原棉水分測定儀的工作原理及硬件電路設計

1、 摘 要本文介紹了原棉水分測定儀的工作原理及硬件電路設計。根據(jù)電阻式棉花水分測定儀原理，利用at89c51.cc03新型單片機設計了一種棉花水分測定儀。此芯片片內采用閃爍存儲（flash memory）制造技術，無須外加eeprom，并有內置adc模數(shù)轉換器；功耗低、可加密、低價格、支持兩種可選的省電模式休眠模式和掉電模式。該儀器用半導體溫度傳感器實現(xiàn)了半自動測試、溫度自動補償，具有自動換檔功能，語音報警功能，顯示采用點陣式液晶片，能顯示所測棉花回潮率及相關的提示漢字；棉花壓緊機構的運動位置由霍爾傳感器自動判斷，測量結果的溫度補償由單片機的計算功能實現(xiàn)。具有測試快捷、數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確、使用方便等特

2、點。關鍵詞：棉花回潮率；單片機；水分測定儀；自動溫度補償；液晶顯示 abstractintroducing the raw cotton humidity measures the work principle and the hardware telephone designs of the instrument. according to the resistance method cotton humidity test principle, made use of a machine of at89c51cc03 to design a kind of cotton humidity

3、measurement instrument the adoption scintillation storage( the flash memory) manufacturing technique inside this chip slab, need not the in addition eeprom, also inside place the adc mold few transducer ; the consume low, can encrypt, the low price space, support two kinds of provinces of eligibilit

4、y electricity mode-dormancy mode and drop to give or get an electric shock the mode . that instrument spread the feeling machine to carry out the semiautomatic test, the temperature auto with the temperature of semiconductor offset, have the au to shift gear the function, the speech reports to the p

5、olice the function, display adoption dot a type lcd slab, can display the cot ton measure to return to the tide rate and related chinese characters of prompts ; the cotton compress tightly the sport location of the instrument to be spread the automatic judgment of the feeling machine by the pressure

6、 pickup , measuring the temperature compensation of result to be carry out by the computing function of a machine. have the test fast, the data stabilization is accurate, usage convenience etc. characteristics.keywords: cotton moisture content; microcomputer; the humidity measurement instrument; aut

7、o temperature compensation; the lcd manifestation目 錄摘 要i目 錄iii第一章 緒 論11.1課題來源11.2課題研究的目的和意義21.3國內外現(xiàn)狀21.4論文的主要內容4第二章 課題簡介及設計要求52.1課題簡介52.2設計要求62.2.1總體要求62.2.2性能指標72.3 本章小結7第三章 儀器硬件設計83.1總體方案設計83.1.1 方案設計83.1.2 單片機外圍電路設計方案93.1.3 測溫電路設計方案比較103.2各模塊設計113.2.1電源設計113.2.2測水電路設計183.2.3 測溫電路設計193.2.4 顯示電路設計2

8、13.2.5 語音電路設計223.2.6 單片機外圍電路設計263.2.7 其它電路及設計273.2.8 硬件總圖313.3 本章小結33第四章 硬件電路仿真344.1仿真平臺簡介344.2仿真結果分析364.3 本章小結42第五章 結論與展望435.1結論435.2展望43第六章 設計心得44參考文獻45致 謝47附 錄48第一章 緒 論1.1 課題來源棉花在收購或買賣時需要根據(jù)國家的相關標準測試一些數(shù)據(jù)，回潮率是其中的一項重要的指標，是影響棉花的品級和棉花加工質量的一個關鍵參數(shù)，也是棉花加工質量監(jiān)控系統(tǒng)中的一項重要控制參量，對于收購棉花的公司和使用棉花的企業(yè)來說都具有重要意義。gb1103

9、-1999棉花細絨棉國家標準將檢驗分成兩部分，即品質檢驗和公量檢驗。品質檢驗內容包括品級、長度、馬克隆值、異性纖維、斷裂比強度、短纖維率、棉結的檢驗；公量檢驗內容包括含雜率、回潮率、籽棉公定衣分率和成包皮棉公量的檢驗。原棉實際回潮率是決定公量計算的關鍵因素之一，而棉花的品質一般在其生長、加工過程中就已決定，因此在實際工作中，人們往往比較注重回潮率對公量多少的影響，卻很少去注意回潮率與品質檢驗的關系。 但事實上，棉花的回潮率對其品質檢驗同樣有著不可忽視的影響。回潮率過高，則棉纖維彈性減小，光澤降低，而強力增大；回潮率過低，則棉纖維彈性增大，光澤上升，而強力下降，從而對棉花的正確定級產生誤導。在籽

10、棉水分控制上，gbl103l999 棉花細絨棉規(guī)定棉花公定回潮率為8.5，棉花回潮率最高限度為l0.5。正常采摘的棉花水分含量一般在l3左右。近幾年來少量棉農質量意識淡薄，采摘露水花，不曬交售。露水花的籽和纖維都會含有大量的水分，一般在l3%l4%左右。更有一些不法棉販從棉農手里套購籽棉(占收購數(shù)量80%)進行摻水，性質十分惡劣。摻水籽棉水分在l4%以上，最高的可達20%30%。而收購加工企業(yè)敞開收購，收購水分標準為l4%，超一扣一仍照收不誤，因此造成了部分地區(qū)90%以上為超水分籽棉的嚴重后果。超水分籽棉對棉花質量的危害在于棉花收購、加工、儲存各個環(huán)節(jié)，對皮棉質量造成相當大的影響。從籽棉收購環(huán)

