechanical structure of parallel and adjacent bipolar plates; The device adopts the principle of capacitance detection method, the capacitance signal collected by the capacitance plate of the detection device is so small and weak that is at the PF level is one of the difficulties. Therefore, the device uses the capacitance / frequency conversion integrated circuit for the detection of small capacitance, which converts the external invisible capacitance analog quantity into the visible frequency digital signal, and the accuracy is very high.

　　The hardware circuit design is completed by analyzing the hardware system needed for the level-detection device of the fertilizer tank, which mainly consists of capacitance measurement and acquisition module, C/F conversion module, display module and serial communication module, and use Altium Designer software to draw the hardware circuit schematic diagram, and then the system software programming is completed by computer language programming, which mainly includes capacitance data processing program, nixie tube display program, serial port communication program and main program, then compile it with keil uvisin4 software, and conducted joint simulation debugging of software and hardware in combination with Proteus ISIS, and the last, CAN-bus communication protocol is used to connect with upper-computer .

　　Using the indoor-constructing test platform to verify that the self-made detection device can carry out real-time online detection and display the measured value of the fertilizer tank material level, and use the least square method to carry out linear fitting of the collected experimental data to calculate the sensitivity of the device is 0.1931pF/mm, and the linearity is ± 3.09%; We can prove that the equipment based on MCU can adapt to the complex field environment by the field experiment of JianShan-farm. And do an on-line measurement of the material level of the fertilizer box; At last, we tested the influence of temperature factors on the detection device, and increased the use of temperature sensor, compensated and corrected the field operation temperature.

　　The equipment for detecting fertilizer bin material level based on MCU has good performance, and it can meet the requirements for material level detection in the process of general agricultural production, which lays a foundation for the development of intelligent control system of fertilizer applicator.

　　Key words:Granular-shaped fertilizer; Material level detection; Capacitance measurement; Microcontroller; Fertilization operation

　　目 錄

　　1 緒論

　　1.1 研究背景

　　中國作為人口眾多的國家，糧食生產(chǎn)一直是有關(guān)民生的重要問(wèn)題。中國必須用世界約 7%的耕地養活世界近 30%的人口[1].解決糧食安全問(wèn)題的基本策略是利用有限的土地增加 糧食產(chǎn)量以確保自給自足。肥料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，已成為現代社會(huì )中非常重要的農 業(yè)物資。無(wú)論在發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，都普遍使用化肥來(lái)增加糧食產(chǎn)量并滿(mǎn)足迅速增 長(cháng)的社會(huì )需求，以應對人口快速增長(cháng)的問(wèn)題。相關(guān)試驗數據證明，每合理地使用 1 公斤肥 料，可使谷物產(chǎn)量增加 5 到 10 公斤[2-3].在中國，由于對土地的過(guò)度開(kāi)發(fā)以及農民對糧食 生產(chǎn)和經(jīng)濟收入的盲目追求，過(guò)度使用肥料的問(wèn)題變得非常嚴重。我國耕地基礎薄弱，主 要靠肥料提供作物生長(cháng)所需營(yíng)養，同時(shí)一些高產(chǎn)作物和反季節作物的生產(chǎn)更需要施用大量 肥料，以及部分農民不能合理科學(xué)的有效施肥，盲目地施用大量肥料以求產(chǎn)量增加，這些 都是導致我國化肥施用量較高的主要原因。統計數據表明，從 1978 年至 2017 年，我國農 用化肥施用量從 884 萬(wàn)噸增長(cháng)到 5859 萬(wàn)噸，平均氮肥施用量 200-300Kg/hm2,其中玉米氮 肥、磷肥和鉀肥的當季利用率分別為 30%-35%,10%-25%,35%-50%低于國外氮肥、磷肥 和鉀肥的利用率 50%-60%,10%-30%,20%-60%[4-5].由此可見(jiàn)，在確保農作物質(zhì)量和產(chǎn) 量的前提下，政府和科學(xué)家面臨的主要問(wèn)題是如何提高肥料的使用率，減少肥料的使用量 以及減少肥料對環(huán)境的破壞。

