可充電、一體式糧食含水率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

王　偉，郭文川，王　川

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥　230031；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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可充電、一體式糧食含水率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

王偉1,2，郭文川2，王川1

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥230031；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：含水率是評(píng)價(jià)糧食品質(zhì)和選取加工工藝條件的一個(gè)重要指標(biāo)。為了給糧食含水率的檢測(cè)提供一種廉價(jià)、便捷的檢測(cè)儀，以AT89S52單片機(jī)為控制器、DS18B20為溫度傳感器、平行極板式電容器為含水率傳感器及LCD1602為顯示器設(shè)計(jì)了一種可充電、一體式的糧食含水率檢測(cè)儀。以小麥為對(duì)象，基于建立的糧食電容、溫度和含水率三者之間的關(guān)系模型，以Keil C語(yǔ)言開發(fā)了檢測(cè)儀的軟件，以JAVA語(yǔ)言設(shè)計(jì)了能夠接收并顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的上位機(jī)監(jiān)控軟件。

關(guān)鍵詞：糧食；一體式；含水率；電容；溫度

0引言

糧食的安全儲(chǔ)存事關(guān)我國(guó)糧食安全，而含水率是影響糧食安全儲(chǔ)存的關(guān)鍵因素。因此，實(shí)現(xiàn)糧食含水率的準(zhǔn)確、快速檢測(cè)對(duì)于規(guī)范糧食產(chǎn)后運(yùn)輸、加工等各環(huán)節(jié)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，研究表明：在平衡相對(duì)濕度ERH為70%、20~25℃，糧食安全水分是13.93%~14.21%[1]。

糧食水分的檢測(cè)主要分為直接法和間接法。直接法如電烘箱法、減壓干燥法和紅外干燥法等，精度高適用于實(shí)驗(yàn)室和科學(xué)研究中使用；但普遍存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，不適用于在線檢測(cè)，以及檢測(cè)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。間接法如電容法、電阻法、微波法和紅外線法等，檢測(cè)時(shí)間短、響應(yīng)快，適合在線測(cè)量，應(yīng)用范圍廣泛，但受外界影響因素較多[2-4]。現(xiàn)有含水率檢測(cè)儀多為基于電阻法的針式檢測(cè)儀，其電路復(fù)雜、精度差，或者采用同心圓筒式電容器，儀器笨重、便攜性差。綜合考慮，本文采用間接法中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且靈敏度高的電容法，設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為控制器，可充電、一體式的糧食含水率檢測(cè)儀。

1測(cè)量原理

介電特性是指分子中的束縛電荷對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性，是各種物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分的整體反映[5]。試驗(yàn)表明：同烘干法獲得的含水率相比，基于介電參數(shù)預(yù)測(cè)燕麥含水率的誤差范圍為±1.2%[6]，說明基于介電特性檢測(cè)糧食含水率是可行的。介電特性一般用相對(duì)介電常數(shù)(絕對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)的比值)表示。

本設(shè)計(jì)采用雙平行極板電容式傳感器測(cè)量糧食的電容值，在不考慮邊緣效應(yīng)影響的前提下，其電容量為

(1)

其中，ε為兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；S為兩極板正對(duì)面積；D為兩極板間的距離。由式(1)可知：在S和D確定的前提下，將平行極板傳感器插入待測(cè)對(duì)象中，兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)將發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的電容量C發(fā)生改變。通過檢測(cè)，該電容值可以間接測(cè)量出糧食含水率。

2糧食含水率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

2.1　整體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀整體設(shè)計(jì)方案包括3部分：平行極板傳感器檢測(cè)部分、檢測(cè)儀工作部分及充電部分，如圖1所示。

平行極板傳感器檢測(cè)部分完成待測(cè)糧食樣品電容值的測(cè)量。檢測(cè)儀工作部分主要包括5個(gè)方面內(nèi)容：將電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為電壓模擬值，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以供單片機(jī)使用；完成待測(cè)糧食樣品溫度值的檢測(cè)；液晶顯示器顯示最終的含水率和溫度測(cè)量值；程序下載器完成向單片機(jī)燒錄工作程序；按鍵開關(guān)完成儀器開啟和功能選擇、命令控制等操作。充電部分采用可充電式鋰電池作為檢測(cè)儀工作電源，并設(shè)計(jì)適配的電源充電器，降低使用成本。