11、節(jié)看，收購的超水分籽棉成堆擠壓后，由于微生物的作用，籽棉堆開始發(fā)熱，溫度越高，微生物運動速度越快，有時棉堆內部溫度可達7080。棉纖維表皮層是由蠟質、脂肪、果膠、多縮戊糖等物質組成。這些物質在高溫下開始溶解，溶解后的籽棉會出現(xiàn)高熱，伴有黏液和發(fā)酵后的異常氣味。這種棉纖維遇空氣迅速氧化變黃，軋后皮棉最高不超過五級。當超水籽棉溫度達到一定程度后，纖維開始炭化，甚至可引起自燃火災。從加工環(huán)節(jié)看，籽棉如果超過l2%的水分，機械就不能正常運轉，特別是軋花機。當籽棉形成棉卷后，由于籽棉水分過高，高速運轉時容易板結而造成停車，不可能形成蓬松棉卷狀態(tài)，軋后皮棉出現(xiàn)異常形狀、無光澤、色呆甚至暗灰。目前，部分軋花

12、廠具備籽棉烘干條件，但烘干溫度過高，同樣對纖維有損傷，并會使衣分不正常，增加了短纖、棉結等雜質。一般來講，相同等級的正常水分的籽棉和超水分籽棉加工后皮棉質量有一個級的差別。從儲存環(huán)節(jié)看，由于超水分皮棉經過加壓后包內密度很大，纖維變異快，貯存一段時間后會形成板結、棉纖維泛黃等質量變異，嚴重影響皮棉質量和使用價值。棉花水分測定的標準方法是烘干失重法。這種方法測量準確，重復性好，但需要天平、烘箱等實驗設備，只宜用于實驗室使用，不能滿足棉花收購現(xiàn)場的使用要求。近年來，隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，以電測法為代表的棉花水分快速檢測技術迅速發(fā)展，新型棉花水分快速測定儀器不斷問世，但由于受棉花品種、品

13、質的影響仍不夠完善，使得我國棉花收購長期存在依靠收棉人員憑感官判定棉花水分含量的問題，無法從根本上保證國家的棉花收購質量。本課題根據(jù)當前市場上的棉花水分測試儀存在不足之處，運用單片機技術進行設計的。1.2 課題研究的目的和意義 隨著技術的不斷革新，新型電子產品不斷的問世，市場上現(xiàn)有的棉花水分測定儀顯得有些陳舊，不能滿足棉檢的要求。本課題研究的原棉水分測定儀是根據(jù)gb6102.2-85電測器法的有關規(guī)定,在保持傳統(tǒng)電測器的壓力、取樣數(shù)量、極板面積和上、下層電壓參數(shù)不變的條件下,采用新型單片機控制（有內置eeprom及模數(shù)轉換器）,選用cmos集成電路,用液晶顯示代替指針式儀表,用半導體溫度傳感器

14、代替熱敏電阻,用快速推拉式機構（霍爾傳感器自動判斷壓力到位）代替?zhèn)鹘y(tǒng)螺旋式壓力器等,實現(xiàn)了快速測試、溫度自動補償、數(shù)碼顯示、語音提示換檔和顯示測試結果等功能。 棉花水分是指棉纖維中含有的水分子。棉花含水量的多少影響棉花的真實重量和棉纖維的物理、化學性能，對棉花生產、收購、初加工、運輸儲存及紡織使用等方面，都有密切的關系，因此,原棉水分測定是棉花檢驗的一個重要環(huán)節(jié),但原棉水分受環(huán)境影響大,測試結果隨機性強,因此,選擇性能穩(wěn)定、環(huán)境適應性強、測量準確、使用方便的測量儀器,對嚴格收購標準,確保棉檢部門的權威性和公正性具有重要意義。1.3 國內外現(xiàn)狀1991年，人們對電阻式水分儀的測試方法開始進行考證

15、，目的是為了提高這種測試儀的測試準確度。通過這項研究，又派生出了一種新型的電阻式水分測試儀，這種新型的水分測試儀的測量精度至少達到了烘箱式測水法的測量精度。它的測值準確，并且在分級室的條件下，它使用可靠。anthony和byler 先生于1994年對目前所用于扎花廠水分測試的測試系統(tǒng)進行了測試研究，人們尋求一種價格較為便宜的替代品（測試儀）-復阻抗式水分測試儀，這種型式的測試元件可用于水分自動控制系統(tǒng)。1995年一種電池供電便攜式水分測試儀研究出廠并且經過了測試值校正和檢驗。這種儀器功耗比較低，主要用于自動化測試室或扎花廠，但是它沒有配置顯示裝置，只能將測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪慌_計算機上去貯存和顯

