谷物水分測量

谷物水分含量測量裝置的設(shè)計(jì)摘要：通過比較市場上幾種常用濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)谷物介電特性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出一種谷物濕度傳感器一電容式傳感器，提出了利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)谷物含水量測量裝置的具體設(shè)計(jì)方法，論述了谷物濕度測量系統(tǒng)的組成及工作原理。關(guān)鍵字：電容式傳感器電阻式傳感器單片機(jī)谷物濕度設(shè)計(jì)意義糧食水分的高低對(duì)糧食的存儲(chǔ)及加工起著非常重要的作用。谷物收獲時(shí)一般含水率較高，容易發(fā)熱、發(fā)酵并導(dǎo)致變質(zhì)和發(fā)芽率下降。為了確保安全貯存，必須將收獲后的谷物及時(shí)干燥，將水分降至安全貯藏標(biāo)準(zhǔn)。目前我國生產(chǎn)的谷物干燥機(jī)大多缺乏高質(zhì)量的水分在線檢測裝置，烘后谷物過干或未達(dá)安全水分的情況相當(dāng)普遍。達(dá)不到安全水分的谷物易發(fā)潮發(fā)熱，導(dǎo)致降等降級(jí)，甚至霉?fàn)€變質(zhì)，為確保安全貯藏，往往要進(jìn)行二次處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)工增加成本。而過度干燥會(huì)損耗商品糧重量，增加能源、人工和設(shè)備消耗，同時(shí)降低谷物烘后品質(zhì)，如出現(xiàn)裂紋、糊化粒等現(xiàn)象。為避免“欠干燥”及“過干燥”問題，干燥過程中需進(jìn)行水分在線測試。在干燥機(jī)上配備谷物水分在線測試系統(tǒng)，對(duì)谷物水分進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量，可避免干燥機(jī)烘干不足或過度干燥，并且可提高谷物烘干的均勻性，既保證了烘干的產(chǎn)量，又可保證烘后質(zhì)量，為谷物生產(chǎn)及貯藏部門帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此糧食水分的測定就有著十分重要的意義。谷物水分含量測量方法的分類目前，國內(nèi)外已經(jīng)有許多先進(jìn)的谷物水分快速測定儀器研制出來并得到應(yīng)用。按照測量原理的不同，谷物水分快速測定方法可分為電阻法、烘干法、電容法、紅外法、微波法、中子法、高頻阻抗法、核磁共振法、聲學(xué)法等。采用電阻式水分測定法，由于測量精度較低因此測定出的含水量參考意義不大；采用烘干法測量谷物的含水量，雖然精度很高，但由于它測定時(shí)間很長，操作過程復(fù)雜，因此不宜對(duì)大批量樣本進(jìn)行測定；紅外法主要用于表面水分測量，多見于紙張水分檢測中；中子法和核磁共振法基于水分中氫原子效應(yīng)，系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高，不能體現(xiàn)檢測對(duì)象的專用性；微波法是利用水對(duì)微波能量的吸收或作用于糧食的微波參量隨水分變化的原理進(jìn)行水分測量，其測量值與物料成分有關(guān)，測量電路及信號(hào)處理較復(fù)雜，價(jià)格偏高；相比較而言，電容法具有成本低、靈敏度高及動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并且適于在線測試。電容式谷物水分傳感器以谷物為介質(zhì)，利用水的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于谷物介電常數(shù)的特性來測定谷物含水率，可實(shí)現(xiàn)快速檢測。但電容傳感器所測電容值與谷物含水率之間并不是單值函數(shù)關(guān)系，其結(jié)果還受一系列其它因素的影響。兩種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比電阻式谷物水分的測量電阻式傳感器的測量原理及其電路 【課本275頁】系統(tǒng)組成及工作原理出、K、平均值、標(biāo)定值設(shè)定密碼等選項(xiàng)，只有當(dāng)操作者的K、平均值、標(biāo)定值設(shè)定密碼等選項(xiàng)，只有當(dāng)操作者的些值是不能隨意修改的。溫度傳感器用于補(bǔ)償環(huán)境溫輸入密碼與系統(tǒng)給定的密碼相同時(shí)，才能進(jìn)行標(biāo)定值的設(shè)定，度對(duì)糧食內(nèi)部水分的影響。鍵盤電路由模式鍵、加鍵、減鍵、確認(rèn)鍵、退出鍵、測試鍵、平均鍵、清除鍵、停止鍵、修正鍵等組成，用于實(shí)現(xiàn)測量品種的選擇、參數(shù)的設(shè)定與修改、測試與數(shù)據(jù)處理等工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由繼電器驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003和+5VDc繼電

