基于FDC1004的電容式谷物水分檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

徐冬平，張鵬鵬，孫詩裕

(南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京　211816)

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基于FDC1004的電容式谷物水分檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

徐冬平，張鵬鵬，孫詩裕

(南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京211816)

摘要：提出了一種利用谷物介電特性快速測(cè)量谷物含水率的方法，采用同心圓筒電容傳感器，對(duì)傳感器做屏蔽干擾處理。運(yùn)用Texas Instruments公司最新的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)DC1004，具有測(cè)量精度高電路簡(jiǎn)單及抗干擾等特點(diǎn)。加入NTC溫度傳感器對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，人機(jī)通過按鍵交互，測(cè)量結(jié)果通過LCD屏幕顯示。系統(tǒng)核心器件采用單片機(jī)MSP430F5528，具有低功耗及運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用4.2V可充電蓄電池供電，系統(tǒng)的測(cè)量范圍為5%~35%。標(biāo)定后的系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證測(cè)試得測(cè)量平均誤差為0.85%，符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：水分檢測(cè)儀；谷物；介電特性；電容傳感器；溫度補(bǔ)償；低功耗

0引言

谷物的含水率是最重要的指標(biāo)之一，直接反映的是種子質(zhì)量的優(yōu)劣，也是谷物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)銷售、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究的活動(dòng)中最基本的指標(biāo)參數(shù)。如何準(zhǔn)確、快速地測(cè)量出谷物中的含水率，是生產(chǎn)實(shí)際中必須探究的重要問題。

在谷物水分測(cè)量的諸多方法中，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是通過物理和化學(xué)方法將谷物的水分去除，檢測(cè)的精度高，但費(fèi)時(shí)且成本較高，適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，不適于生產(chǎn)的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。間接測(cè)量法是根據(jù)不同含水率的谷物在某一物理特性上的差異體現(xiàn)測(cè)得谷物的含水率，如紅外方式、電容方式及核磁共振方式等。其中，電容方式最為簡(jiǎn)單快速且成本低。綜合上述考慮，筆者設(shè)計(jì)了一種基于電容式的谷物水分檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)谷物水分的快速、準(zhǔn)確測(cè)量。

1傳感器設(shè)計(jì)

1.1　測(cè)量原理

介電常數(shù)又稱電容率，在非真空中由于介質(zhì)被電極化，在物質(zhì)內(nèi)部的總電場(chǎng)會(huì)減小；電容率關(guān)系到介質(zhì)傳輸電場(chǎng)的能力。介質(zhì)極化圖如圖1所示。由圖1可知：內(nèi)部介質(zhì)被極化使得整個(gè)電容的電場(chǎng)變小。

圖1　介質(zhì)極化圖

介電常數(shù)以ε表示，ε=εr×ε0，ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù)，ε0=8.85×1012F/m。εr為相對(duì)介電常數(shù)，可以通過靜電場(chǎng)用如下方式測(cè)量：首先在兩塊極板之間為真空的時(shí)候測(cè)試電容器的電容C0；然后，用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質(zhì)后(內(nèi)部介質(zhì)被極化后)測(cè)得電容Cx；最后，相對(duì)介電常數(shù)可以用εr=Cx/C0計(jì)算。

谷物主要由淀粉和少量的脂肪蛋白質(zhì)和水構(gòu)成。它們都有介電常數(shù)，但是上述成分中受環(huán)境濕度變化的只有水分，其他成分比較穩(wěn)定，受環(huán)境影響小。谷物中水分的變化會(huì)直接體現(xiàn)為介電常數(shù)的變化。電容式水分傳感的原理是將被測(cè)物作為電容的介質(zhì)，利用介電常數(shù)對(duì)電容容值的影響來測(cè)量水分。

1.2　傳感器設(shè)計(jì)