16、示。2002年7月，誕生了基于電阻測量原理的新型棉花水分在線自動測量儀。2004年，研制出了mws型原棉水分測定儀。目前，電阻式水分測試儀已經用于扎花廠、棉花收購、棉檢部門多年。國內最常見的測試方法有兩種:烘箱法和直流電阻法。利用烘箱法測定棉花回潮率的基本方法是通過電熱絲加熱,將烘箱內空氣溫度升高至一定值,使箱內的水分蒸發(fā)于熱空氣中。烘箱內熱空氣中水分含量不斷增加,并通過排氣裝置將濕熱空氣排出箱外,為棉花內所含水分不斷蒸發(fā)散失創(chuàng)造條件。由于棉花內水分不斷蒸發(fā)散失,重量不斷減少,當重量烘干不變時,即為棉花的干重。根據(jù)國際標準規(guī)定,烘箱應使用通風烘箱,供給預干燥空氣(水分含量小于0.01g/cm3

17、),烘箱內的氣流速率為4min內至少為箱內體積的1倍。國內的烘箱主要為y802型和y802a型兩種,y802型恒溫烘箱是對流式通風箱,通風良好,缺點是箱內溫度差異較大,在稱重時有氣流影響,但基本上滿足通風的要求。y802a 型恒溫烘箱是半封閉式烘箱,烘箱內用一個風扇推動空氣在箱內流動,箱內外通風不良,不能換氣,試樣中蒸發(fā)的水分大部分留在烘箱內,不能散發(fā),所以箱內濕氣的相對溫度偏高,測得回潮率偏低。烘箱法測量棉纖維回潮率的實驗步驟主要有以下幾步:1、校正鏈條天平,調節(jié)接觸濕度計的接觸點在規(guī)定范圍。開啟烘箱電源總開關,供烘箱內加熱。 2、取一個干凈的稱量瓶及一定棉花(約2g),將棉花裝入稱量瓶中,

18、在天平托盤上稱量,并記下數(shù)據(jù)。稱取時動作必須敏捷,以防止試樣在空氣中吸濕或放濕。 3、將裝有棉花的稱量瓶瓶蓋打開,迅速放入烘箱中烘烤,烘箱溫度大約為1052。4、半小時后,蓋上稱量瓶瓶蓋并將其取出,立即放入干燥器中。 5、待冷卻后,將其放在天平托盤上稱量,并記下數(shù)據(jù)。6、將稱量瓶連同棉花再次放入烘箱烘烤半小時后取出并冷卻,再次在天平托盤上稱量,并記下數(shù)據(jù)。若前后兩次稱得的干重之差與后一次干重之比小于0.05%,則后一次重量即為干燥重量。7、應用公式： (其中w 為紡織材料的回潮率,g為紡織材料的濕重,g0為紡織材料的干重),計算棉纖維的回潮率大小。烘箱法的優(yōu)點是測試結果穩(wěn)定、準確、一般不受環(huán)境

19、條件的影響。烘箱法的缺點是“耗能、費時” (功耗2.75kw，每次試驗時間至少3小時)，故不能滿足快速測試和纖維收購部門收購現(xiàn)場測試的需要。y412系列原棉水分測試儀采用直流測試技術可實現(xiàn)對原棉回潮率的快速測試，是目前國內應用最為廣泛的快速測濕儀。但是，y412系列原棉水分測試儀采用直流測試技術且利用表頭通過逐臺儀器進行標定來確定回潮率顯示刻度，存在如下幾個缺陷: 1、由于每臺儀器出廠前均需經過標定，當儀器使用一段時間后，必須經常利用烘箱法對儀器進行校正，否則其誤差將不可預測。2、互換性差，y412系列原棉水分測試儀只能用于棉花的含水率測試，不能用于其它纖維的含水率測試。對于以上缺陷可利用單片

20、機及其數(shù)據(jù)處理功能加以解決。 國家標準gb6102.285原棉回潮率試驗方法電測器法對電測法所用的電測器的技術條件作了如下規(guī)定： 1、測量電壓：3605v； 2、極板壓力：755kg； 3、極板面積：235100； 4、表頭刻度：分度為0.1%，用棉花電阻校驗箱校驗時，表頭指針偏差不大于0.05%； 5、棉花電阻校驗箱：1m以上，阻值誤差不大于1%，1m以下，阻值誤差不大于0.5%； 6、壓力校驗器：755kg；經大量的試驗和應用經驗表明，下層測水電壓為：451.125v。1.4 論文的主要內容本論文研究的是棉花水分測定儀。此儀器主要包括硬件和軟件的研究，其中我承擔儀器硬件部分的設計，另外一位

21、同學作軟件部分的設計。在論文的第一章中闡述了課題研究的來源、目的、意義以及國內外研究的現(xiàn)狀。第二章闡述了課題的簡介，總體設計要求及性能指標。第三章闡述了儀器的硬件設計：總體方案的比較、各模塊電路的設計及pcb板的生成。第四章闡述了仿真平臺說明及局部電路的仿真。第五章闡述了設計結論與展望（總結全文）。最后第六章設計心得。第二章 課題簡介及設計要求2.1 課題簡介本課題主要研究一種新型的采用電測法來快速測量棉花回潮率的儀器。近年來，隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，以電測法為代表的棉花水分快速檢測技術迅速發(fā)展，新型棉花水分快速測定儀器不斷問世，因此，本次研究的棉花水分測試儀就應該相對于市場上現(xiàn)有

