電阻式糧食水分測(cè)定儀的設(shè)計(jì)

0 引 言

　　傳統(tǒng)的直接水分測(cè)量法周期長，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)速度和連續(xù)化的要求，而非電量的電測(cè)方法是比直接法更高效的水分測(cè)量方法，當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛。糧食水分檢測(cè)方法原理上可以有：電阻法、電容法、中子法、微波法、紅外法、核磁共振法等。考慮物料對(duì)象特性，紅外法主要用于表面水分測(cè)量，多見于紙張水分檢測(cè)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(cè)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(cè)量，其測(cè)量值與物料成分有關(guān)，測(cè)量電路及信號(hào)處理較復(fù)雜，價(jià)格偏高。電阻方法因其快速、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)一直是最常用的水分測(cè)量方法，但由于電阻方法存在信號(hào)強(qiáng)度小、取樣要求高、抗干擾性較差等缺陷，近年來出現(xiàn)了許多新的基于電阻測(cè)量原理的創(chuàng)新方法，如兩量程直流電阻法，脈沖電阻法，復(fù)阻抗分離法，交流阻抗法等。本設(shè)計(jì)在上述研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地提出基于脈寬測(cè)量的電阻比值法和測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法，能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)水分進(jìn)行測(cè)定。

　　1 測(cè)試原理

　　糧食水分測(cè)定儀是具有區(qū)域特色的產(chǎn)品，它對(duì)不同地區(qū)的糧食作物具有不同的測(cè)量基準(zhǔn)值，因此在測(cè)試之前，需要根據(jù)不同的糧食種類，在不同的狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定工作，建立起標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)關(guān)系，這些數(shù)據(jù)可以由生產(chǎn)廠家寫入測(cè)定儀的E2PROM數(shù)據(jù)區(qū)中，也可以由用戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。該系統(tǒng)利用ATmega128自身的4 KB的E2PROM用來存儲(chǔ)不同種類的糧食的水分的標(biāo)定值、溫度補(bǔ)償系數(shù)和系統(tǒng)的密碼等參數(shù)。在使用之前需要進(jìn)行水分的標(biāo)定工作，把同一樣本分別在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定儀和本測(cè)定儀同時(shí)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，確定水分和電阻的關(guān)系，然后再通過鍵盤把對(duì)應(yīng)關(guān)系寫入E2PROM中的相應(yīng)單元中保存起來，形成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量曲線或數(shù)據(jù)表格。同時(shí)考慮到溫度的影響，必須加上溫度補(bǔ)償系數(shù)以進(jìn)行修正。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，把當(dāng)前的測(cè)量值與這些標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，就可以實(shí)現(xiàn)水分的測(cè)量。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　MCU采用Atreel公司的高速嵌入式單片機(jī)AT-mega128，它采用先進(jìn)的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有128 KB的在線可重復(fù)編程的FLASH、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM，同時(shí)具有8／16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、PWM輸出模塊、UART、SPI等多種串行通信接口、可編程的看門狗定時(shí)器等功能模塊、豐富的外部和內(nèi)部中斷源、多種工作模式。這些特性使ATmega128成為功能更強(qiáng)大的微控制器，更好地支持應(yīng)用于脈寬調(diào)制、高速I／O、遞增／遞減計(jì)數(shù)能力等工業(yè)控制等場(chǎng)合。在程序中主要完成水分的采樣和高速處理、LCD顯示、鍵盤輸人、驅(qū)動(dòng)輸出、與PC機(jī)進(jìn)行通信等工作。該測(cè)定儀的測(cè)量的范圍在5～30％之間，精度在±0．2％，水分用2個(gè)字節(jié)表示，因此共需要1 KB保存在某一溫度條件下的水分值，再加上溫度補(bǔ)償系數(shù)和密碼的設(shè)定。4 KB空間已經(jīng)足夠了。它的可編程的看門狗定時(shí)器模塊能保證系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作。

　　LCD采用T6963C控制器的128×64點(diǎn)陣模塊，它可同時(shí)顯示測(cè)量品種水稻、玉米、大豆、小麥，然后通過鍵盤確定具體的測(cè)試對(duì)象，在每個(gè)測(cè)試子菜單下顯示測(cè)量值、測(cè)量次數(shù)、平均值、標(biāo)定值設(shè)定密碼等選項(xiàng)，只有當(dāng)操作者的輸入密碼與系統(tǒng)給定的密碼相同時(shí)，才能進(jìn)行標(biāo)定值的設(shè)定，一般情況下，這些值是不能隨意修改的。

