棉花濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 近些年，我國機采棉發(fā)展勢頭強勁，然而機采棉的濕度遠大于手摘棉，嚴重影響了棉花加工生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量。為了提高經(jīng)濟效益，棉花濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計意義重大。該系統(tǒng)以微處理器單元為核心，晶振電路為其提供所需的振蕩頻率，電源電路可實現(xiàn)220 V交流電到5 V直流電的轉(zhuǎn)換，濕度傳感器采集到的信息通過ADC0809芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入微處理器單元，進而實現(xiàn)對濕度的顯示和對超限情況的報警功能，同時可將數(shù)據(jù)進行有效的內(nèi)部存儲并伴有實時通信功能。該系統(tǒng)具有電路簡單、價格低廉、操作方便、準確度高和實用性強等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： 機采棉； 濕度檢測系統(tǒng)； 微處理器單元； 濕度傳感器

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0114?05

Abstract： In recent years， the development of cotton?picking machine is great in China. However， moisture regain of machine?picking cotton is more than that of hand picking cotton， which affects the quality of cotton production seriously. Design of the humidity detection system for seed cotton plays an important role in improvement of the economic benefit. The microprocessor unit is taken as the core of the system. The crystal oscillator circuit provides the desired oscillation frequency for the system. The power supply circuit can realize the transformation from 220 V AC to 5 V DC. The analog?digital conversion of the information collected by the humidity sensor is performed through ADC0809 chip and then the information is sent to the microprocessor unit for realization of the humidity display， overrun alarm， effective internal memory and real?time communication functions. This system has the advantages of simple circuit， low cost， convenient operation， high accuracy， strong practicability， etc.

Keywords： machine?picking cotton； humidity detection system； microprocessor unit； humidity sensor

機采棉技術(shù)的使用使勞動力緊張的難題得以解決，然而機采棉具有高效高收益優(yōu)點的同時也伴隨著高水分的缺陷。在棉花加工生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，濕度對棉花質(zhì)量的影響很大。一方面，籽棉濕度過高會造成棉花儲運困難，進而會引起棉纖維變質(zhì)、變色甚至自燃；另一方面，籽棉濕度過低，會引起棉纖維回脹力過大，導(dǎo)致打包麻煩，也容易 “崩包”[1]。在后期加工過程中，棉花濕度過高，棉纖維間會形成較大的摩擦系數(shù)，使棉花彈性下降[2]。棉花濕度過低會引起棉纖維剛性增大，斷裂比減小，在加工過程中會因外力沖擊導(dǎo)致斷裂，使皮棉中棉纖維長短不一，整齊度下降，短纖維率提高[3]。只有對棉花濕度進行實時準確的檢測，才能高效穩(wěn)定地控制棉花加工質(zhì)量。在烘干環(huán)節(jié)，需要依據(jù)檢測到的籽棉濕度值調(diào)節(jié)加熱爐的燃燒量和吸棉風(fēng)機的頻率實現(xiàn)對加熱溫度以及籽棉烘干時間的分別控制。在軋花環(huán)節(jié)，需要依據(jù)檢測到的皮棉濕度值調(diào)節(jié)籽棉清理機和皮棉清理機的電機頻率達到運行速度的控制，進而降低棉卷和工作箱壁的摩擦力，減少刷棉不盡、棉卷停轉(zhuǎn)和肋條堵塞的發(fā)生次數(shù)，最終提高軋花的工作效率和加工質(zhì)量，降低衣虧率。

1 系統(tǒng)的工作原理及整體結(jié)構(gòu)

棉花濕度檢測系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括濕度檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、按鍵電路、時鐘電路、通信電路、顯示電路、存儲電路和報警電路，如圖1所示。

棉花被風(fēng)機吸入輸送管道后，側(cè)壁的活動壓板會定時地對棉花進行采樣，同時濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，檢測到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路傳送到微處理器單元。在電源電路提供穩(wěn)定工作電壓、晶振電路提供穩(wěn)定振蕩頻率以及復(fù)位電路可實現(xiàn)自動復(fù)位的情況下，微處理器單元通過程序控制報警電路、顯示電路、時鐘電路、存儲電路以及通信電路分別實現(xiàn)對濕度超限的報警、濕度值的顯示、時間的顯示、數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲以及與外部電路的通信，而且可以通過按鍵電路實現(xiàn)對程序的編輯以達到人機互動的效果。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 按鍵電路設(shè)計

