紅外光電探測器在靜電對靶噴霧中的工作原理及應用

概述：詳細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，實現對靶噴霧的設計。

農業是國民經濟的基礎，先進的植保技術是農業生產豐收的保障，現代植物病蟲害防治仍然以化學藥劑防治為主，我國常規施藥方法和施藥器械落后，大量農藥流失到水體、土壤和大氣中，農藥的利用率低，防治成本高，并造成嚴重的環境污染，對某些害蟲防治效果欠佳，先進的施藥方法和施藥器械的研究與開發對我國農業的持續發展,降低生產成本,特別是保護環境具有重要的作用。對靶噴霧是新近發展起來的高效低污染施藥新技術，AGTECH公司研制的“Tree-sense”智能噴霧器采用了“沙漠風暴”中使用的探測敵人坦克的三維圖像傳感器，它能夠根據作物的距離、形狀進行有效噴;DURAND WAYLAND公司的“Smart Spray”噴霧器、“Tree-see”噴霧器使用了先進的聲納系統來進行目標的準確定位，這些裝置精度高，但價格昂貴。根據我國國情，我們設計了紅外光電探測器來進行目標的探測，并結合高壓靜電使霧滴帶電，帶電的霧滴作定向運動飛向植株，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，加上與靜電結合，就會達到與上述系統基本相同的效果。

設計思路
　　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，采用專用的紅外發射管和接收管，可以有效地防止周圍可見光的干擾，進行無接觸探測，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，當棉花處于幼苗期時，棉苗分散，對靶容易。當處于生長期時，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。考慮到棉農十分注重田間管理，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狀態圖

　　圖4 紅外發射與接收元件的方向性

紅外光電探測器的設計
　　如圖1所示，LM567集成鎖相環路解碼器及其外圍元件組成鎖相電路。三極管V1、紅外線發射管H1及電阻R1、R9組成紅外線發射電路，鎖相電路的振蕩信號由LM567的⑤腳輸出，送至V1放大，驅動紅外線發射管發出方波信號。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變成本身阻值的變化，經電阻R3、電容C3耦合到mA741的②腳，由mA741進行放大，555電路、三極管V2及其外圍相關器件組成延遲輸出電路，用來控制電磁閥打開的時間，當探測到棉花時，LED綠燈亮，繼電器通電，常開觸點閉合，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，在設定的有效探測范圍內，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，電磁閥關閉不噴霧;當探測到棉花時，紅外線接收管收到被棉花反射回來的紅外線信號，經轉換電路的轉換，送至放大電路μA741進行放大，其放大信號送至LM567的③腳與本身振蕩信號比較，當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導通，繼電器通電，電磁閥打開開始噴霧。
　　為了防止隔行探測產生誤動作，可以通過調節探測有效距離L(L2為了保證噴頭打開時間，由555、R7、C9組成單穩態延遲電路如圖1。V2的輸出脈寬Tp0=R7·C9·ln3≈1.1R7·C9。如果在電路的暫穩態持續時間內有干擾觸發脈沖，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調節。
　　在紅外發射與接收中要考慮到發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腳脈沖信號驅動紅外發光管，除了利用鎖相環路解碼器LM567提高檢測靈敏度并消除太陽光等背景光的干擾外，還能使紅外發光管在平均輸入功率不變的情況下比直流驅動方式增加一倍的發射功率。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，進一步提高了抗干擾能力。

結語
　　該電路的最大特點是實現了紅外線發射與接收工作頻率的同步自動跟蹤，即紅外發射部分不設專門的脈沖發生電路，而直接從接收部分的檢測電路引入脈沖(實為LM567的鎖相中心頻率信號)，既簡化了線路和調試工作，又防止了周圍環境變化和元件參數改變造成的收、發頻率不一致，使電路穩定性和抗干擾能力大大增強。該探測器在實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。