发明内容

本发明主要针对研究背景中所存在的不足，为提高种箱料位监测系统的监测精度和系统可靠性，实现对播种机在播种对种箱的料位实时监测，当种箱接近排空时，及时向操作人员发出报警，提示操作人员停车补种，避免由于排种器种箱排空而导致大面积漏播的发生。本发明主要是基于电容式传感器设计出一种非接触式种箱料位的实时监测系统。

本发明非接触式种箱料位实时监测系统，主要包括电容式传感器、电容采集模块、单片机模块、电源模块和报警模块组成，其特征在于电容式传感器的极板结构为平行对置式极板结构，电容极板两端分别与电容采集模块的激励端口EXCA和∑—△调制器的输入端，通过同轴接口和屏蔽导线与电容采集模块连接，屏蔽导线和同轴接口的屏蔽端与PCB接地端连接，借助于Pcap02芯片的寄生电容补偿功能实现外部寄生电容的自动补偿，以避免外部寄生电容对电容测量精度的影响。电容采集模块分别与单片机控制模块和电压转换模块连接，其中电容采集模块中的电容数字转换芯片Pcap02通过I²C总线与单片机控制模块进行连接，实现编程和数据输出。单片机控制模块分别电源模块与上位机连接，电源模块主要由车载±12V的稳压电源和LM7805和LM1117芯片所组成的电压转换模块组成，其中LM7805电压转换电路可将车载±12V的稳压电源转换并稳定输出5V电压，LM1117电压转换电路可将5V电压转换并稳定输出为3.3V电压，以保证单片机模块和电容采集模块的正常工作。LM7805和LM1117芯片所组成的电压转换模块适于排种器的田间工作温度，可以保证排种器排种实时监测系统的正常工作。上位机设有触摸屏作为人机交互的终端，通过虚拟仪器的界面实时获取种箱的料位情况。

电容式传感器，该装置由平行对置式的极板组成，用于产生稳定的电场，形成电容传感器的检测区域。本发明的电容传感器安装在种箱两侧，为满足电容传感器的工作要求，电容传感器的位置参数和尺寸参数极其重要，其中主要包括极板的间距d、极板的长度L、极板的厚度B和极板的宽度W。如附图5所示，。电容传感器极板两端分别与电容采集模块的激励端口EXCA和∑—△调制器的输入端，通过同轴接口和屏蔽导线与电容采集模块连接，屏蔽导线和同轴接口的屏蔽端与PCB接地端连接，借助于Pcap02芯片的寄生电容补偿功能实现外部寄生电容的自动补偿，以避免外部寄生电容对电容测量精度的影响。平行对置式极板电容式传感器的检测原理为：如附图2所示，在播种过程中，种箱的料位随播种进度的进行不断下降，电容传感器的检测空间内的种子和空气的占比也随之变化，由于电容传感器检测区域等效介电常数的变化，所以电容传感器的电容值也发生变化，具体变化过程如下：

其中C为电容传感器的电容量，F; 为电容传感器等效介电常数，F/m；S为极板那面积,m²；d为极板间距，m。

当种箱内种子料位改变时，极板间种子和空气所占的体积V₁、V₂发生改变，则极板间的等效介电常数发生改变，进而电容传感器的电容值发生变化：

其中其中，V、V₁和V₂分别为电容极板间检测场总体积、种子体积和空气所占体积，、分别为空气和种子的介电常数，则此时的电容传感器的电容量为：

则种箱无种子时，极板的电容可表示为：

当种箱中种子料位下降时,极板的电容量可表示为：

单片机控制模块，该模块主要

电容采集模块，该模块主要由德国acam公司的电容测量芯片Pcap02所组成的电路,该芯片的转换时间范围最小可达到2us的高精度时间转换，测量范围为几皮法至几百纳法，测量精度最高可以达到15aF。该芯片可以通过单一接地和差动连接两种方式，对内部寄生电容进行补偿，另一方面通过内部集成的温度传感器和外接传感器可以实现温度补偿。该芯片外部电路简单，可以克服系统内部寄生电容。电容采集模块主要实时采集极板的电容值，并将测量结果存于相应的结果寄存器中。播种器在播种过程中，种箱的料位会不断下降，同时极板间检测空间的等效介电常数也会随之改变，因此电容极板的电容值会发生变化，由于不同料位时极板电容量不同，所以通过检测极板的电容量，就可以确定种箱料位的情况。