22、的測試儀，有更多的優(yōu)點。該儀器采用電阻法測水原理,即不同含水率的棉花導電性能不同,含水率高的電阻小,含水率低的電阻大,且二者之間呈非線性的負相關系,即 (其中m為質量比電阻, m 為含水率,k為常數(shù),n=11.4),故不能用所測電阻直接求出回潮率,而要以電阻轉換的數(shù)字信號作為存儲器的回潮率數(shù)據(jù)地址,查表求得對應的回潮率值。此外,棉花的密度、溫度及外加電壓對其電阻影響也很大,因此測量時要有溫差補償電路,并固定棉花的密度和外加電壓,消除這些因素對測試結果的影響?；爻甭蕿樵嚇又形乃空荚嚇痈稍镏亓康陌俜致省Ｓ孟率奖硎荆?(1)式中： w- 回潮率； - 濕纖維重量（g）； - 干纖維重量（g）。

23、棉纖維的回潮率是指纖維在各種大氣環(huán)境下自然吸收水分的能力,根據(jù)使用目的的不同還可分為標準大氣條件回潮率和公定回潮率。棉纖維在標準大氣條件下(溫度為202,相對濕度為65%2%)的回潮率,稱為標準大氣條件回潮率。國家為了貿易和成本核算等需要,由國家對各種纖維規(guī)定的回潮率,稱為公定回潮率。棉花水分快速測定的影響因數(shù)有：1、棉花的纖維長度 ；2、棉花的纖維細度； 3、棉花的纖維卷曲；4、棉花的纖維成熟度；5、棉花的溫度；6、其他因數(shù)（棉花的含油率、含糖量、緊實度、陳化及棉花中的不孕種子、棉子、破子等雜質）。溫度補償規(guī)律。棉纖維中所含的水分是電的導體，水的溫度越高，導電性越強。對于上、下層而言，在溫度

24、0+41的范圍內，同一水分含量的棉纖維，溫度相差1時，其回潮率差異為0.1%。若以26為基準溫度，被測棉纖維的溫度按每升高1減少回潮率0.1%，每降低1增加回潮率0.1%，以此類推進行補償。補償規(guī)律公式如下： (2)式中： w 為溫度補償后的回潮率； w- 為未進行溫差補償?shù)幕爻甭剩?k 為溫度補償系數(shù)，上、下層為0.1； t 溫度值。表2-1 基準溫度下相應回潮率的棉花電阻值上 層下 層回潮率（%）對應電阻值（m）回潮率（%）對應電阻值（m）730.85130.15087.30140.07193.150150.040101.62110.710120.28在本次研究的儀器中，主要涉及溫度、濕度

25、傳感器、電子技術、計算機技術、信息處理以及有關棉花專業(yè)知識。在儀器中引入新型單片機，利用其超強的信息處理能力，可大大改善儀器的功能和性能，可以使儀器做到體積小、結構簡單、功耗低。利用單片機的軟件來設置測量基準，是避免棉花品種、品質影響的最有效方法。利用霍爾器件的磁敏特性，通過感應彈簧壓緊到位后發(fā)出信號讓單片機發(fā)出開始測量信號，實現(xiàn)了對壓緊到位的自動判斷。為提高傳感器取樣的準確性，研制避免人為因數(shù)影響和不均勻因數(shù)影響的棉花水分取樣傳感器。加強儀器的數(shù)據(jù)處理能力，利用單片機軟件設計來實現(xiàn)采用各種去誤差的方法提高水分快速測定的準確性與重復性。2.2 設計要求2.2.1 總體要求要求所設計的棉花水分測

26、定儀體積小、性價比好、測試快捷、數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確、使用方便等特點。具有自動換檔功能、語音報警功能，水分儀顯示采用點陣式液晶片，顯示所測棉花回潮率及相關的提示漢字。儀器的測量誤差要小于國家標準。2.2.2 性能指標測量水分范圍：7.015%u 環(huán)境溫度：041測量精度:0.5% 顯示時間：3秒u 顯示：液晶顯示 溫度補償：041u 電 壓：360v和45v 壓力器整定壓力：75kg水分儀具有自動換檔功能，語音報警功能，能顯示所測棉花回潮率及相關的提示漢字。（其中測量水分范圍中，上層為7%12%，下層為13%15%）2.3 本章小結本章首先介紹了電阻法測水原理，以及棉花回潮率的概念，并給出了回潮率的定

27、義公式；然后對棉花水分測定相關影響因數(shù)作了說明，其中詳細說明了溫度的影響，并給溫度補償規(guī)律公式。最后，文章給出了本次畢業(yè)設計的總體要求和性能指標。第三章 儀器硬件設計3.1 總體方案設計3.1.1 方案設計原棉水分測定是棉花檢驗的一個重要環(huán)節(jié),但原棉水分受環(huán)境影響大,測試結果隨機性強,因此,選擇性能穩(wěn)定、環(huán)境適應性強、測量準確、使用方便的測量儀器,對嚴格收購標準,確保棉檢部門的權威性和公正性具有重要意義。此原棉水分測定儀是根據(jù)gb6102.2-85電測器法的有關規(guī)定,在保持傳統(tǒng)電測器的壓力、取樣數(shù)量、極板面積和各層電壓參數(shù)不變的條件下,采用單片機控制,選用cmos集成電路,用數(shù)字顯示代替指針式