　　為了實(shí)現現代農業(yè)可持續發(fā)展目標，提高肥料利用率，降低農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程投入成本， 減少環(huán)境污染現象，發(fā)展精準農業(yè)已成為主要趨勢[6-7].精準變量施肥作為精準農業(yè)中最重 要的技術(shù)環(huán)節，不僅是高產(chǎn)的基礎，也有效避免了化肥過(guò)度使用或使用不足的情況發(fā)生， 并且通過(guò)更好地平衡土壤的養分含量，達到植物生長(cháng)的目的。發(fā)展精準農業(yè)不僅能更好地 保護資源，增加肥料利用率，減少相關(guān)成本投入，更重要的是它極大地促進(jìn)了農業(yè)的可持 續性發(fā)展，對農業(yè)進(jìn)步具有重要意義[8-10].因此，中國高度重視精準農業(yè)的發(fā)展，且將其 提升為國家發(fā)展戰略，在 863 計劃中科技部以"精準農業(yè)技術(shù)和智能裝備"重大專(zhuān)項予以 支持，并在 2006-2020 年制定"國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要"時(shí)，把精準農業(yè)的 建設與發(fā)展作為發(fā)展農業(yè)的重要目標[11]. 在我國目前施肥作業(yè)過(guò)程中，一般以顆粒化肥較為常見(jiàn)，因此實(shí)現對肥箱料位的實(shí)時(shí) 在線(xiàn)檢測不僅對于指導安全生產(chǎn)，提高農業(yè)生產(chǎn)效率具有十分重要的現實(shí)意義，還為研制 施肥機智能化控制系統奠定了基礎。

　　1.2 研究目的和意義

　　1.2.1 研究目的

　　玉米因其高產(chǎn)量和穩定的市場(chǎng)營(yíng)業(yè)額而成為中國的主要農作物之一[12].施肥作業(yè)是玉 米生長(cháng)過(guò)程中不可或缺的一部分[13].施肥的目的是當土壤中沒(méi)有作物生長(cháng)所需的足夠養分 時(shí)，人為地增加土壤中作物生長(cháng)所需的養分含量，確保玉米高產(chǎn)穩產(chǎn)[14-15]. 通過(guò)九三管理局尖山農場(chǎng)實(shí)地調研發(fā)現，當玉米施肥機械在田間進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要人 工對肥箱內肥料余量情況進(jìn)行監測（如圖 1-1 所示）。

　　因田間作業(yè)環(huán)境的惡劣性，且施肥 過(guò)程中無(wú)任何對監測人員的保護措施，導致此種檢測方式不僅存在人員雇傭費較高問(wèn)題， 還存在較大的潛在安全隱患。為了保障隨機作業(yè)人員人身安全，減少農業(yè)成本投入，并且 能在保證作物產(chǎn)量的前提下，同時(shí)提高農業(yè)機械信息化程度，就需要研究一款電子檢測裝 置替代人工對肥箱料位進(jìn)行在線(xiàn)測量。

　　本文研究基于單片機的肥箱料位檢測裝置的目的： （1）該裝置能夠實(shí)時(shí)在線(xiàn)的對玉米施肥作業(yè)過(guò)程中的肥箱料位進(jìn)行檢測，降低傳統施 肥作業(yè)過(guò)程中操作人員受肉眼主觀(guān)因素的影響，保證肥料的均勻撒播。 （2）為了更好的指導安全生產(chǎn)和更加精準的檢測肥箱中肥料余量情況，提高肥料利用 率，穩定作物產(chǎn)量。 （3）化肥排空情況發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生報警提示，提醒駕駛員及時(shí)進(jìn)行肥料的添加，避免造 成農作物減產(chǎn)和農機具設備空轉等其他不必要的經(jīng)濟損失[16]. （4）減少人員雇傭費及其他施肥作業(yè)成本，減輕施肥作業(yè)勞動(dòng)強度，提高施肥機信息 化水平。