本发明设计的非接触式种箱料位实时监测系统与光电式种箱料位监测系统相比，系统的性能更加稳定。本发明非接触式种箱料位实时监测系统中的平行对置式极板的电容传感器的监测区域为平行极板间的矩形空间，在播种机进行播种作业时，种箱中的料位会不断下降，这时种子和空气共同充当了极板间的介质，因空气和种子的体积占比不断变化，所以极板间的等效介电常数也不断变化，从而引起检测空间电容值的改变，根据电容采集模块检测到的电容值即可进一步判断种箱中的料位情况。

平行对置式极板电容式传感器的检测原理为：如附图2所示，在播种过程中，种箱的料位随播种进度的进行不断下降，电容传感器的检测空间内的种子和空气的占比也随之变化，由于电容传感器检测区域等效介电常数的变化，所以电容传感器的电容值也发生变化，具体变化过程如下：

其中C为电容传感器的电容量，F; 为电容传感器等效介电常数，F/m；S为极板那面积,m²；d为极板间距，m。

当种箱内种子料位改变时，极板间种子和空气所占的体积V₁、V₂发生改变，则极板间的等效介电常数发生改变，进而电容传感器的电容值发生变化：

其中其中，V、V₁和V₂分别为电容极板间检测场总体积、种子体积和空气所占体积，、分别为空气和种子的介电常数，则此时的电容传感器的电容量为：

则种箱无种子时，极板的电容可表示为：

当种箱中种子料位下降时,极板的电容量可表示为：

单片机控制模块，该模块主要由STM32系列的控制芯片所组成的单片机电路所组成，该电路组成主要包括由单片机晶振电路、单片机复位电路、JTAG接口电路、电源接口电路和蜂鸣器报警电路组成。该模块主要通过I₂C总线实现对测量结果的读取，对电容采集模块的编程，同时进行数据处理，同时将数据通过串口通信模块上传给上位机。

电源模块，该模块主要由车载±12V的稳压电源和由LM7805芯片和LM1117芯片所组成的电压转换模块组成，LM7805芯片固定输出电压为5V,内部集成有过流和过载电路，其正常工作温度范围为-40℃~125℃，LM1117芯片固定输出电压为3.3V时，具有1%的精度，其正常工作温度范围为-40℃~125℃，适于播种机的田间应用作业。LM7805电压转换电路可将车载±12V的稳压电源转换，稳定输出5V电压。LM1117电压转换电路可将5V电压转换稳定输出为3.3V电压，以保证单片机模块和电容采集模块的正常工作。

电源模块，该模块主要由车载±12V的稳压电源供电，±12V的电压通过LM7805芯片进行降压稳压，稳定输出5V的电压，然后再与LM1117芯片所组成的电压转换模块连接，经LM1117芯片稳定输出电压3.3V，分别为单片机模块和电容采集模块供电。

USB串口通信模块，该模块属于USB转TTL232模块，利用USB串口通讯模块完成单片机与PC机的串口通信。该模块的主要功能是实现单片机和PC机的通信。

一种非接触式种箱料位实时监测系统，包括：

对电容式传感器即平行对置式电容极板的电容值进行实时检测；

单片机控制电容采集芯片完成电容传感器的数据采集，并通过系统内部将电容信号转换为数字信号；

电容采集模块通过I²C总线将采集到的数据传输给单片机，单片机控制模块将采集到的数据进行处理分析；

单片机根据在电容采集模块所采集到的极板电容值的变化量，确定种箱内料位的情况，并将采集的电容数据通过USB通讯模块传输至上位机；

单片机根据数据处理结果，若判断出种箱料位接近排空则及时控制蜂鸣器报警电路，向操作人员发出报警提示。

上位机虚拟仪器软件的程序设计是播种机种箱的实时监测系统的重点，其主要包括数据通讯、运算处理、种箱料位的显示、种箱排空故障报警提示等功能。

本发明所述的非接触式种箱料位实时监测系统，通过单片机控制电容采集模块完成电容传感器的数据采集，并通过单片机处理所采集到的电容变化量，从而能进一步获取种箱料位，并且单片机可控制蜂鸣器报警电路向操作者发出报警提示。单片机将处理后的数据结果通过USB通讯模块上传至上位机，上位机通过虚拟仪器软件Labview，将接收的电容值数据处理分析得出种箱料位的情况，并针对排种器种箱临近排空，向操作人员发出报警提示，避免由于种箱排空而导致大面积漏播。