28、儀表,用半導體溫度傳感器代替熱敏電阻,用快速推拉式機構代替?zhèn)鹘y(tǒng)螺旋式壓力器等,實現(xiàn)了快速測試、溫度自動補償、數(shù)碼顯示、語音提示換檔和顯示測試結果等功能。測試過程：將50g的被測棉花放入由2個極板組成的水分傳感器中,推動壓力器,帶動活動極板移動壓縮被測棉花,當極板到指示位置(即壓力為75kg)時,通過霍爾傳感器電源開關自動接通,9v干電池經直流電壓變換器生成上、下層測試電壓；水分傳感器將棉花水分轉換成取樣電阻rqy的電壓信號,經測水電路放大后輸出，再經a/d轉換后送入單片機寄存；溫度傳感器將溫差信號轉換成電信號,經測溫電路放大,a/d轉換后送入單片機寄存,單片機將2個信號運算處理后，送lcd液晶

29、顯示器上顯示出來。如果超出測量范圍，單片機還會發(fā)出信號，使語音芯片發(fā)出語音報警。系統(tǒng)cpu選擇atmel公司的c51系列單片機at89c51。cc03,此芯片片內采用閃爍存儲（flash memory）制造技術，無須外加片外存儲器，并有內置adc模數(shù)轉換器；并且具有功耗低、可加密、低價格、支持兩種可選的省電模式休眠模式和掉電模式。因此，是一款性價比較高的cpu芯片。硬件電路按照模塊化設計方法設計,其中包括脈沖電源倍壓電路、單片機硬件電路、上下層測水電路、溫度補償電路、語音電路、顯示電路及欠電壓檢測電路等。總體硬件框圖如圖3-1：圖3-1 總體硬件框圖3.1.2 單片機外圍電路設計方案在現(xiàn)有的棉

30、花水分測定儀中，單片機外圍電路設計大同小異。單片機基本采用8051或at89c55。雖然這些單片機功耗低，有些芯片片內采用閃爍存儲（flash memory）制造技術，并且具有功耗低、可加密、低價格、支持兩種可選的省電模式休眠模式和掉電模式。但是在使用這些單片機設計電路的時候都需要外接一塊eeprom芯片，以存取測量數(shù)據(jù)用；而且在將棉花水分測量及溫度測量的模擬數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字量的時候，需要在單片機外面接一塊模數(shù)轉換芯片，這樣就大大增加了pcb板的印刷面積，而且元件的數(shù)量也相應增加了，給芯片之間的連接帶來了麻煩。現(xiàn)有儀器中的單片機部分，如圖3-2：圖3-2 單片機內無eeprom及adc 在本次設

31、計中單片機選用atmel公司的at89c51.cc03，芯片具有普通單片機的存儲器，有256個字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram）,有2048個字節(jié)的eram, 64k的flash程序存儲器，2k flash啟動載入程序（boot loader）存儲器，2k字節(jié)的eeprom；并且具有內置的10位(也可8位)的模數(shù)轉換器，p1口為模數(shù)輸入口。擁有三個16位定時計數(shù)器，全雙工uart 兼容80c51。at89c51.cc03主要是給予對電磁式放射量的減少。選用此芯片后可使硬件設計的工作量減少，而且芯片的性能更穩(wěn)定。（具體設計見3.2.6）adc的分辨率是指使adc輸出數(shù)字量最低位變化1所對應的模擬

32、量輸入電壓變化值，在此單片機中的adc的分辨率為5v/210=4.98mv/s,符合轉換的使用要求。3.1.3 測溫電路設計方案比較在本設計中溫度自動補償電路有兩種設計方案：溫度傳感器采用熱敏電阻，利用電橋平衡原理進行溫度的采樣，然后放大送到adc轉換器。溫度傳感器采用半導體器件，利用半導體溫感的電阻隨溫度變化而產生電阻的變化，使lm324的輸出產生變化，通過二級lm324對信號的放大，然后送到adc轉換器，送入單片機進行處理。直流電橋電路如下圖3-3：圖3-3 直流電橋電路 四個電阻r1、r3和r4、r2兩兩串聯(lián)（接點為a和b）接直流電源e。根據(jù)串聯(lián)電路電阻分壓關系，得c、d兩點的電壓分別為

33、： = （3） = （4）當=， = 時，則有 = （5）這就是通常所說的電橋平衡條件。也就是說當r1：r2 =r3：r4時，vc =vd，連接在c、d兩點的電流表就沒有讀數(shù)。若r3采用熱敏電阻，當溫度上升時。r3的阻值并降低，于是r1：r2不等于r3：r4，電橋的平衡條件就被破壞，c、d兩點間就有了電位差，電流表就有了讀數(shù)，r3的阻值降低越大，c、d兩點間的電位差就越大，電流表的讀數(shù)就越大。適當選取橋臂電阻的阻值就可以使電表指針在零點和滿度之間變動。 以上所講的是電阻r3的阻值從大到小，電源極性如上圖連接時的情況，c點的電位比d點的電位高，電流就從c點流向d點，電流極性應c點接正，d點接負。

34、如果電源極性反過來接，則電表指針倒轉，就應該將電流表極性也反過來接，或者r3、r4位置對調。在溫差測量電路中，參數(shù)設計應使電橋從不平衡到平衡。電橋一開始就工作在不平衡狀態(tài)，通常取r1=r2，而r3總是小于r4，使電橋一開始就達到滿度值，逐漸增大r3的阻值，可使電表指針從滿度逐漸下降，當r3增大到等于r4時，指針降到零位線，此時c點電位等于d點電位，電流表中沒有電流流動，電橋平衡。用dt為hhpn結型半導體溫度傳感器,由于dt是線性元件,當溫度在041變化時,溫度電路的輸出也是線性的。當溫度升高1時,其正向電壓降低4mv,因此,根據(jù)管壓降的變化量可以確定溫度補償值。（具體設計見3.2.3）3.2

