光电式容积谷物流量传感器的设计
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引言：农业是支撑国民经济发展的重要基础。
目前，我国农业已经进入了一个新的历史发展阶段，农业生产将处于主要依靠科技进步加速农业结构调整、改善农产品品种品质、迅速增加农民收入、提高农业整体效益、改善生态环境以及大力提高农产品市场竞争力的新时期。
随着中国加入WTO、经济全球一体化、市场国际化进程的日益加快，科技创新的作用更加突出，技术含量低的农产品市场竞争力将越来越弱，我国农业产品的市场实力和缺乏竞争力的农业企业将面临世界范围的巨大冲击和威胁。
因此，在很大程度上就是要求以现代技术，特别是高新技术改造和替代传统的农业技术体系。
由依靠常规技术和资源密集型或劳动密集型为主的生产方式，转变到依靠科技进步，利用高新技术和现代工业技术装备农业，提高资源产出率和劳动生产率，实现可控条件下高效益集约化的可持续发展的生产方式。
“精细农作”这一概念正是在时代和农业科学化的发展要求中产生的。
“精细农作”是基于信息和知识进行作物生产管理的现代农田精耕细作技术。
其核心是根据作物实际需要确定化肥、农药等的投入，达到节约成本、提高产量、减少污染的目的。
获取农作物小区产量信息，建立小区产量空间分布图，是实施“精细农作”的起点，也是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措施的基础。
在支持精细农作的农业机械装备技术创新中，应用发展最快的当属带产量监视器的谷物联合收割机，而整个测产系统的核心就是安置在谷物联合收割机上的谷物流量传感器。
光电式容积谷物流量传感器在设定时间间隔内或机器对应作业形成间距内自动机量累计产量，再换算为对应时间间隔内作业在积的单位面积产量。
目前Case和John Deere公司在北美生产的谷物联合收割机超过50%~70%产品已带有谷物流量传感器，这一比例仍有上升趋势。
综观国内外，应用的谷类作物产量传感器主要有：冲量式流量传感器，γ射线式传感器和光电式流量传感器。
在美国Micro Track公司，CASEIH公司和AgLeader公司的联合收获机谷物产量监测系统中的谷物流量传感器都是基于冲量式流量测量原理。
冲量式流量传感器基于冲击原理，当谷物流冲击感力板时会改变运动方向，造成冲量的变化，在感力板上反映为力的变化，检测该变化即可得到谷物流量值。
该测量方法的精度取决于集谷搅笼的速度、谷物类型和粮食的湿度。
冲击式流量传感器虽然使用安全、应用广泛但是安装调试困难，不利于我国农业结构调整中技术的推广与应用。
γ射线式流量传感器虽然可以得到较高的测量精度，但是它造价高，且对操作者的人身健康可能造成潜在伤害，限制了其推广。
改进的光电式容积谷物流量传感器结构简单，安装调试容易，采用更新工艺的芯片和技术，并且加入LCD液晶显示和键盘操作，可实现对一些数据的输入和控制，将系统的人机界面加以改善，这样不仅使传感器的使用更加人性化和易操作化，而且还提高了系统的处理效率。
为便于对产量进行实时监测和管理，光电式容积谷物流量传感器设计加入了单片机与计算机之间的通讯。
光电式容积谷物流量传感器的设计在一定程度上提升产品的功能、降低产品的成本、简化操作、方便使用、增强了本产品在同类或其它相似产品市场中的竞争力，降低谷物产量监测体系的投资费用，便于技术的推广和应用。
适合我国农业可持续化以及农业科学化发展的要求。
1 光电式容积谷物流量传感器工作原理1.1 基本结构光电式容积谷物流量传感器的基本组成为对射式光电开关、电缆、稳压电路、信号的采集电路、信号处理电路、通信电路、显示电路和键盘操作电路。
该传感器放置在联合收获机的谷物升运器的两侧，见图1谷物升运器和光电容积式流量传感器。
图1 谷物升运器和光电容积式流量传感器收割机内完成脱粒作业的谷粒，由升运器上升刮板运送到谷仓中，在谷物输送过程中，由于谷物具有一定的体积，当谷物通过对射式光电开关之间时，阻碍了对射式光电开关接收端对反射所发出光线的接收，使接收端输出电压发生高低电平的变化。
这样就可根据挡光时间来判断谷物的流量，从而实现对谷物流量的测量。
谷物体积越大，光被阻断的时间就越长。
通过标定可将所测得的阻断的时间转变为谷物质量流量值，从而测得单位时间内谷物联合收获机收获的谷物的多少。
2 光电式容积谷物流量传感器硬件设计硬件电路的设计是整个系统的主体，设计的好坏直接影响到整个系统是否可行、是否能够实现各功能、是否能够正常的运行。
硬件电路部分由稳压电路、信号的调理模块、信号的处理模块、显示模块、键盘操作模块和通讯模块组成。
如图2硬件电路组成框图(a)、(b)所示。
（a）（b）图 2 硬件电路组成框图2.1 电源的引入稳压电路负责对信号调理电路、信号处理电路、液晶显示电路和与计算机的通讯电路提供稳定的输入电压。
如图2硬件电路组成框图中(b)所示。
因此在单片机控制系统中，供电电源系统的性能对保证整个系统的安全、可靠、稳定地运行至关重要。
对于本设计而言，直流稳压电源可以采用分立元件设计，但集成稳压器具有体积小、可靠性高、成本低、使用方便等优点，所以设计采用集成稳压器。
系统的电源部分采用的是12V的蓄电池供电，用它直接作为传感系统的供电电源，而系统的供电则是其通过稳压电路输出稳定的5V电压。
