在線水分傳感器設計

安徽博微長安電子有限公司 沈 偉 常燦燦 李 然

糧食是國民經濟的基礎，是關系到國計民生的戰略物資，其質量、數量和安全直接關系著軍需民食，也關系著國家安全和社會穩定[1]。糧食的安全儲藏至關重要，糧食倉儲的關鍵因素就是糧食的水分值，長期以來，糧食的水分值是通過嘴咬、手搓以及人工操作糧食烘干來獲得[2][3]?；诖吮疚奶岢鲆环N傳感器能夠實時在線測量糧食的水分值。

1 水分傳感器系統架構介紹

1.1 實現原理和方法

水分傳感器采用彌散場電容器的結構實質為一個電容器，如圖1.1所示。電容器的兩極平行布置，以擴大電場分布范圍。結構外形圓潤光滑，有利于在糧堆中布置；集成溫度傳感器，補償溫度的影響。

圖1 .1 彌散場電容器示意圖

糧食水分值是通過糧食介電常數變化測量的。傳感器的電容值、糧食的介電常數與水分含量密切相關[4]。通過檢測電容值及其他相關參數就可以間接地測出糧食的含水量。自由水的介電常數ε(大約80)與完全干燥的糧食差距明顯，因此具有較高的靈敏度。該原理是電容式、微波式水分檢測技術的基礎[5]。

對于稻谷、小麥、玉米等顆粒型物質來說，傳感器檢測的是糧粒和間隙空氣的平均介電常數，因此糧食的緊密度(體密度)會影響檢測結果[6]。我國儲糧高度為6-7m，糧堆下面的糧食受到上面的壓力，壓力以及體密度由上自下逐漸增加。此外，介電常數還受到溫度的影響。精確檢測糧食水分需要對這兩個參數進行補償。

1.2 架構與每層設備功能描述

圖1.2所示為線水分檢測系統系統架構。

圖1.2 在線水分檢測系統架構

1.2.1 數據采集模塊

布置在糧堆表面，通過有線方式接收傳感器的方波信號和溫度值，具有糧食水分計算等功能。在糧食水分異常時報警。

1.2.2 手持式初值設定儀

由工作人員隨身攜帶，通過RS485告知數據采集模塊糧食初始水分，并數字化顯示糧食水分、溫度、糧食水分初始值、方波頻率等信息。

1.2.3 傳感器

傳感器使用電容傳感器檢測水分，使用DS18B20測量溫度。傳感器1和傳感器2分別置于糧堆內不同深度。

圖2.1 在線水分檢測子系統電路硬件原理架構圖

2 設計方案

2.1 硬件方案

如圖2.1所示，水分傳感器采集系統是由電源單元、主控制器、水分檢測單元、RS485通信單元、手持儀組成，系統由24VDC供電，采用電源管理模塊，將24VDC轉換為監控單元需要的5V電源供各子模塊使用，處理器接收手持式初值設定儀的數據，采集傳感器的頻率值經過運算后，通過RS485與上位機進行通信[7]。

微處理器采用Micr ochip公司PIC30f 6014a單片機，該微處理器還具有UART、SPI、定時器、大容量FALSH、EEPROM等豐富外設和具有擴展功能的IO端口，滿足控制單元需求。

圖2.2 水分傳感器電路示意圖

如圖2.2所示，水分傳感器采用弛豫振蕩電路，輸出頻率信號，頻率值與水分傳感器的電容相關。相比電流、電壓信號，頻率信號有利于長距離傳輸。水分傳感器的弛豫電路由水分傳感器、MIC1557、499k?的高精電阻組成，輸出一個方波信號。傳感器的容值為12-30pF，相應的方波頻率為80-40kHz(容值增加，頻率下降)。

2.2 軟件設計

監控單元軟件包括以下部分：微處理器初始化，SPI端口初始化，UART端口初始化，IO初始化及DS18B20、計數器控制及主函數中設定狀態變量對工作狀態進行判斷及轉移等。手持式初值設定儀向數據采集模塊傳輸的數據包括傳感器的埋入的深度、傳感器周圍的糧食水分。液晶顯示屏顯示的數據包括：兩個傳感器分別的頻率值、溫度值、水分含量。狀態轉移如圖2.3所示。

圖2.3 水分檢測子系統數據采集模塊設備軟件狀態轉移圖

3 結論

如表2所示是該傳感器在實驗室、糧庫做實驗得到的實驗數據。

表2 傳感器測量稻谷水分值（溫度為20℃）

經過反復的實驗測量數據分析，當糧食水分值在12%-17%范圍內時，傳感器檢測誤差≤±0.5%，能夠滿足在線測量糧食水分值的精度要求，傳感器具有的結構簡單、可靠性高等特點，傳感器之間通過RS-485總線接口串接起來，在倉內布置比較方便，該產品可以廣泛應用在糧食儲藏方面。

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