35、 各模塊設計3.2.1 電源設計一、+5v電壓產生電路設計 該電路核心芯片采用三端固定式集成穩(wěn)壓器7805，它是固定輸出電壓式穩(wěn)壓器，片內具有過流保護和過熱保護功能，外接兩只電容就可以構成穩(wěn)壓電路。當輸入電壓vi、輸出電流io或溫度發(fā)生變化時，輸出電壓vo可保持不變；另外，當輸出短路，可使輸出電流io限制為一定值；若集成穩(wěn)壓器過熱，則穩(wěn)壓器停止工作，以免穩(wěn)壓器遭到損壞?；緫秒娐啡鐖D3-4：圖3-4 7805的基本應用電路 圖3-4中電路輸入電壓有波動時，為了使電路能穩(wěn)定工作，在輸入和輸出部分分別接入電容c2、c3。c2為輸入穩(wěn)定電容，當穩(wěn)壓器輸入阻抗降低時，防止發(fā)生振蕩，可采用0.11uf

36、的陶瓷電容或鉭電容。c3為輸出穩(wěn)壓電容，對于降低輸出紋波、輸出噪音及負載電流變化的影響有好的效果，可采用0.11uf的陶瓷電容或鉭電容。當集成穩(wěn)壓器上加電壓vivo，vo3.5v 時，此端開路；v+ 3.5v時，應將此端接地。以改善電路的低壓工作性能。osc(7)：振蕩器外接電容或時鐘輸出端。此端不接電容時，振蕩頻率為10khz，若需降低內部振蕩頻率，應外接電容c。當c=100pf時，flkhz；c=1000pf時，f100hz。振蕩信號亦可由此端引出。v+ (8)：正電源端，范圍為1.510.5v。將+5v電壓變換為-5v電壓的具體電路設計如圖3-7：圖3-7 7660的引腳排列 圖3-7中

37、的c20、c25均采用10uf的鉭電容，以提高電源轉換效率。需要指出的是：當v+ +6.5v時，為避免芯片損壞，輸出電路須串接一個二極管vd。該電路的最大負載電流為10ma。三、-12v電壓產生電路（提供給t6963c） 本設計中采用dcdc變換器控制集成電路mc34063。該器件本身包含了dcdc變換器所需要的主要功能的單片控制電路。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，r-s觸發(fā)器和大電流輸出開關電路等組成。該器件既可用于升壓變換器也可用于降壓變換器的控制，由它構成的dcdc變換器僅用少量的外部元器件。主要特征：輸入電壓范圍：2.540v輸出電壓可調范圍：1

38、.2540v輸出電流可達：1.5a工作頻率：最高可達100khzmc34063的封裝形式為塑封雙列8引線直插式，其引腳排列如圖3-8：圖3-8 mc34063引腳排列引腳說明：1、引腳為開關管集電極。2、引腳為開關管發(fā)射極。3、引腳為定時電容。4、引腳為接地端（gnd）。5、引腳為比較器反相輸入端。6、引腳為電源端（vcc）。7、引腳為ipk檢測端。8、引腳為驅動管集電極。 該器件組成dcdc降壓變換器電路時，比較器的反相輸入端(腳5)通過外接分壓電阻r30、r31監(jiān)視輸出電壓uo（參照設計電路），其中，輸出電壓： （6）由公式可知輸出電壓uo，僅與r30、r31數(shù)值有關，因1.25v為基準電

39、壓，恒定不變。若r30、r31阻值穩(wěn)定，uo亦穩(wěn)定。在設計dcdc變換器時，首先應確定的參數(shù)如下(參照設計圖3-9)：u (輸入電壓)：如果該電壓不是一個穩(wěn)定的值，那么，對于降壓變換器，應該取ui的最大值進行計算；對于升壓變換器，應該取ui的最小值進行計算。 (輸出電壓)：它的穩(wěn)壓值由和決定，其計算公式為： （7）(輸出電流)：是dcdc變換器的輸出電流。(振蕩器頻率)：它決定開關管的通斷頻率。(輸出電壓紋波峰-峰值)：該參數(shù)用于決定輸出濾波電容的數(shù)值。具體的電路設計如圖3-9（此電路為自行搭成的-12v電壓產生電路）：圖3-9 -12v電壓產生電路四、上、下層測量用電壓電路設計1、穩(wěn)壓電路部

40、分設計本設計采用lm317穩(wěn)壓電路進行設計。lm317為三端可調式集成穩(wěn)壓器，輸出電壓由2個外接電阻設定。其三個輸出端為vi、vo、adj，工作時在vo與adj之間常為恒定電壓vref，若調整adj的電壓為vadj，則輸出電壓，調整vadj就可以得到任意輸出電壓vo。在本電測器中，以lm317為核心組成的可調直流電源，與傳統(tǒng)電測器中由分立元件搭成的串聯(lián)負反饋式穩(wěn)壓電源相比，具有使用元件少，調整方便，性能可靠等優(yōu)點。其具體設計如圖3-10：圖3-10 以lm317為核心的穩(wěn)壓電路圖3-10中電阻r4=100、r8=240電位器w1為150。根據(jù)公式，當電位器w1調到零時，輸出電壓取得最小值： （