電容傳感器的結(jié)構(gòu)主要有平行板結(jié)構(gòu)和同軸圓筒結(jié)構(gòu)；但是在極板間體積一定的情況下，同軸圓筒電容的容值更大更利于容值測(cè)量，而且也更加符合測(cè)量儀的外形要求。所以，筆者選用同軸圓筒型的電容傳感器進(jìn)行研究和分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2　傳感器結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物照片

傳感器為兩個(gè)同軸的圓筒形柱體作為電極。兩個(gè)電極的高度為L，內(nèi)電極半徑為r，外電極的半徑為R。本設(shè)計(jì)要求抗干擾性強(qiáng)，所以在內(nèi)圓筒的內(nèi)側(cè)及外圓筒的外側(cè)涂有樹脂涂層用來屏蔽外部環(huán)境中的電磁波等的干擾(圖2中的陰影部分為樹脂涂層)。位于內(nèi)側(cè)圓筒上的是熱敏電阻NTC，用于溫度補(bǔ)償。為避免對(duì)電容測(cè)量的影響，采用絕緣的環(huán)氧樹脂絕緣封裝，并且在筒壁上的開孔面積相對(duì)筒壁面積很小，NTC對(duì)容值的影響可忽略不計(jì)。當(dāng)L>>R-r時(shí)，可忽略圓柱的邊緣效應(yīng)。設(shè)電容器兩極各帶電荷+q和-q時(shí)，若忽略邊緣效應(yīng)，電荷均勻分布在內(nèi)外圓柱電極面上，圓柱每單位長度所帶的電荷絕對(duì)值為λ(λ=q/L)。由于兩圓柱面間的電場(chǎng)具有軸對(duì)稱性，由高斯定理求距離為S出的電場(chǎng)強(qiáng)度為E為

兩極板間的電勢(shì)差ΔU為

R=er ΔU=U1-U2=∫RrEdS

由電容的定義可知

當(dāng)極板間放入相對(duì)介電常數(shù)為εr的物質(zhì)時(shí)，則

由上式可知：通過檢測(cè)兩極板間的電容值的公式中，只有εr是變量，而且εr直接和谷物間的含水量相關(guān)，所以兩極板間的電容值就間接反映了谷物介質(zhì)的含水量。當(dāng)傳感器中裝入介電常數(shù)為的被測(cè)物后，電容的變化量為

2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1　電容測(cè)量電路

在實(shí)際設(shè)計(jì)的電容傳感器，在幾何尺寸的限制下，電容值都會(huì)很小(一般十幾皮法)，容抗比較大，易受環(huán)境干擾，會(huì)給信息的采集造成麻煩。在本文的同心圓筒型電容傳感器設(shè)計(jì)中，需在外電極的外側(cè)及內(nèi)電極的內(nèi)側(cè)涂上樹脂絕緣層來隔絕外界環(huán)境的干擾。

電容傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能很大程度上決定于檢測(cè)電路的性能。傳統(tǒng)的電容測(cè)量電路多采用模擬電橋等手段，元件復(fù)雜集成性低，分立元件易受環(huán)境干擾。筆者將采用專業(yè)的集成芯片設(shè)計(jì)檢測(cè)電路，既避免了檢測(cè)電路可能串入的干擾，又使電路簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定。筆者采用的是TI公司生產(chǎn)的FDC1004四通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，其連接圖如圖3所示。FDC1004分辨率達(dá)0.5fF采用 Σ-Δ型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，線性度高精度高，要測(cè)量的電容可直接連接到器件輸入端。FDC1004的電容輸入范圍是±15pF，內(nèi)部有去干擾電容電路。其主處理器芯片可以直接通過寄存器對(duì)芯片進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)的存取，且具有一個(gè)雙線式I2C兼容串行接口，可采用2.7 ～5.25 V單電源供電。