　　1.2.2 研究意義

　　為了加速我國完成農業(yè)機械現代化，需要不斷改進(jìn)和發(fā)展農業(yè)機械，從而得以有效地 確保國家糧食安全，大大提高農業(yè)供應系統的質(zhì)量和效率，并進(jìn)一步提高農業(yè)生產(chǎn)國際競 爭力[17].隨著(zhù)我國不斷推動(dòng)農業(yè)現代化與信息化的同步發(fā)展，農機裝備的進(jìn)一步完善不僅 有利于開(kāi)創(chuàng )我國農業(yè)機械新型工業(yè)化，對于提高我國農業(yè)機械自動(dòng)化水平也具有重要指導 意義[18-19]. 農場(chǎng)現有的肥箱料位檢測方法大多采用人工對肥箱料位進(jìn)行檢測，該種檢測方法存在 受田間作業(yè)環(huán)境影響大和操作者主觀(guān)意識影響的問(wèn)題，導致檢測結果不精準，且具有一定 安全隱患。

　　但目前能夠實(shí)現肥箱料位在線(xiàn)測量的檢測裝置，國內外均不多見(jiàn)，在現有的料 位檢測裝置中，國內制造的誤差較大，不足以達到作業(yè)要求精度，或者只能測量少量的肥 料容量而不能滿(mǎn)足農業(yè)生產(chǎn)要求；國外的料位檢測裝置因其生產(chǎn)成本投入大，所以?xún)r(jià)格高 昂，國內若想大批量引進(jìn)必然耗費財力。因此，為了更好的指導安全生產(chǎn)和更加精準的檢 測肥箱中肥料余量情況，提高肥料利用率，就對肥箱料位實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測裝置的研究非常必 要。

　　（1）基于單片機的電子檢測技術(shù)已在農業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運用，將電子檢測技術(shù)與農業(yè) 機械緊密結合，有利于及時(shí)發(fā)現和處理農業(yè)機械使用中的潛在問(wèn)題，提高農業(yè)機械信息化 水平，減少能源消耗，節省人力、物力等資源的投入[20-21

　　（2）施肥作業(yè)的有效完成是保證作物穩產(chǎn)的必要保障，若發(fā)生肥料漏施、少施的情況， 則勢必會(huì )對作物的生長(cháng)有所影響，肥箱中肥料的有效撒播直接決定著(zhù)施肥作業(yè)的效果與效 率，因此實(shí)現對肥箱料位的實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測以及對化肥的及時(shí)補充至關(guān)重要。

　　（3）施肥作業(yè)過(guò)程中，除駕駛人員之外，還配有一名人員在肥箱處，用于對肥箱內化 肥料位的檢測，但人工檢測存在安全風(fēng)險較大，研制該肥箱料位檢測裝置可以替代肥箱處 作業(yè)人員，將其從沒(méi)有安全保護措施的田間勞動(dòng)生產(chǎn)中解放出來(lái)，杜絕潛在的安全隱患。

　　（4）拖拉機后掛施肥機上站立一名人員，對肥箱中肥料余量情況以及施肥作業(yè)效果進(jìn) 行肉眼測量，這是最常用的一種方法，但易受人體主觀(guān)因素及過(guò)往經(jīng)驗影響，檢測結果不 精準。（5）單片機技術(shù)的加入，能大大改善檢測裝置因長(cháng)時(shí)間使用而產(chǎn)生的測量線(xiàn)性誤差 [22],從而顯著(zhù)提高檢測裝置精度與穩定性，使其得以更加精準高效地進(jìn)行肥箱料位實(shí)時(shí)在 線(xiàn)測量的工作。

