果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的研制邹建军，曾爱军，何雄奎※，刘亚佳，宋晓光，郭宇波(中国农业大学植保机械与施药技术研究中心，北京)摘要：针对目前果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统易受环境影响、工作不稳定、探测距离近的缺陷，研制了一种由集成电路构成的果园自动对靶喷雾机红外探测系统。结果表明：系统的探测距离为o～6．15m，最小识别间距小于0．3m；系统工作稳定、灵敏度高、体积小、不受自然光的干扰。关键词：对靶喷雾；光电探测；集成电路中图分类号：S123文献标识码：B文章编号：1002—6819(2007)1-0129一04邹建军，曾爱军，何雄奎，等．果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的研制EJ3．农业工程学报，2007，23(1)：129—132．ZouJianjun，ZengAijun，HeXiongkui，et a1．Research and development of infrared detection system for automatic target sprayer used in orchardEJ]．Transactions of theCSAE，2007，23(1)：129—132．(inChinese withEnglish abstract)0引言果园中最主要的管理作业是病虫害防治，据调查统计，果树在一年中的生长期内要喷施农药8～15次[1J。而目前在中国主要还是使用手动踏板式喷雾器和高压喷枪，并且采用大容量淋洗式连续施药方法，这种粗放落后的药械和施药方法使得农药利用率及作业效率都非常低，果树枝叶上的农药沉积率只有15％～20％，80％～85％[1]的农药流失至周围环境之中，造成了农药的严重浪费和环境的严重污染；同时农产品的农药残留量严重超标，严重影响了中国的农产品的出口和农业的发展。近年来为了促进中国农业的发展，提升农产品在国际市场上的竞争力，果园农药精准喷雾技术得到了发展。精确喷雾就是根据农作物或果树对象的不同特征信息即时的改变喷药量即变量喷施农药。目前这种技术主要分为两类，一类是基于地图(Map based)，另一类是基于实时传感器技术(Real time sensor technology)。精准喷雾在果园中的应用主要是依据收集到的果树树冠图像、激光、超声波以及红外光信号，判断果树形状、位置，控制喷嘴位置和喷雾电磁阀开启的对靶喷雾(Target—Activated spraying)和基于树冠形状的仿形喷雾(Profile modeling spraying)。精确喷雾不仅大幅度减少了农药用量，同时也大大提高了农药有效利用率，极大地减少或基本消除了农药喷到靶标以外的可能性，降低了农药对环境的污染，是农药使用技术的发展方向¨J。目前在中国果园农药精准喷雾技术发展还不完善，大多还停留在实验室研究阶段，还没有产品形成产业化进入大规模的实际生产应用当中。红外线是一种不町见光，町以有效地防止周围可见光的干扰，进行无接触探测，不损伤被测物体，红外线自收稿日期：2006—04—01修订日期：2006—07—12基金项目：国家863计划(2003AA)作者简介：邹建军(1976一)，男，安徽省怀宁县人，北京中国农业大学农业与生物技术学院，。Email：yunjun999@126．com※通讯作者：何雄奎，教授，博士生导师，北京市海淀区圆明园西路2号中国农业大学植保机械与施药技术研究中心，。Email：xiongkui@cau．edu．ell动对靶喷雾技术的原理就是利用红外线光电探测器红外发射管发射出一种红外线照射到作物，经过反射回来的红外线被光电探测系统的接收器接收，确定目标位置，发出信号给控制系统，控制相应的喷头进行喷雾作业。红外线自动对靶喷雾技术研制成本低、产品极易商品化，适合中国国情，缓解中国传统的施药作业中生产与环境污染的矛盾，是促进中国农业可持续发展和提高水果产业化水平的有效手段之一。本文利用集成电路BA5104、BA5204及一体化红外接收头HS0038B设计了果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统，该系统外围器件少、电路简单、系统稳定、灵敏度高、体积小、不受自然光的干扰。