圖1　整體設(shè)計(jì)框圖

2.2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1CAV424電容檢測(cè)電路

CAV424是可將電容式傳感器電容信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)的集成電路芯片，具有信號(hào)的采集和差分電壓輸出的功能[7]。CAV424測(cè)量的電容值是傳感器電容C7與一個(gè)附加參考電容C5的差值ΔC= C7- C5，電路如圖2所示。

圖2　CAV424電容檢測(cè)電路

2.2.2DS18B20溫度檢測(cè)電路

溫度傳感器DS18B20集溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換為一體[8]，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)處理；單總線結(jié)構(gòu)，與溫度檢測(cè)電路配合可檢測(cè)糧食樣品的實(shí)時(shí)溫度值。其電路如圖3所示。

圖3　DS18B20溫度檢測(cè)電路

2.2.3電源電路

1)供電升壓電路。本設(shè)計(jì)采用了3.7V的鋰電池可充電式電池作為供電電源，需將其升壓處理為5V，才能供儀器芯片正常工作。本供電電源電路如圖4所示。選用MC34063升壓芯片，該芯片是一款單片雙極型線性集成電路芯片，基于該芯片的外圍電路具有多路輸出、電路簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高且新穎實(shí)用等特點(diǎn)[9]。

2)電源充電電路。本充電電路采用TP4056鋰電池充電芯片，主要通過該充電芯片的恒流—恒壓模式對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，具有充電保護(hù)等功能[10]，電路如圖5所示。

2.3　軟件程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)分為上位機(jī)監(jiān)控和下位機(jī)工作軟件兩個(gè)部分：上位機(jī)監(jiān)控軟件在PC端運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)儀測(cè)量數(shù)據(jù)的接收與顯示，達(dá)到監(jiān)控的目的；下位機(jī)工作軟件程序在單片機(jī)上運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)控制單片機(jī)進(jìn)行正常的工作。

圖4　供電升壓電路

圖5　充電電源電路

2.3.1上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件利用JAVA語(yǔ)言編寫，開發(fā)平臺(tái)為Eclipse軟件，主要由人機(jī)交互界面子程序、串行通信子程序、數(shù)據(jù)處理子程序等部分組成。實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)通信核心功能關(guān)鍵在于標(biāo)準(zhǔn)Java的擴(kuò)展類庫(kù)CommunicationAPI，不包括在標(biāo)準(zhǔn)的Java2 SDK當(dāng)中，需要進(jìn)行安裝[11]，并正確引入Java串口包——javax.comm。人機(jī)交互界面如圖6所示。

圖6　人機(jī)交互界面圖

當(dāng)檢測(cè)儀正常工作并與PC連接，在該界面點(diǎn)擊“打開串口”按鈕，即開始接受并顯示實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)；檢測(cè)儀工作結(jié)束后，點(diǎn)擊“斷開串口”按鈕，在界面下方即自動(dòng)計(jì)算并顯示所有接收數(shù)據(jù)的平均值，以減小誤差。

2.3.2下位機(jī)工作軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)工作軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，開發(fā)軟件為Keil uVision 2，使用單片機(jī)C51語(yǔ)言編寫程序。

系統(tǒng)主程序完成系統(tǒng)的初始化和對(duì)各個(gè)子程序的調(diào)用。首先調(diào)用液晶初始化子程序，初始化LCD1602。然后，進(jìn)行鍵盤識(shí)別，若有鍵盤按鍵按下，則轉(zhuǎn)向鍵盤識(shí)別子程序，執(zhí)行特定的功能；若無(wú)，則繼續(xù)執(zhí)行，通過A/D轉(zhuǎn)換子程序，測(cè)量電容轉(zhuǎn)電壓值。同時(shí)，調(diào)用溫度采集子程序，測(cè)量溫度值。最后，將得到的電容轉(zhuǎn)電壓值和溫度值，通過含水率計(jì)算子程序，計(jì)算出含水率值；接著調(diào)用液晶顯示子程序，將溫度值和含水率值顯示在液晶顯示器屏幕上。其程序流程如圖7所示。