　　1.3 國內外研究現

　　通過(guò)資料搜集和實(shí)地考察可知，目前國外集檢測、傳輸、記錄為一體的電子裝置相關(guān) 研究和使用推廣情況較為普遍，各領(lǐng)域基本實(shí)現普及；而國內盡管相對于國外實(shí)時(shí)監控技 術(shù)的研究起步較晚，但在農業(yè)機械領(lǐng)域，隨著(zhù)我國的大力發(fā)展以及購買(mǎi)農業(yè)機械的補貼增 加和農業(yè)種植作物的多樣性增加，采用實(shí)時(shí)在線(xiàn)測量技術(shù)的農用檢測裝置也在迅速發(fā)展， 但針對玉米施肥作業(yè)過(guò)程中的肥箱料位檢測技術(shù)仍處于空白狀態(tài)。

　　1.3.1 國外研究現狀

　　因國外作業(yè)情況與我國作業(yè)情況存在巨大差異，用于施肥的農業(yè)機械有所不同，且基 于電容法的檢測原理經(jīng)常用于國外的工業(yè)、農業(yè)、醫學(xué)等其他檢測中：如物料的檢測，利 用被測物料介電常數不同于空氣的特性；如加速度的檢測，根據振蕩器產(chǎn)生信號不同。 2005 年韓國慶北國立大學(xué)機械工程研究生院 J.H. Lee、S.H. Yang 等人使用電容傳感器 測量小型機床中的幾何誤差，對于小型機床而言，難以安裝所需誤差檢測裝置，例如光學(xué) 器件，且由于系統尺寸限制了測量范圍，所以提出一種使用電容傳感器同時(shí)測量多個(gè)幾何 誤差的新系統，并從數學(xué)上推導測量算法，有效地以低成本評估了小型化機床的精度[23].

　　2007 年德國羅斯托克大學(xué) Merkel T 等人設計了一款能夠對流動(dòng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的 平行板電容傳感器。在工作過(guò)程中，隨著(zhù)電場(chǎng)不斷流動(dòng)，傳感器上會(huì )產(chǎn)生一定的壓力，壓 力引起振蕩作用，從而在平行板之間進(jìn)行電容/頻率信號轉換，實(shí)現在線(xiàn)監測電場(chǎng)流動(dòng)功能 [24].2015 年德國烏爾姆大學(xué) Min S.K、Yun B.J 等人設計一款多極板電容傳感器，與單極板 電容傳感器相比，這種類(lèi)型的傳感器具有更穩定的絕緣性能，適用于在線(xiàn)監測螺旋輸送機 構中的固體流動(dòng)，檢測性能良好，測量結果更加精準[25]. 2017 年美國北卡羅來(lái)納大學(xué) W.Helbach 設計一款適用于航天飛行器的精密電容檢測裝 置，裝置利用差值法抵消本底電容的影響，在線(xiàn)測量飛行器內油箱油量，測量精度較高[26]. 2019 年美國某匿名學(xué)者研制一款新型的電容式壓力傳感器，改變傳統電容傳感器缺乏 對微控制技術(shù)的機載調控，實(shí)現將傳感器直接放置在發(fā)動(dòng)機上，承受極端溫度和振動(dòng)，使 傳感器具有承受高溫能力的同時(shí)體積實(shí)現最小化[27]. 國外對于電容法在線(xiàn)檢測技術(shù)檢測過(guò)程的簡(jiǎn)化，以及檢測結果精度的高標準要求，使 其基于電容法檢測技術(shù)的概念十分火熱，在這一領(lǐng)域中，隨著(zhù)傳統電容檢測手段不能達到 行業(yè)標準所需檢測精度，國外不斷結合現代化技術(shù)手段和最新科技開(kāi)發(fā)新型電容檢測手段。