器組成，測試開始時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，由電機(jī)帶動(dòng)取樣器使樣品壓結(jié)實(shí)，保持壓力恒定，以獲取比較一致的電阻取樣值，當(dāng)一個(gè)樣品測試完成后，使取樣器復(fù)位，準(zhǔn)備下次測量。單片機(jī)通過Rs232串行通信接口實(shí)現(xiàn)與Pc機(jī)的通信，把測量數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)中，以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)也可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)在線測量。信號(hào)調(diào)理電路采用555芯片構(gòu)成的非重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)電路，為提高響應(yīng)速度，555芯片采用CMOs工藝的7555型號(hào)。具體的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。+5V」MAX4624觸發(fā)輸入2下降沿有效為消除電容由于長期工作U4A21U4A-TRIGDISVSN74LS04SN74LS04路進(jìn)行測量，測出它的脈沖寬度：—CVohGNDTHR」MAX4624觸發(fā)輸入2下降沿有效為消除電容由于長期工作U4A21U4A-TRIGDISVSN74LS04SN74LS04路進(jìn)行測量，測出它的脈沖寬度：—CVohGNDTHR所產(chǎn)生的變化誤差，測量采用電阻比值103Tp1=Rref*C*ln3值法，即在測量時(shí)首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的精密參考電阻和電容構(gòu)成的電2⑴再通過導(dǎo)通電阻為1Q的電子開關(guān)MAX4函'切換到測量輸入電阻的狀態(tài)，測出它的脈沖寬度:Tp2=Rin*C*ln3式⑴和⑵相除就得到輸入電阻和脈寬的關(guān)系：=Rin=Tp2*Rref/Tp1 (3國2信號(hào)電一般情況下測量電阻和參考電阻都是兆歐級(jí)的，因此，，由電子開關(guān)引入的測量誤差可以忽略。電子開關(guān)和觸發(fā)信號(hào)都由單片機(jī)控制。脈寬的測量由單片機(jī)的外中斷和定時(shí)中斷來完成，由于單片機(jī)的外部中斷INTO和INT1均為負(fù)跳沿觸發(fā)中斷，因此在555的輸出端加一級(jí)反相器，INTO中斷采樣輸出信號(hào)的上跳沿，然后再經(jīng)過一級(jí)反相器，INT1采樣輸出信號(hào)的下跳沿。兩者采樣的時(shí)間差就是脈沖寬度。時(shí)間差的計(jì)算可由單片機(jī)的定時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)，在INTO的中斷程序里開啟定時(shí)中斷，在INT1的中斷程序里關(guān)閉定時(shí)中斷。電容式谷物水分的測量(1)電容式傳感器原理及電路電容式傳感器測量谷物水分是由于干燥谷物的相對(duì)介電常數(shù)遠(yuǎn)小于水，而含水谷物的相對(duì)介電常數(shù)是介于干燥谷物和水之間，谷物水分含量的高低直接影響谷物介電常數(shù)￡以谷物作為電容器的極間介質(zhì)，當(dāng)電容器的極板面積A和極板間的距離d保持不變時(shí)，通過測量電容器的電容值變化即可測定谷物的相對(duì)介電常數(shù)￡值，由此可獲得被測谷物的含水量。電容式傳感器采用的圓柱形結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓柱體內(nèi)芯為柱狀絕緣實(shí)體，與圓柱外壁間形成電容傳感器的雙電極，圓柱體底部與外壁間留有一定間隙，以保證谷物的流動(dòng)，并充滿圓柱體。圖(2)中，R為電容傳感器外筒的內(nèi)徑，r為電容傳感器內(nèi)筒外徑，L為傳感器放入介質(zhì)的高度。設(shè)電容器兩極板所帶電荷分別為+q和-q，忽略邊緣效應(yīng)(L?Rr)，電荷均勻分布在內(nèi)外兩圓柱面上，圓柱每單位長度所帶電荷的絕對(duì)值入=q/L。因?yàn)閳A柱電場的軸對(duì)稱性，所以兩圓柱間離圓柱軸線距離S處的電場強(qiáng)度E為：TOC\o"1-5"\h\zE=A/(2n￡Os) (1)因此，兩極板間的電勢差為： U=U1-U2=rREds=rR入2n￡0Sds=q2n￡OLlnRr (2)由電容的定義可得到傳感器的電容為： C0=q/U=2n￡OLlnRr (3)當(dāng)放入介電常數(shù)為的谷物時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)為￡r時(shí)，有： C=￡rCO=2ner￡OLlnRr (4)由此可見，傳感器電容的變化與谷物的相對(duì)介電常數(shù)成線性關(guān)系，而相對(duì)介電常數(shù)隨谷物所含水分而改變，因此可得到谷物的水分含量。圖1電容式傳感器結(jié)構(gòu)如下所示(2)電容式傳感器檢測電路電容式傳感器檢測電路采用脈沖寬度調(diào)制電路如圖2所示。該電路利用傳感器電容的充電和放電的原理，使電路輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而發(fā)生變化，通過低通濾波器可得到對(duì)應(yīng)于被測量變化的直流信號(hào)。