2.4　糧食含水率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀如圖8所示。該測(cè)量?jī)x采用一體式結(jié)構(gòu)，主要由前端平行極板電容傳感器、后端儀器手柄兩個(gè)部分構(gòu)成，無(wú)冗余電路接線，便于攜帶。

平行極板電容傳感器、溫度傳感器固定于手柄前端專門設(shè)計(jì)預(yù)留的插槽中，極板長(zhǎng)180mm、寬30mm、厚1mm、間距15mm，極板前端設(shè)計(jì)為三角形，且溫度傳感器采用不銹鋼探針型，有利于插入待測(cè)樣品中。平行極板電容傳感器與測(cè)量硬件電路板之間選用屏蔽雙絞線作為接線電纜并集約在儀器內(nèi)部，以防止外界干擾信號(hào)的竄入。手柄采用類圓柱體結(jié)構(gòu)，硬件電路板集成安裝在手柄中空的內(nèi)部空間。液晶顯示器LCD1602放置于手柄表面，緊靠液晶顯示器安裝4個(gè)按鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)儀器的開啟和功能選擇，并在手柄末端設(shè)計(jì)1個(gè)充電接口，可反復(fù)充電，減少電池使用成本，并降低廢舊電池對(duì)環(huán)境的污染。

圖7　下位機(jī)工作軟件流程圖

圖8　糧食含水率檢測(cè)儀設(shè)計(jì)圖

3結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于CAV424電容轉(zhuǎn)電壓芯片和AT89S52單片機(jī)的糧食含水率檢測(cè)儀。同時(shí)，設(shè)計(jì)了能夠控制檢測(cè)儀正常工作的下位機(jī)軟件和實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與PC連接的上位機(jī)軟件，為快速、準(zhǔn)確測(cè)量糧食含水率提供了試驗(yàn)儀器。

后期將針對(duì)不同的農(nóng)作物品種研究含水率和溫度、電容的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，拓寬本檢測(cè)儀的使用范圍和提高檢測(cè)精度；同時(shí)需完善鋰電池供電、充電模塊的設(shè)計(jì)，選用更小巧、容量高的鋰電池，提高儀器的續(xù)航能力。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0161-EA

Design of Rechargeable and Integrated Grain Water Content Meter

Wang Wei1,2, Guo Wenchuan2, Wang Chuan1

(1.Institute of Agricultural Engineering， Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

Abstract：Detecting grain’s moisture is of great significance for grain resources’ efficient utilization. In the grain consuming market, grain products’ quality and processing condition are both influenced by moisture content, which is a main assessment criteria and also an important factor.So, in order to detect moisture content conveniently and in low cost, the moisture content meter which was rechargeable and integrated was designed with AT89S52 single-chip microcomputer as the controller, two-parallel plate as the capacitance sensor and DS18B20 as the digital temperature sensor to detect capacitance and temperature of the grain. Meanwhile, based on the established model describing relationship between grain’s moisture content and capacitance as well as temperature, moisture content of grain could be well measured with the assistance of the lower computer software system developed by Keil C language for controlling SCM (Single Chip Micyoco) procedure, the PC monitor software programmed by JAVA language to receive and display test data from the lower computer in real-time.

Key words：grain; integrated; moisture content; capacitance; temperature

中圖分類號(hào)：S126；S24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0161-04

作者簡(jiǎn)介：王偉(1989-)，男，安徽蚌埠人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，(E-mail)wangwei1412@126.com。通訊作者：王川(1978-)，男，安徽桐城人，副研究員，碩士，(E-mail)06wangchuan@163.com。

基金項(xiàng)目：中央財(cái)政農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣資金項(xiàng)目(2014-2015)

收稿日期：2015-09-06