　　1.3.2 國內研究現狀

　　我國作為一個(gè)農業(yè)大國，盡管有關(guān)農業(yè)信息化技術(shù)的研究相對國外起步較晚，但我國 仍視農業(yè)新技術(shù)的研發(fā)為重點(diǎn)。在"十三五"期間，國家下發(fā)了多項有關(guān)農業(yè)產(chǎn)業(yè)改革政 策，并開(kāi)展了相應科研項目，以加強現代化農業(yè)的發(fā)展和壯大。所以近年來(lái)，在國家的大 力支持下，國內多家研發(fā)企業(yè)有關(guān)在線(xiàn)檢測裝置也相繼研發(fā)成功，特別是在故障提示、聲 光報警等方面。但與國外先進(jìn)水平相比，我國在線(xiàn)檢測技術(shù)的研發(fā)仍有待進(jìn)一步提升。 2005 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫立寧采用一種改良后的電容式檢測方法對物料高度進(jìn)行在 線(xiàn)測量，但由于電容微位移過(guò)程中產(chǎn)生的微小誤差，導致試驗結果存在非線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò) 改良電容運算放大器電路，提高測量精度[28].

　　2007 年西北農林科技大學(xué)楊修波設計一種應用于精密播種機上的監控系統，在 CAN 總線(xiàn)技術(shù)的基礎上，通過(guò)對漏播現象的聲光報警提示和自動(dòng)補償播種，提高播種機播種實(shí) 時(shí)性、可靠性和抗干擾能力[29]. 2010 年南華大學(xué)朱衛華，劉國穩等人設計一種基于微處理器的寬量程全自動(dòng)電容測量 儀。通過(guò)測量電容器相應諧振電路產(chǎn)生的信號頻率或周期實(shí)現電容值的高精度檢測，該儀 器能夠自動(dòng)測量 1pF-1000uF 范圍的電容參數。但是該技術(shù)存在明顯缺點(diǎn)：如果在測量過(guò)程 中切換量程，則切換處的分辨率會(huì )很差，導致較大誤差[30]. 2011 年北京大學(xué)苑嚴偉通過(guò)利用基于稱(chēng)質(zhì)量法和電容法的檢測技術(shù)，結合伺服電機與 霍爾傳感器設計了玉米免耕播種施肥機作業(yè)監測系統。通過(guò)傳感器采集行走速度，電機帶 動(dòng)排肥軸、排種軸轉動(dòng)，實(shí)現變量播種和變量施肥，最后通過(guò)串口將采集到的數據傳輸至 上位機控制軟件，記錄信息[31].

　　2012 年中國農業(yè)大學(xué)周利明利用電容傳感器捕獲種子運動(dòng)信息，并通過(guò)設計電容檢測 電路實(shí)現對種子流量的峰值脈沖間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取，判斷漏播、重播，提高播種機作業(yè)時(shí) 對于播種量、漏播量和重播量的在線(xiàn)檢測精度[32]. 2013 年天津大學(xué)郝剛等人研究了一種基于單片機的液滴電容信號處理方法，在單片機 上編程完成電容信號的濾波、歸一化等軟件處理過(guò)程，并設計零相位巴特沃斯濾波器對電 容信號進(jìn)行數字濾波，結合鄰域比較法與閾值檢測法完成信號的周期劃分，最后得到的電 容信號圖用于構建液滴指紋圖[33]. 2014 年南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院鄭江濤等人研發(fā)了基于單片機的在線(xiàn)油質(zhì)監測系 統。當潤滑油被污染或自身逐漸劣變時(shí)，其介電常數會(huì )發(fā)生相應變化，并通過(guò)電容型傳感 器的電容值變化進(jìn)行反映[34].