其工作原理框图如图1。图1红外探测控制系统工作原理框图Fig．1Theoretical diagram of infrared detection control system1果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的电路设计该红外探测控制系统采用漫反射型红外光电探测方法，采用了八通道红外线编码和解码专用集成电路BA5104和BA5204。BA5104／BA5204均采用CMOS工艺制成，静态功耗极低。载波频率设计为38 kHz，工作电压范围为2．5V一5V，其中130农业工程学报2007年BA5104为编码发射专用集成电路，如图2a，它能发射6个持续信号及2个单次信号，故具有8个独立通道的编码控制功能，其中C1、C2为用户编码端，接地代表“1”，浮空代表“0”，用户可通过C1、C2端编写出4个不同的密码，又可作重锁开关使用。K1～K6为持续电平控制端，当其中任一个为低电平时，即发射相应的编码信号去控制接收电路，当端口为高电平时，则发射信号停止；K7、K8为单次电平控制端，接低电平时，能发射一次信号，使接收电路相对应的输出端电平翻转(即双稳态)；OSCl、OSC2为外接晶振端，使用455K的陶瓷晶体振荡器；LED为外接发光二极管输出端，用来指示发射信号；D0为编码信号输出端，外接三极管能驱动红外线发射二极管向外辐射红外信号。BA5204为红外线接收译码专用集成电路，如图2b。它能译出由BA5104发送来的编码信号，并使相应的输出端按预定的程序工作。其中Dl是解调信号输入端；HPl～HP6为持续电平输出端(与BA5104的KI～K6相对应)；CPl、CP2为单次电平输出端(与BA5104的K7、K8相对应)；C1、C2是用户编码端(与BA5104的c1、C2相对应且设置应一致)；OSC为外接RC振荡元件端。本红外探测控制系统由BA5104构成红外线编码发射电路、BA5204及一体化红外接收头HS0038B构成红外线接收解码电路和由继电器构成输出电路三部分组成。果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统电路原理图如图3所示。辨雏掰雾 a．BA5104 b．BA5204图2集成电路引脚排列图Fig．2Pin configuration ofIC图3果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统电路原理图Fig．3Theoretical diagram of control system for infrared photoelectric automatic target spraying发射电路如图3左半部所示。图中编码集成电路ICl为BA5104。当按下K1的控制键开关s1，由BA5104的⑩、⑩脚所接内部时钟电路与外接455 kHz晶振、电容C2、C3组成的振荡电路起振工作，经电路内部整形分频产生38 kHz载频。ICl将K1及ICl的用户编码输人端①脚C1、②脚C2输入的数据进行编码。由ICl⑤脚DO端串行输出，经三极管Q1、Q2复合放大后驱动红外发射管IR发送出调制载波红外线脉冲信号。④脚为发射状态显示输出端，当红外发射管IR向外发射红外信号时有高电平输出。LEDl亮。反之不亮。⑩脚VDD接IC4的⑧脚输出的5V。⑧脚VSS接地。接收解码电路如图3中IC3及外围电路所示采用的是一体化红外接收头HS0038B，其特点是体积小、抗光和电的干扰性强，输出信号没有突变以及上电初始化时间短等。另外HS0038B内部已经集成了光电转换、放大装置和解调电路。当红外发射管IR发射出的红外线脉冲信号经过靶标反射被一体化红外接收头HS0038B接收，红外信号由其完成前置放大、载波选频、脉冲解调，并以IC3的①脚输出低电平。经Q3反相后，作用于解码电路图3中IC2(BA5204)的②脚DI端，⑩脚VDD接IC5的②脚输出的+3．3V，①脚VSS接地。输入信号经BA5204内部进行比较、解码后，由IC2的③脚(HPl)输出相应的控制信号即输出持续高电平信号，当IC3没有接收到红外脉冲信号，则HPl输出低电平。输出电路如图3。开关s2接在①脚上，此时当HPl输出高电平则通过Q4使输出电路的继电器K1吸合，此时电磁阀被接通打开喷头开始喷雾，当HPl输出低电平，则继电器断开，电磁阀被关闭喷头停止喷雾。