不同季節(jié)和不同天氣的棉花濕度變化范圍較大，這樣就需要根據(jù)具體情況調(diào)整預(yù)定濕度值。按鍵電路主要由按鈕和LED指示燈組成，對按下的有效動作LED都會以發(fā)光的方式驗證。本系統(tǒng)設(shè)計了4個按鍵，包括一個參數(shù)設(shè)置鍵、一個開始濕度采集鍵、一個加1鍵和一個減1鍵。單片機采用獨立連接的方式與按鍵電路結(jié)合，即每個按鍵都會單獨通過一根輸入線連接單片機的一個的I/O口，起到每個按鍵電路相互不干擾的作用。單片機采用中斷查詢的方式對按鍵電路實施監(jiān)控，即有鍵按下時，經(jīng)抖動去除后會以中斷信號的方式被單片機查詢到，進而由控制程序判斷鍵值并做相應(yīng)處理。

2.2 通信電路設(shè)計

通信電路選用兼容RS 232標準的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)TTL與RS?232C電平的轉(zhuǎn)換。該芯片基本上由供電、電荷泵電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道三個部分組成[4]。電荷泵電路由1～6引腳和4只電容組成，可產(chǎn)生±12 V兩個電源，給RS 232串口提供電平。7～14引腳組成了兩個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，其中11腳（T1IN），12腳（R1OUT），13腳（R1IN），14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。7腳（T2OUT），8腳（R2IN），9腳（R2OUT），10腳（T2IN）為第二數(shù)據(jù)通道。

2.3 存儲、報警電路設(shè)計

存儲電路采用低功耗CMOS技術(shù)研發(fā)、DIP8引腳封裝的24LC64芯片，它具有噪聲抑制功能、自定時擦除和寫周期以及多達32個字節(jié)頁寫緩存、2 ms典型寫周期時間頁寫、多達8個裝置級聯(lián)等功能，其工作電壓為1.8～5.5 V，工作溫度為-40～125 ℃。其中WP，A1和A2引腳與地連接，A0接入10 kΩ電阻后連接電源，SDK和SCK引腳則分別與單片機的P1.3，P1.4連接。

報警電路中蜂鳴器BUZZER的一個輸入端接電源，另一端接NPN管Q1的集電極，NPN管Q1的發(fā)射極接地，同時基極和發(fā)射極接入一個4.7 μF的電解電容，而基極則通過電阻R1接入單片機AT89C51的P0.4引腳。蜂鳴器通過并聯(lián)一個2 kΩ的放電電阻，也得到了很好的保護。當(dāng)系統(tǒng)測得溫室內(nèi)溫度超過預(yù)置的上限點或低于預(yù)置的下限點時，P0.4輸出低電平，經(jīng)三極管驅(qū)動蜂鳴器報警，如果溫度恢復(fù)到限控溫度點時，P0.4恢復(fù)高電平。

2.4 濕度檢測和A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

2.4.1 電路設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809芯片，它可以根據(jù)地址鎖存譯碼后的信號選通8路模擬輸入信號中的一路進行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端與濕度采集電路相連，輸出端與單片機相連。所述的濕度采集電路選用低成本、高靈敏度、低功耗、強穩(wěn)定性的HIH3610濕度傳感器。HIH3610濕度傳感的濕度測量不受大氣壓的約束，且具有線性電壓輸出特性，即輸出電壓和電源電壓與相對濕度線性相關(guān)。平板電容器是HIH3610濕度傳感器的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由多孔滲水鉑層外加兩個熱化聚合體層構(gòu)成，其電容量與濕度成正相關(guān)[5]。該傳感器測量精度為±2%RH，測量范圍為0～100%，具有互換性強、精準度高和線性度好等優(yōu)點[6]。3個HIH3610接VCC通電工作后將采集到的信息輸入ADC0809的IN0～IN2端口，對應(yīng)的輸出端2?1，2?2和2?3引腳分別與單片機的P1.0，P1.1，P1.2引腳相連。同時單片機的P1.5，P1.6，P1.7引腳又分別與ADC0809芯片的ADD A，ADD B和ADD C相連，單片機給ADC0809芯片的ADD A，ADD B和ADD C不同的高低電平再經(jīng)過ADC0809芯片內(nèi)部的譯碼器譯碼后就可以選擇某個濕度傳感器進行傳輸數(shù)據(jù)。其中ADC0809芯片的CLOCK端接入74LS74邊沿觸發(fā)器的CLK引腳實現(xiàn)觸發(fā)。