電容式傳感器檢測電路如圖3所示電容式傳感器檢測電路由比較器人1和A2、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、電容充電、放電回路及低通濾波器所組成。其中，Cx為電容傳感器。脈沖寬度調(diào)制電路具有線性輸出，無需解調(diào)器即能獲得直流輸出的特點(diǎn)。U0U0圖2電容式傳感器檢測電路系統(tǒng)組成及工作原理報(bào)警部分I：位計(jì)算機(jī)ATm佬巴6單片機(jī)報(bào)警部分I：位計(jì)算機(jī)ATm佬巴6單片機(jī)入口電容傳感器干燥設(shè)備圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)由入口谷物水分檢測傳感器、出口谷物水分檢測傳感器、大型干燥設(shè)備、調(diào)速控制電路、報(bào)警電路、液晶顯示以及上位計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示。入口和出口谷物水分檢測傳感器在線檢測谷物顆粒的水分，并將水分值以電容信號(hào)的形式提取后轉(zhuǎn)

換成電壓信號(hào)形式輸出。經(jīng)過信號(hào)放大處理后，由ATmega16單片機(jī)內(nèi)部的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。輸出的信號(hào)傳輸至調(diào)速控制電路，并與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)比較后輸出控制干燥設(shè)備機(jī)器的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)谷物水分的干燥進(jìn)行自動(dòng)控制。系統(tǒng)可通過串口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)顯示和輸出打印等功能，同時(shí)液晶顯示部分也可對(duì)入口和出口的谷物水分含量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如果出現(xiàn)出入口處谷物水分含量超標(biāo)、風(fēng)熱溫度超標(biāo)及干燥設(shè)備停機(jī)等情況，報(bào)警器可進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。誤差分析當(dāng)傳感器中充滿流動(dòng)谷物時(shí)，傳感器所測電容C與谷物含水率M之間的關(guān)系式為：C= C= —H AdI+Af（加一1）其中，C一傳感器所測電容值；￡0一真空介電常數(shù)；M一谷物含水率；￡1—谷物中干物質(zhì)的介電常數(shù)；￡2—谷物中水分的介電常數(shù)；￡3一谷粒孔隙中空氣的介電常數(shù)；D一極板間距；A一極板面積，A=HXL；Yd一谷物干物質(zhì)的容重；e—谷物孔隙率。由式⑴可知，傳感器所測電容值與下列因素有關(guān)：谷物含水率M。電容值C的變化與含水率M的關(guān)系為非線性關(guān)系，對(duì)于某一種物質(zhì)，其C-M曲線很難用一個(gè)簡單的函數(shù)來描述。因此，電容法水分檢測的非線性補(bǔ)償十分重要。傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)H、L、D。對(duì)于確定的傳感器，各參數(shù)均為常量，對(duì)于測量結(jié)果沒有影響。三相物質(zhì)的介電常數(shù)￡1、￡2、￡3。不同的谷物品種有不同的介電常數(shù)￡1，需對(duì)不同的谷物分別進(jìn)行研究。另外，溫度及電容器所加交流電場的頻率也是影響這些介電常數(shù)的主要因素，對(duì)于確定的傳感器，電容器所加交流電場的頻率是恒定的，可不考慮該因素的影響，而溫度變化引起的介電常數(shù)的變化必須要加以消除。谷物孔隙率e的變化，即谷物堆積密度的變化，是影響電容傳感器測量精度的主要因素，必須設(shè)法克服。五.設(shè)計(jì)總結(jié)在本次設(shè)計(jì)中通過對(duì)電阻式和電容式谷物水分測量裝置的設(shè)計(jì)我對(duì)于谷物水分含量的測量有了初步的了解，知道了其測量原理，如何測量，以及使用不同工具測量的優(yōu)缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中我僅對(duì)測量工具-傳感器的選擇和如何組成系統(tǒng)電路做了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電路中的其它部件如：溫度傳感器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鍵盤輸入，干燥設(shè)備，調(diào)速控制，液晶顯示等等，沒有細(xì)致研究，只是拿來用。這次的設(shè)計(jì)我是通過閱讀相關(guān)書籍，網(wǎng)上搜集資料，請(qǐng)教同學(xué)等途徑才做出來的，所以對(duì)于相關(guān)知識(shí)我理解的還不夠透徹，還需要努力學(xué)習(xí)，深入研