紅外光電探測器介紹及其在靶噴霧的應(yīng)用

概述：詳細(xì)介紹了紅外光電探測器，以及用紅外光電探測器探測棉花的位置，實(shí)現(xiàn)對靶噴霧的設(shè)計。

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，先進(jìn)的植保技術(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)豐收的保障，現(xiàn)代植物病蟲害防治仍然以化學(xué)藥劑防治為主，我國常規(guī)施藥方法和施藥器械落后，大量農(nóng)藥流失到水體、土壤和大氣中，農(nóng)藥的利用率低，防治成本高，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，對某些害蟲防治效果欠佳，先進(jìn)的施藥方法和施藥器械的研究與開發(fā)對我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,降低生產(chǎn)成本,特別是保護(hù)環(huán)境具有重要的作用。對靶噴霧是新近發(fā)展起來的高效低污染施藥新技術(shù)，AGTECH公司研制的“Tree-sense”智能噴霧器采用了“沙漠風(fēng)暴”中使用的探測敵人坦克的三維圖像傳感器，它能夠根據(jù)作物的距離、形狀進(jìn)行有效噴;DURAND WAYLAND公司的“Smart Spray”噴霧器、“Tree-see”噴霧器使用了先進(jìn)的聲納系統(tǒng)來進(jìn)行目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，這些裝置精度高，但價格昂貴。根據(jù)我國國情，我們設(shè)計了紅外光電探測器來進(jìn)行目標(biāo)的探測，并結(jié)合高壓靜電使霧滴帶電，帶電的霧滴作定向運(yùn)動飛向植株，最后吸附在植株上，其命中率顯著提高。這種紅外探測器研制成本低、靈敏度高、體積小，加上與靜電結(jié)合，就會達(dá)到與上述系統(tǒng)基本相同的效果。

設(shè)計思路
　　本文主要講述紅外光電探測器的研制。紅外線是一種不可見光，采用專用的紅外發(fā)射管和接收管，可以有效地防止周圍可見光的干擾，進(jìn)行無接觸探測，不損傷被測物體。該探測器安裝在電動小車上。紅外對靶噴霧主要用在棉花的幼苗期和生長期間，當(dāng)棉花處于幼苗期時，棉苗分散，對靶容易。當(dāng)處于生長期時，棉花的莖部有一定的高度，此時采用紅外線照射莖部，通過反射，確定目標(biāo)。考慮到棉農(nóng)十分注重田間管理，棉田雜草很少，所以紅外光電探測器受到的干擾很小，可以忽略。

　　圖1 紅外探測器的原理圖架

　　圖2 探測距離


　　圖3 555狀態(tài)圖

　　圖4 紅外發(fā)射與接收元件的方向性

紅外光電探測器的設(shè)計
　　如圖1所示，LM567集成鎖相環(huán)路解碼器及其外圍元件組成鎖相電路。三極管V1、紅外線發(fā)射管H1及電阻R1、R9組成紅外線發(fā)射電路，鎖相電路的振蕩信號由LM567的⑤腳輸出，送至V1放大，驅(qū)動紅外線發(fā)射管發(fā)出方波信號。集成電路mA741、紅外接收管H2及其外圍元件組成紅外線接收電路，紅外線接收管H2將接收到的紅外線信號轉(zhuǎn)變成本身阻值的變化，經(jīng)電阻R3、電容C3耦合到mA741的②腳，由mA741進(jìn)行放大，555電路、三極管V2及其外圍相關(guān)器件組成延遲輸出電路，用來控制電磁閥打開的時間，當(dāng)探測到棉花時，LED綠燈亮，繼電器通電，常開觸點(diǎn)閉合，開始噴霧。
紅外線光電探測器探測棉花是靠紅外線反射來完成的，在設(shè)定的有效探測范圍內(nèi)，如果沒有棉花，紅外線接收管接收不到反射紅外光信號，LM567的⑧腳輸出高電平,555的③腳輸出低電平，三極管V2截止，電磁閥關(guān)閉不噴霧;當(dāng)探測到棉花時，紅外線接收管收到被棉花反射回來的紅外線信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換，送至放大電路μA741進(jìn)行放大，其放大信號送至LM567的③腳與本身振蕩信號比較，當(dāng)與本身振蕩信號同頻率時，LM567的⑧腳輸出低電平,555的③腳輸出高電平，三極管V2導(dǎo)通，繼電器通電，電磁閥打開開始噴霧。
　　為了防止隔行探測產(chǎn)生誤動作，可以通過調(diào)節(jié)探測有效距離L(L2為了保證噴頭打開時間，由555、R7、C9組成單穩(wěn)態(tài)延遲電路如圖1。V2的輸出脈寬Tp0=R7·C9·ln3≈1.1R7·C9。如果在電路的暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間內(nèi)有干擾觸發(fā)脈沖，則該脈沖不起作用，如圖3，這就保證了電磁閥打開的時間。輸出脈寬Tp0可以通過R7調(diào)節(jié)。
　　在紅外發(fā)射與接收中要考慮到發(fā)射元件與接收元件都存在著方向性。因此存在著一個位置，在這個位置上傳感器可獲得最大的靈敏度。另外，還存在著一個傳感器可以正常工作的范圍，如圖4所示。
　　利用LM567⑤腳脈沖信號驅(qū)動紅外發(fā)光管，除了利用鎖相環(huán)路解碼器LM567提高檢測靈敏度并消除太陽光等背景光的干擾外，還能使紅外發(fā)光管在平均輸入功率不變的情況下比直流驅(qū)動方式增加一倍的發(fā)射功率。在紅外探測器前端加紅外濾光片可去除可見光，使紅外光通過，進(jìn)一步提高了抗干擾能力。

結(jié)語
　　該電路的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了紅外線發(fā)射與接收工作頻率的同步自動跟蹤，即紅外發(fā)射部分不設(shè)專門的脈沖發(fā)生電路，而直接從接收部分的檢測電路引入脈沖(實(shí)為LM567的鎖相中心頻率信號)，既簡化了線路和調(diào)試工作，又防止了周圍環(huán)境變化和元件參數(shù)改變造成的收、發(fā)頻率不一致，使電路穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng)。該探測器在實(shí)驗中取得了很好的效果，與非對靶噴霧相比大大提高了噴霧的命中率。