2.4.2 濕度測量原理

2.5 電源電路設(shè)計

電源電路由變壓器、全橋整流、濾波、穩(wěn)壓模塊組成[7]。如圖2所示，變壓器輸入端經(jīng)過一個保險連接電源插頭，變壓器輸出端接入一個由4個二極管組成的橋式整流電路，因為整流輸出的直流電壓的波動性很大，所以在這里要接入一個330 μF的電解電容。變壓器輸出端的9 V電壓經(jīng)橋式整流和電容濾波，在電容C4兩端有11 V多一點的電壓，如果電容兩端只接入負載，那么當(dāng)負載變化或交流電源有少許波動時都會使C4兩端的電壓發(fā)生較大幅度的變化，因此在這里還要接入一個三端穩(wěn)壓器7805。

三端穩(wěn)壓器7805是一種集成的電路元件，內(nèi)部由一些三極管和電阻等構(gòu)成，內(nèi)部電阻可自動調(diào)節(jié)，通過它可以輸出一個比較穩(wěn)定的電壓。在R1后面加有狀態(tài)指示燈，這樣可以對電源狀態(tài)進行顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是在硬件集成電路的基礎(chǔ)上由控制程序完成的，在硬件基本成型后，軟件的部分子程序模塊也就大體確定了。作為系統(tǒng)的監(jiān)控程序，主程序在運行時首先需要進行初始化。在設(shè)定相關(guān)參數(shù)和顯示后，便開始對籽棉濕度進行測量，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后被存儲并進行超限判斷，按鍵的處理則以中斷的方式進行。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖3所示。

3.1 報警電路程序設(shè)計

當(dāng)檢測到的濕度大于預(yù)定值的上限或小于預(yù)定值的下限時，單片機會給P0.4引腳低電平以實現(xiàn)報警器的導(dǎo)通，從而達到對超限情況的報警功能。

3.2 按鍵電路程序設(shè)計

在設(shè)計程序過程中定義了K1～K4四個按鍵，并分別與單片P0.0～P0.3引腳連接。K1用于設(shè)置參數(shù)， K2控制參數(shù)加操作，K3控制參數(shù)減操作，K4控制是否開始濕度采集。系統(tǒng)按鍵采用獨立方式設(shè)計，有鍵按下時端口電平為0，無鍵按下時端口電平為1，所以單片機可以通過確定對應(yīng)引腳的高低電平情況來判斷是否有鍵按下。按鍵流程如圖4所示。

3.3 通信電路程序設(shè)計

在進行通信前，要先對串行接口初始化，即設(shè)定波特率、幀結(jié)構(gòu)和使能。而對中斷驅(qū)動的串行收發(fā)器進行初始化，應(yīng)先將全局中斷標志位清零[8]。TXEN控制數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)其使能時串行收發(fā)器代替TXD引腳的I/O性能作為串行輸出引腳；RXEN控制數(shù)據(jù)接收，當(dāng)其使能時串行收發(fā)器代替RXD引腳的I/O性能作為串行輸入引腳。RS 232串行通信流程如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)采集測試

作為本系統(tǒng)的主要功能之一，濕度數(shù)據(jù)采集的準確性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。加工過程中籽棉的濕度最大，特別需要測試。其中籽棉質(zhì)測站的濕度檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1和表2中的數(shù)據(jù)計算可知其測量誤差<0.5%RH[測量誤差=實際值-標準值]，相對誤差<7%[相對誤差=測量誤差實際值]，通過計算兩組數(shù)據(jù)的3倍標準差可知系統(tǒng)檢測濕度誤差在1%RH左右，并且系統(tǒng)濕度響應(yīng)時間為30 s。達到了系統(tǒng)的設(shè)計標準，提高了系統(tǒng)的工作效率，也滿足了可靠性與準確性的需求。

5 結(jié) 論

本設(shè)計結(jié)合實際情況研發(fā)了一套棉花濕度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了棉花濕度檢測的規(guī)范化和自動化，順應(yīng)信息化發(fā)展大趨勢的同時也使日常管理變得更加方便。該系統(tǒng)以AT89C51單片機作為控制核心，具有較穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換電路，選用HIH3610濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)存儲和顯示，對超限情況可實現(xiàn)報警功能，通過按鍵電路可實現(xiàn)人機互動，同時可實現(xiàn)濕度的多點檢測并與PC機實現(xiàn)串口通信。該系統(tǒng)具有集成度高、工作穩(wěn)定、準確耐用等優(yōu)點，有一定的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

注：本文通訊作者為劉同策。

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