圖 3　FDC1004連接圖

所測(cè)電容CX連接在調(diào)制器輸入端和地之間，轉(zhuǎn)換期間在CX上施加方波激勵(lì)信號(hào)，調(diào)制器會(huì)對(duì)流過CX的電荷進(jìn)行連續(xù)采樣。數(shù)字濾波器負(fù)責(zé)處理調(diào)制器輸出，也就是以0和1密度形式表示信息的0和1數(shù)據(jù)流。數(shù)字濾波器輸出的數(shù)據(jù)通過應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后通過串行接口讀取最終結(jié)果。

為了獲得最佳結(jié)果，應(yīng)使FDC1004盡可能靠近容性傳感器。傳感器和FDC1004 CIN引腳之間的連接及傳感器地和FDC1004 GND引腳之間的返回路徑應(yīng)盡可能短。應(yīng)將PCB走線與CIN引腳屏蔽開來，并將屏蔽體連接到FDC1004 屏蔽引腳(見圖3)。此外，如果使用屏蔽導(dǎo)線來連接傳感器，則應(yīng)將屏蔽體連接到FDC1004 屏蔽引腳。

2.2　電路整體結(jié)構(gòu)圖

圖4為整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件框圖。圖4中，同心圓筒電筒傳感器和FDC1004芯片相連(并采取抗干擾處理)；FDC1004芯片和單片機(jī)處理器相連，單片機(jī)負(fù)責(zé)與FDC1004通信；單片機(jī)與LCD相連用來顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果；按鍵與單片機(jī)相連用來設(shè)置系統(tǒng)工作模式和指令輸入；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電。

電路的核心處理器芯片采用高性價(jià)比的單片機(jī)MSP430F5528。該型號(hào)單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的16位精簡(jiǎn)指令架構(gòu)的(RSIC)單片機(jī)，運(yùn)算主頻最高25MHz。本設(shè)計(jì)選用64引腳的RGC封裝，擁有512k的Flash，66kB的SRAM；工作電壓1.8～3.6V，具有低功耗特性；47個(gè)I/O端口，擁有12通道的12位ADC模塊，集成有I2C單元；外部電路簡(jiǎn)單；且具有超強(qiáng)抗干特性，特別適合本設(shè)計(jì)。

LCD在本設(shè)計(jì)中用來顯示測(cè)量結(jié)果、工作狀態(tài)及人機(jī)交互，考慮到設(shè)計(jì)的低功耗、顯示內(nèi)容的復(fù)雜程度及價(jià)格成本，本設(shè)計(jì)采用的是LCD5510。該LCD 為84x48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字；引腳包括電源在內(nèi)9個(gè)，只需MCU的單個(gè)P口就可實(shí)現(xiàn)與LCD的通信，支持串口或者SPI模式；工作電壓3.3V，正常顯示時(shí)的工作電流在200μA以下，功耗低。該LCD顯示測(cè)量的谷物品種、測(cè)量進(jìn)度狀態(tài)、谷物溫度及系統(tǒng)狀態(tài)信息，電路如圖5所示。

圖 4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5　LCD電路圖

按鍵設(shè)置為4個(gè)機(jī)械按鍵，分別為“開關(guān)”“選擇”“測(cè)量”“加料”。開關(guān)鍵用于系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉，選擇鍵用于物料的選擇，測(cè)量鍵觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，加料按鍵將物料由待測(cè)區(qū)填充到測(cè)量區(qū)。

溫度傳感器選用的是負(fù)溫度熱敏電阻(NTC)。該熱敏電阻的封裝很小，對(duì)電容傳感器的影響很小，且采用的是環(huán)氧樹脂絕緣封裝，避免了對(duì)電容傳感器的干擾。被測(cè)物的溫度對(duì)水分的檢測(cè)影響非常大，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

NTC傳感器調(diào)理電路采用橋式電路(見圖 6)，R19為NTC電阻，橋式電路輸出的是差分信號(hào)，電路左側(cè)通過穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定的參考電壓，右側(cè)試由LM358通用放大集成電路構(gòu)成的直流差分信號(hào)放大器。LM358集成了兩個(gè)放大器LM381_1和LM358_2。