41、8）當電位器w1調到最大阻值150時，輸出電壓取得最大值： （9）則可調直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓調節(jié)范圍為4.256.1v，可以滿足上、下層電壓調整的需要。 2、脈沖直流電壓變換器的設計此直流電壓變換器由推挽振蕩器，升壓變壓器，倍壓整流濾波等三部分組成。 推挽振蕩器它由三極管v1、v2和脈沖直流電壓變壓器的初級構成（如直流電壓變換器圖）。圖中r15為v1、v2的偏置電阻，wc1、wc2是變壓器的初級線圈，wb1、wb2是反饋線圈。電源接通后，由直流穩(wěn)壓電源供給的直流電壓通過r15和反饋線圈wc1、wc2向v1、v2 注入電流而同時導通，但兩管工作狀態(tài)不可能完全對稱。例如，v1的導電能力比較強（即

42、放大倍數(shù)較大），流過wc1集電極電流較大，集電極電壓向正方向增長。由于wc1和wb1之間的耦合作用使v1的基極電壓向負方向發(fā)展，結果v1的基極電流進一步增強，集電極電位進一步趨正，這樣強烈的正反饋過程，使電流增長很快，直到變壓器達到飽和為止。這時v1也開始由放大狀態(tài)進入了飽和導通狀態(tài)，同時由于變壓器初級線圈的自感作用，使v2的集電極向負方向增長，通過wc2和wb2的耦合作用，使v2基極電壓向正方向變化，使v2注入的電流減小，導電更弱，結果使v2很快截止，相當于開關斷開。 當鐵芯里的磁通飽和后，磁通變化率等于零，變壓器線圈上的感應電動勢也隨著消失，各線圈內的電流此時急劇減小，因此而引起極性相反的

43、感應電動勢產生。同樣在正反饋作用下，原先導通的管子電流迅速減小而截止，而原先截止的管子很快導通飽和，v1和v2周而復始的輪流導通和截止，使變壓器的初級流過交變電流，由于兩管子連接成了推挽電路，加強了正反饋作用，輸出波形較好，變換速率高，損耗小。電容c1的作用是提供交流通路，使基極有足夠的正反饋電流，有助于電路的翻轉。 升壓變壓器脈沖變壓器（如圖3-11），變壓器次級線圈設計成升壓方式，當初級線圈中有交變電流流過時，通過此變壓器，在次級線圈中便產生升高的電壓。 圖中wb1、wb2用漆包線雙線并繞8圈；wc1、wc2為44圈。次級繞組ws為1620圈，得上層交流電壓180v，于203匝處抽頭得下層

44、交流電壓22.5v。變壓器的次級線圈的計算可根據(jù)下式： （10）式中： - 初級線圈的匝數(shù)； - 次級線圈的匝數(shù)； - 原邊電壓； - 負邊電壓； 脈沖變壓器是直流電壓變換器中最關鍵的一個元件，要求分布電容小，波形好，漏磁小，工作效率高。因此變壓器的線圈繞制要合理，鐵芯應具有較高的導磁系數(shù)。故選用磁感應強度較高的型號為e12的氧化鐵，為了減少漏磁，變壓器外殼用銅或鋁制作。 倍壓整流濾波電路倍壓整流濾波電路的優(yōu)點在于可以用一個較低電壓的變壓器線圈，獲得較高的直流輸出電壓，可減少變壓器的次級線圈匝數(shù)，縮小體積。但其負載能力較差，僅適于輸出電流較小而電壓較高的設備。 倍壓整流器由硅整流二極管d1、d

45、2和電容c4、c7組成（如圖3-11）。為泄放電阻，是為了進一步減小不同回潮率棉花對輸出電壓的影響而設置的。 工作原理：設變壓器次級感應電壓為e，在某一瞬間，e為下正上負時，d1導通，c4被充電到e，m點為正，h點為負，因d2不導通，故c7的兩端電壓為零。當e為上正下負時，d2導通，d1截止，c7被充電到e，n點為負，極性與c4兩端一致，成串聯(lián)關系。因此，h、n兩點的電壓等于c4和c7上電壓迭加，于是就獲得了二倍于e的直流輸出電壓，即。 儀器中需要360v和45v兩路直流電壓，設計變壓器次級交流電壓應為180v和22.5v，經過二倍壓整流后可達到所需電壓。 在倍壓整流電路中，應注意二極管和電容

46、器的耐壓，以免耐壓不夠造成元件擊穿損壞。由圖，每個二極管所受到的最大反向電壓為： （11）電容c4、c7上承受的最大反向電壓為： （12）式中： e - 直流電壓，交流電壓有效值； - 交流電壓峰值；由以上公式可算出，電容器和二極管在最高工作電壓條件下（上層）應確定的耐壓值分別為：二極管500v、電容器260v?？紤]到安全系數(shù)，二極管的耐壓值應該取600v以上為宜，電容器的耐壓取400v為宜。 圖3-11 直流電壓變換器直流電壓變換器的工作過程：由+9v干電池供電，加到lm317可調穩(wěn)壓器上，由分壓電阻r4、r8和w1來確定其輸出電壓范圍4.256.1v。由穩(wěn)壓器輸出的電壓經過推挽振蕩器變?yōu)榻?/p>