根据设计系统所要求的输出电压和电流值，选用W7805较合适。
W7805三端输出固定式集成稳压器的性能及参数：输出电压5V，最大输入电压35V，最大输出电流2.2A，最小输入输出电压2V，差电压调整率0.1%～0.2%，纹波抑制比63dB。
其接线图如下所示。
图3 W7805稳压器接线图2.2 对射式光电开关图4 对射式光电开关原理图本设计采用的传感器为对射式光电开关。
它的优点在于输出信号是开关量，可以直接由单片机处理，不需要中间的放大、模数转换等处理，而且测量精度高，响应时间快，因此测量数据精确。
对射式光电开关原理图如图4所示。
2.3 信号的调理模块设计信号调理电路主要用于对采集的信号进行处理，从而得到理想的结果。
信号是从传感器中输出来的，光电式传感器的工作电流是25mA，工作电压是直流+5V，常闭型的。
当有物体通过遮挡光线时输出电平是0V的，而平时接通时输出电平为+5V。
由于信号在实际的工作中不能始终保持平稳输出，有可能掺杂一些三角波，因此为了去除这些噪声，将光电式传感器输出的信号连接到由555芯片所构成的施密特触发电路上，从而使输入端的电平即使在变化时也能够是方波输出，有利于单片机的接收工作。
电路连接如图5信号调理电路所示。
图5 信号调理电路2.4 信号处理模块设计目前应用的单片机主流产品基本上都是MCS-51内核系列兼容的单片机（典型产品有8031、8051和8751等通用产品）。
本设计处理器选用的是在工艺上进行了改进的AT89S51单片机。
2.4.1 AT89S51单片机的特点89S51具有ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
它的工作频率为33MHz，与其它芯片相比AT89S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
它还具有双工UART串行通道、双数据指示器和电源关闭标识。
内部集成看门狗计时器，不再需要外接看门狗计时器单元电路。
采用了全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
兼容性方面，向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品，在89S51上一样可以照常运行。
AT89S51在工艺上进行了改进，采用0.35新工艺，即使成本得到了降低,又将功能加以提升，增加了竞争力。
2.4.2 AT89S51单片机的引脚功能AT89S51具有40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
外接振荡电路作为CPU的时钟来源电路如图6所示，为XTAL1与XTAL2两个引角上提供12MHz参考频率，保证单片机机器周期为1微秒。
单片机常采用的复位方式有两种：上电自动复位与按键复位方式。
在本设计中采用上电复位方式，当电路供电时，单片机自动执行复位。
由光电传感器输出的信号通过555整形后接入到AT89S51的P0．0口，此时P0．0（39管脚）作为信号的输入口使用。
软件中选取查询方式，循环采集P0．0口接收的数据。
当接收信号为低电平时，进入控制子程序，进行时间的计算。
单片机的P2.4、P2.5、P2.6和P2.7口均作为信号的输出口使用，控制HD44780把从单片机中接收到的数据显示在LCD上。
P0.6口接LED指示灯，指示显示模块工作与否。
同时单片机还要实现键盘的操作功能和与计算机通讯的功能，因此还分别用到了P1.0～P1.7(1～8管脚)、P3.2(12管脚，用于中断服务程序)以及串行通讯的输入口RXD（10管脚）和输出口TXD（11管脚），来传输数据。
如图6处理模块电路图所示。
图6 处理模块电路图2.5键盘操作模块设计2.5.1键盘操作模块的功能键盘操作模块其功能主要是用于技术推广中农户或现场技术人员粗略地计算谷物联合收获机收获的谷物的多少。
2.5.2 键盘操作模块的构成键盘操作模块利用单片机的P1.0～P1.7采用行列式结构构成矩阵式键盘，按键设置在行列的交点上。
P1.0、P1.1、P1.2和P1.3四根口线定义为列线，P1.4、P1.5、P1.6和P1.7四根口线定义为行线，形成4×4键盘，配置成16个按键。
键盘接口电路如图7。
如图所示，“0～9”键为数字键，按下键后在显示屏上从左到右显示键入的数字。
“＋、－、×”键为运算键，按下运算键后中断时被保护的累加计时值与键入的数值进行相应运算键所表示的运算。
按下“=”键后显示计算结果。
“CLR”键为清“0”键，按下后清除液晶屏上的数值并显示“0”，等待下一次的输入或操作。
“RET”键为返回键，按下“RET”键执行指令跳出中断，返回主程序，液晶屏上继续显示单片机累计的计时值。
图7 键盘模块电路图2.6 显示模块设计液晶显示器以其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
液晶显示器通常可分为两大类，一类是点阵型，另一类是字符型。
点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形；而一般的字符型液晶只有两行，面积小，只能显示字符和一些很简单的图形，简单易控制且成本低。