圖6　NTC溫度測(cè)量電路圖

電源采用可充電鋰離子電池配合電源管理芯片AMS1117，如圖7所示。

圖7　電源電路圖

AMS1117是降壓型穩(wěn)壓器，具有1A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力能夠輸出3.3、5、12、15V的固定電壓和電壓可調(diào)節(jié)的可調(diào)電壓輸出方式；外部單路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)能力也符合設(shè)計(jì)要求。

2.3　測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件軟件流程主要負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取、優(yōu)化計(jì)算及顯示，如圖8所示。單片機(jī)和FDC1004直接通過時(shí)序指令通訊，結(jié)合溫度傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，系統(tǒng)通過多次測(cè)量來獲取平均值，最終輸出測(cè)量結(jié)果。

3實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)以小麥作為標(biāo)定樣本，樣本分為15組，每組200g分別編號(hào)為1~15號(hào)。首先要對(duì)谷物的水分進(jìn)行調(diào)節(jié)，即將小麥的水分含量盡量在5%~35%之間等間距規(guī)律分布；然后通過恒溫烘干發(fā)測(cè)得樣本的水分含量為17.6%，將1~6組樣本用過加熱干燥處理來獲取水分含量為5%~16.5%的標(biāo)定樣本。加熱干燥環(huán)境為最低檔的微波爐。為使標(biāo)定樣本有精確的含水率，通過加熱干燥實(shí)驗(yàn)獲得加熱時(shí)間和含水量的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖 8　軟件流程圖

圖 9　加熱時(shí)間和含水量關(guān)系曲線

通過上述曲線，計(jì)算加熱時(shí)間獲得準(zhǔn)確含水量的標(biāo)定樣本。對(duì)7~15組樣本，需要提高其含水率，本試驗(yàn)采用蒸餾水濕潤法，以獲得水分在20%~35%間等間距分布的標(biāo)定樣本。最終獲得15組標(biāo)定樣本的水分含量與電容傳感器的電容值之間的擬合關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖10　含水量與容值擬合曲

系統(tǒng)標(biāo)定過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1　標(biāo)定樣本數(shù)據(jù)

標(biāo)定樣本的含水率和傳感器的電容值線性相關(guān)系數(shù)為0.95，平均誤差為0.85%，表明系統(tǒng)的測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于TI公司最新的FDC1004電容值轉(zhuǎn)換芯片，處理器采用超低功耗的MSP430芯片。高精度的電容傳感器和屏蔽干擾的處理保證了測(cè)量的高精度。通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和擬合試驗(yàn)，表明系統(tǒng)測(cè)量精度和測(cè)量范圍滿足設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)谷物含水率的準(zhǔn)確、快速測(cè)量。

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Design of a Grain Moisture Detector Based on Dielectric Character

Xu Dongping, Zhang Pengpeng, Sun Shiyu

(Department of Automation and Electrical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract：This article aims to present a rapid method of grain moisture measurement based on dielectric character. The capacitor sensor is composed of two metal barrels with the same center but different radiuses, deals with cutting out distractions. As the core of the capacitance measurement circuit, the device of FDC1004 which is a 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter , minimizes the peripheral components and increase the accuracy. The system interface through the keys , with the NTC temperature sensor circuit working as temperature compensation and displaying results on the LCD. The MCU of this system is MSP430F5528 working with low-power. The measurement is powered by a storage battery of 4.2 volt , and the range of measurement is 5%～35%. After the calibration experiment,the average error was 0.85%,meeting the requirements of the design.

Key words：moisture detector; grain; dielectric property; capacitive sensor; temperature compensation; low-power Dissipation

中圖分類號(hào)：S126；S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0173-06

作者簡(jiǎn)介：徐冬平(1990-)，男，江蘇泰興人，碩士研究生，(E-mail)1304286168@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61350008)；國家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2012GA690166);江蘇省高校產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目(JHB2012-55)

收稿日期：2015-07-09