47、變的電壓，然后經過脈沖變壓器進行升壓，得到上、下層測水電路的初級電壓，接著通過二倍壓整流濾波電路進行倍壓，由倍壓電路輸出上、下測水所用的電壓360v、45v。（硬件電路的各元件值如圖3-11所注）3.2.2 測水電路設計測水電路所采集到的是比較微弱的電信號，需要通過運算放大器進行放大，再將信號輸入到單片機進行相應處理。運算放大器選用低漂移型運算放大器op-07（如電路圖3-13），圖中r表示上、下層測水線路中的限流電阻，jb是由兩極板組成的測水傳感器，rqy是含水采樣電阻，阻值為1.7k，r1是運算放大器的平衡電阻，阻值為10k，r2是運算放大器的輸入電阻，阻值1k，r5和w3串聯(lián)組成運放的負

48、反饋電阻，阻值在9k左右調節(jié)，w4是運放調零電位器，阻值為20k，r13是運放輸出限流電阻，阻值為2k，c9是濾波電容，容量為1uf，c12、c13是高低頻抗干擾電容，容量分別為0.022uf和0.1uf。具體電路設計如圖3-12： 圖3-13 上層測水電路該電路的直流電壓放大倍數(shù)可用下式表示： （13）有關電阻代入，解之可得： （14）則運算放大器的輸出電壓為： （15）圖中運算放大器的電壓增益為10倍，即運算放大器對輸入的測水信號放大10倍后再輸出給單片機。該電路的工作原理如下：儀器接通電源后，首先測電壓為360v（vh），于是在由r、jb和rqy等組成的串聯(lián)回路中流過了反映棉花含水量大小

49、的電流i1，則有 （16）式中，rqy為1.7k的固定電阻。r在上層測量時整定在3.3m4.0m之間，下層測量是整定在430k600k之間。rjb是被測棉樣的電阻值，上層分布在0.288m30.85m之間，下層測量時分布在0.040m0.15m之間，所以，i1的分布應在2ua88.2ua之間。由于運放的輸入阻抗在以上，遠大于rqy，則可忽略運放輸入阻抗對i1的分流，而可認為電流i1全部流過取樣電阻rqy，則i1在rqy上的分壓就是運放的輸入電壓vi，即 （17）運放輸入電壓vi的取值范圍為3.4150.0mv，輸出電壓vo為341500mv，當被測棉樣的上層回潮率7%，下層為12%時，運放輸出

50、電壓為34mv；而當上層的回潮率為12%或下層回潮率為15%時，運放的輸出電壓為1615mv。通過以上公式可以算出，在上層回潮率為8%時，運放輸出電壓為550mv；回潮率為9%時，運放輸出電壓為880mv；回潮率為10%時，運放輸出電壓為1129mv；回潮率為11%時，運放輸出電壓為1356mv；回潮率為12%時，運放輸出電壓為1500mv（取r為3.8m）。在下層回潮率為13%時，運放輸出電壓為1356mv；回潮率為13%時，運放輸出電壓為1433mv；回潮率為15%時，運放輸出電壓為1500mv（取r為465k）。3.2.3 測溫電路設計經過3.1.3中的對測溫電路設計的方案比較后，決定采

51、用半導體測溫傳感器作為測溫元件，用lm324作為電路的運算放大器，對信號進行放大后送入單片機進行處理。具體電路設計如圖3-14：圖3-14 測溫電路圖 電路工作原理：圖3-14中的dt為pn結型半導體溫度傳感器,pn結在溫度升高1時,其正向電壓降低4mv。+5v電源經r19、w7、r29分壓后在lm324的同相輸入端上，而在反相輸入端上接入pn結溫度傳感器dt和電阻r28。流過dt的電流同時也流過r28，因此在r28上保持著恒定的電壓降。這樣，當運放輸出“1”端電壓發(fā)生變化時，它只可能是因溫度變化而造成的pn結正向壓降變化所致，即運放輸出電壓變化正比于dt的溫度變化。反映溫度變化的前級運算放大

52、器再經過后級運放放大后就得到了與dt溫度變化成正比輸出電壓vot。vot是隨著w6電位器的調節(jié)而改變。w6可實現(xiàn)對輸出幅度的標定（即每1的溫度所對應的電壓值），從而得到符合a/d轉換的分辨率的電壓vot。半導體溫度傳感器，在溫度升高1時,其正向電壓降低4mv，因此,根據(jù)管壓降的變化量可以確定溫度補償值。選擇后級放大器合適參數(shù),使其直流放大倍數(shù)約為10倍,即可滿足041的溫度要求。后級運算放大器的同相輸入端經有關電阻分壓后被固定在一個參考電壓上，其中r16、r20選擇應保證0時，運放“7”的輸出vot等于零。電路使用前的調整方法：儀器在使用前必須校準,即將溫度傳感器放于0水中,調電位器w7，使lm324的“7”端輸出vot為0v；固定電位器w7，再將溫度傳感器放于41水中,調電位器w6，使其輸出電壓vot為820mv。由于dt是線性元件，故當溫度在041變化時，溫度電路的輸出也是線性的，即按20mv/的速率變化。輸出電壓與溫度傳感器