当关闭开关s1，红外发射电路停止发射红外脉冲信号，此时将开关s2接在2脚上，则Q4的基极一直输入的是IC5的②脚输出的+3．3V高电平，继电器吸合，电磁阀被打开喷头喷雾，即在开关Sl断开系统停止发射光信号进行自动探测的情况下，可以通过开关s2的开合来实现人为手动操第1期邹建军等：果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的研制131作控制足否喷雾。本探测电路的红外发射管和接收头均分别加装上凸透镜。因为红外线具有可见光相似的特性6，如反射、折射、干涉、衍射等。红外光学系统就是用来重新改善光束的分布，更有效地利用光能，如图4所示。Sl凸透镜用于红外光发射管，聚集红外光辐射能量，形成有确定方向的辐射光束；S2凸透镜用于会聚反射回来的红外光能量到接收头的灵敏面上。由于加装了凸透镜光学系统所以大大提高了接收头受光面上的照度，增大了系统的探测能力。Sl图4红外发光与受光示意图Fig．4Diagram of infra red luminescence and photorecept ion2电路调试及试验结果果园自动对靶喷雾机红外光电控制探测系统在实际应用中最为重要的性能参数就是其探测距离、靶标识别间距和系统的抗干扰性。探测的有效距离可以通过电位计R1来调节。改变R1的阻值也就是调节红外发射管1R(型号为TSAL6200)的发射功率。发射功率越大，探测距离越远；发射功率越小．探测距离越近。另外探测距离还与探测靶标的反射面积、探测角度、颜色、形状、表面状况等因素有关。1)探测距离测试方法：如图5a、b所示，在试验室的室外分别用一张普通白纸贴于纸板h做成一个面积为40 cm×40 cm的靶标样本和一棵由塑料制作而成的仿真桃树(如图5(i所示)进行实际探测试验。该仿真桃树从树干底部到树的枝头最高处是1．8 n1树冠最宽处是1．35 m。先将电位计R1阻值调到最小．即此时红外发射管发出的红外光功率为最大，然后将红外探测控制系统的探测头装在同一个可移动小车上的同一个位置．保证探头离地高度均为1．2 m，然后推动小车以1 m／s的速度按直线行走，分别将普通打印白纸做成的靶标和仿真果树放置于行走直线中间的同一个定点位置垂线卜_由近到远以每次10 cm移动，并保证仿真果树以同一侧面对着探头。最后记录其所能探测到的最远距离L。该试验进行了6次重复，结果表见表1。2)靶标识别间距试验方法：如图5c所示．用普通的Atl打印白纸粘在纸板上，制作两块297 nlill×210 nlm的靶标样本。将红外探测系统探头的电位计R1阻值调到最小并装在可移动的小车上，并保证探头的中轴线处于试样的中间位置且探头到试样靶标距离为2．5 m，首先将两个试样并排放在一起，然后依次向两边移动各1 cm，推动小车以1 m／s的速度按直线行走从一端走到另一端依次经过两个靶标，记录探测头的探测结果次数由1次变为2次(打开电磁阀由一次变为两次)的最小距离x。即为探测器的最小靶标认别间距。该试验重复6次，数据见表l。 b图5试验方案Fig．5Program of experiment表1试验结果数据表Table1Date of experimental results从表l可以看出该红外探测系统用于仿真桃树的探测其最大探测距离L平-均值为4．33 nl，最大值为4．7 m，最小值为4．0 m。很明显该系统用于探测仿真桃树工作基本稳定。当该红外探测系统用于白纸样本的探测其最大探测距离L平均值为6．15 m，最大值为6．3 m．最4,fti为6．0 n1，显然系统用于探测白纸样本时工作更稳定。这主要是因为白纸制作成的样本靶标与仿真桃树相比能够保持一个非常稳定的反射面，而仿真桃树的反射面是与仿真桃树枝叶的角度、稀疏等因素密切相关，所以在不同的重复试验当中其反射面有所不同。该系统的靶标识别间距x的平均值为0．216 n*i，最大值为0．2 z1 n1，最小值为0．18In。3结论基于红外光电技术开发的红外自动对靶喷雾控制电路的最大特点是运用集成电路BA5104／5204实现红外光信号脉冲的编码与解码，即红外发射部分不设专门的脉冲发生电路，而是直接由集成电路来完成，既简化了电路凋试工作，又防止了周围环境光的干拢，使电路稳定性和抗]二扰能力大大增强，同时也降低r其生产成本。该红外探测控制系统在试验室中进行了试验并得到以下结论：1)系统工作稳定，不受室外自然光的影响；2)可以实现根据探测结果的自动控制和人为的手动操作控