　　2016 年河北科技大學(xué)李蕊研究設計了一款適應多種介質(zhì)改變，能夠達到液位精確檢測 的自適應復合多層掃描式電容傳感器。在保證傳統電容式液位傳感器各項性能基礎上，有 效去除雜散電容，并利用差分算法對液位值進(jìn)行計算[35]. 2017 年哈爾濱理工大學(xué)柴大林對煤油泄露采取電容法檢測，通過(guò)電容值的變化反映電 容傳感器極板間待測介質(zhì)的介電常數，按照設定的判據就可判定是否發(fā)生煤油泄露[36]. 基于目前國內技術(shù)，我國對電容檢測法的認知還不夠深刻，盡管它的優(yōu)點(diǎn)十分顯著(zhù)， 但目前我國還沒(méi)有研發(fā)出精度高，分辨率強，穩定性好的電容法檢測裝置。針對電容量程 變化量較小的物料測量，更是沒(méi)有一套成熟的系統可以實(shí)現。

　　1.3.2 國內研究現狀

　　1.4 主要研究?jì)热莺头椒?/p>

　　1.4.1 研究?jì)热?/p>

　　1.4.2 研究方法

　　1.5 技術(shù)路線(xiàn)

　　2 檢測裝置電容極板分析

　　2.1 電場(chǎng)仿真

　　2.2 極板材料選擇

　　2.3 極板模型建立

　　2.3.1 極板尺寸計算

　　2.3.2 極板形狀分析

　　2.3.3 試驗與數據分析

　　2.4 極板安裝結構驗證

　　2.5 本章小結

　　3 檢測裝置硬件系統

　　3.1 設計方案

　　3.2 STC12C5A60S2 單片機

　　3.3 硬件測量電路模型搭建

　　3.3.1 晶振與復位電路

　　3.3.2 C/F 轉換電路

　　3.3.3 LED 顯示驅動(dòng)電路

　　3.3.4 檢測電路原理圖

　　3.4 本章小結

　　4 檢測裝置軟件系統

　　4.1 系統功能結構

　　4.2 系統程序

　　4.2.1 電容數據處理程序

　　4.2.2 串口通信程序

　　4.2.3 數碼管顯示程序

　　4.2.4 主程序

　　4.3 軟硬件聯(lián)合仿真調試

　　4.3.1 在線(xiàn)動(dòng)態(tài)調試

　　4.3.2 CAN 總線(xiàn)通信調試

　　4.4 本章小結

　　5 檢測裝置的性能測試試驗

　　5.1 室內臺架試驗

　　5.1.1 試驗平臺搭建

　　5.1.2 試驗測試條件

　　5.1.3 試驗數據采集

　　5.1.4 靈敏度測試

　　5.1.5 線(xiàn)性度測試

　　5.2 溫度影響試驗

　　5.2.1 試驗目的

　　5.2.2 試驗時(shí)間、地點(diǎn)及材料

　　5.2.3 試驗數據采集

　　5.2.4 試驗數據分析

　　5.3 田間作業(yè)試驗

　　9 5.3.1 試驗時(shí)間、地點(diǎn)及材料

　　5.3.2 試驗數據采集

　　5.3.3 試驗數據分析

　　9 5.4 本章小結

　　6 結論與展望

　　6.1 結論

　　本文在綜合分析國內外相關(guān)電容檢測法，與控制系統的研究現狀基礎上，針對我國目 前對于電容量程變化量較小的物料料位檢測技術(shù)還沒(méi)有研發(fā)出一套成熟、精度高、穩定性 好的系統這一問(wèn)題，通過(guò)對田間施肥作業(yè)要求以及肥箱中肥料料位高度在線(xiàn)測量的總體方 案可行性分析，構建硬件模擬電路和肥箱料位檢測程序，借助軟硬件聯(lián)合仿真調試，設計 一款基于單片機的肥箱料位檢測裝置，替代傳統施肥作業(yè)過(guò)程中人工檢測肥箱料位高度。

　　（1）本裝置將肥箱料位變化轉變?yōu)殡娙葑兓�，將電容變化轉變?yōu)槊}沖頻率變化，由于 肥箱料位檢測裝置電容極板采集到的電容信號很小、很微弱，為 pF 級別，對于微小電容 的檢測本裝置采用電容/頻率轉換集成電路，將微不可見(jiàn)的電容信號變化轉變?yōu)橹庇^(guān)性強的 頻率數字信號變化。