　　溫度傳感器采用DALLAS公司的單總線器件DS18820，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)糧食內(nèi)部水分的影響，環(huán)境溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，省去了溫度傳感器的放大處理等環(huán)節(jié)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。同時(shí)它只占用單片機(jī)的一個(gè)端口，節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源，因此具有較高的性價(jià)比。

　　鍵盤電路由模式鍵、加鍵、減鍵、確認(rèn)鍵、退出鍵、測(cè)試鍵、平均鍵、清除鍵、停止鍵、修正鍵等組成，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量品種的選擇、參數(shù)的設(shè)定與修改、測(cè)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+5 V DC繼電器組成，測(cè)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(cè)試完成后，使取樣器復(fù)位，準(zhǔn)備下次測(cè)量。

　　單片機(jī)通過RS 232串行通信接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，把測(cè)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(cè)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。

　為消除電容由于長期工作所產(chǎn)生的變化誤差，測(cè)量采用電阻比值法，即在測(cè)量時(shí)首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的精密參考電阻和電容構(gòu)成的電路進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出它的脈沖寬度：

Tp1=Rref*C*ln3 (1)

　　再通過導(dǎo)通電阻為1 Ω的電子開關(guān)MAX4624切換到測(cè)量輸入電阻的狀態(tài)，測(cè)出它的脈沖寬度：

Tp2=Rin*C*ln 3 (2)

　　式(1)和(2)相除就得到輸入電阻和脈寬的關(guān)系：

Rin=Tp2*R ref／Tp1 (3)

　　一般情況下測(cè)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(cè)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(cè)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INT0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，INT0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INT0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。信號(hào)的采樣波形如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分包括主程序、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理部分。主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制工作，通過調(diào)用不同的模塊完成相應(yīng)的工作。本測(cè)定儀以每個(gè)品種10次隨機(jī)采樣的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，有效地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。主程序的流程圖如圖4所示。

　　人機(jī)界面包括LCD顯示程序、鍵盤掃描程序等，LCD顯示分為三個(gè)頁面，第一個(gè)頁面是測(cè)量品種選擇頁，可以通過加鍵、減鍵選擇相應(yīng)的品種，然后按確認(rèn)鍵，進(jìn)入到第二個(gè)頁面進(jìn)行測(cè)量，該頁面中有當(dāng)前測(cè)量值、測(cè)量次數(shù)、平均測(cè)量值、該品種標(biāo)定值設(shè)定頁的入口密碼等參數(shù)。按相關(guān)的功能鍵，就可以完成測(cè)量、保存和退出等功能。當(dāng)確實(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)重新標(biāo)定時(shí)，就可以輸入標(biāo)定密碼，當(dāng)輸入的密碼與系統(tǒng)內(nèi)部的密碼相同時(shí)，就可以進(jìn)入到第三個(gè)頁面，重新進(jìn)行標(biāo)定，在該頁面中也可以重新設(shè)定系統(tǒng)密碼。為了系統(tǒng)的安全性，也可以設(shè)定密碼的輸人次數(shù)，當(dāng)輸入的錯(cuò)誤密碼超過一定的次數(shù)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行鎖定，以防止惡意修改數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理完成水分采樣中斷處理、溫度采樣、測(cè)量數(shù)據(jù)線性化和溫度漂移的補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)處理等工作。水分測(cè)量程序采用兩個(gè)外部中斷0和1、一個(gè)定時(shí)器2來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬的測(cè)量，具體的程序代碼如下：

　　4 結(jié)語

　　實(shí)際樣機(jī)經(jīng)過非線性補(bǔ)償和誤差修正，測(cè)量誤差小于等于±0．5％，測(cè)量的水分范圍為5％～30％(取決于谷物的標(biāo)準(zhǔn))，重復(fù)誤差小于等于0．1％，使用的溫度范圍為0～40℃。達(dá)到國內(nèi)外同類先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)?？蛇m用于不同種類的糧食水分測(cè)量，具有比較廣闊的市場(chǎng)前景。