　　（2）通過(guò)對溫度影響試驗的數據及曲線(xiàn)分析，得出顯示值變化原因，并具體分析檢測 裝置內部所含電阻溫度系數與極板電容值隨溫度的變化趨勢，增加使用溫度傳感器，對溫 度進(jìn)行校正補償，提高裝置檢測精度。

　　（3）不同肥料的配比導致形成介電常數不同，影響裝置檢測數據。在田間作業(yè)試驗中， 試驗材料為復合肥（磷酸二銨、尿素、硫酸鉀），與室內臺架試驗所用單一尿素不同，故 需在田間作業(yè)前，重新校準裝置參數 K 值與參數 B 值，并將驗證后的新參數，在觸控屏上 進(jìn)行手動(dòng)標定。

　　試驗結果表明：研究設計的裝置滿(mǎn)足臺架試驗中以尿素為試驗材料的性能測試，并通 過(guò)搭建的室內試驗平臺對肥箱料位檢測裝置的靈敏度、線(xiàn)性度進(jìn)行了測試，得到檢測裝置 的靈敏度約為 0.1931pF/mm,線(xiàn)性度約為±3.09%;田間作業(yè)時(shí)，利用復合肥進(jìn)行性能測試， 通過(guò)對裝置參數值的重新標定、校準，得到參數 K 值為 45,參數 B 值為 1730,經(jīng)試驗驗 證，得到肥箱料位檢測裝置絕對誤差值約為 0.47kHz,相對誤差值約為 2.19%,初步達到預 期檢測標準。

　　6.2 創(chuàng )新點(diǎn)

　　目前農場(chǎng)采用人工對肥箱料位進(jìn)行監測，未發(fā)現有關(guān)肥箱料位檢測裝置的研究，類(lèi)似 的項目還沒(méi)有人做過(guò)，研究基于單片機的肥箱料位檢測裝置，實(shí)時(shí)性高，節省人力，填補 了國內在這方面研究的空白。 探究了不同溫度條件對肥箱料位檢測值的影響，具體研究檢測裝置內部所含電阻的溫 度系數和極板電容值隨溫度的變化趨勢，并增加溫度傳感器，對田間作業(yè)溫度進(jìn)行校正補 償，保證檢測數據有效可靠。

　　6.3 展望

　　在做電容式料位檢測裝置時(shí)，應考慮以下兩個(gè)方面：

　　（1）在電路板上進(jìn)行電容測量采 集線(xiàn)路布線(xiàn)時(shí)，為了將寄生電容對測試結果的影響降至最低，就要減少線(xiàn)路的交叉或者直 角交叉；

　　（2）在電容測量采集電路的輸入端，連接有兩根導線(xiàn)，這兩根導線(xiàn)應盡量選用細 導線(xiàn)并減小其長(cháng)度、增大它們之間的距離，這些措施能夠顯著(zhù)減小兩根導線(xiàn)間的電容，從 而減小零漂。 當然，檢測裝置也存在一些待改進(jìn)之處，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

　　1.為驗證檢測裝置是否具有較強通用性，可利用不同尺寸和材質(zhì)的化肥箱進(jìn)行對比試 驗，今后可考慮設計與該肥箱料位檢測裝置相匹配的最佳尺寸和材質(zhì)的化肥箱。

　　2.深度開(kāi)展溫度因素對肥箱料位檢測裝置的影響試驗，探究電阻的溫度系數導致電阻 隨溫度的變化趨勢，并與極板電容值受溫度影響的變化趨勢進(jìn)行對比分析。 　　3.由于田間作業(yè)時(shí)路況顛簸，裝置產(chǎn)生較大震動(dòng)，考慮分析田間震動(dòng)對電容器極板采 集信號的影響，以期進(jìn)一步提高檢測裝置精度與穩定性。

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