可充電、一體式糧食含水率檢測儀的設計

王　偉，郭文川，王　川

(1.安徽省農業科學院 農業工程研究所，合肥　230031；2.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌　712100)

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可充電、一體式糧食含水率檢測儀的設計

王偉1,2，郭文川2，王川1

(1.安徽省農業科學院 農業工程研究所，合肥230031；2.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌712100)

摘要：含水率是評價糧食品質和選取加工工藝條件的一個重要指標。為了給糧食含水率的檢測提供一種廉價、便捷的檢測儀，以AT89S52單片機為控制器、DS18B20為溫度傳感器、平行極板式電容器為含水率傳感器及LCD1602為顯示器設計了一種可充電、一體式的糧食含水率檢測儀。以小麥為對象，基于建立的糧食電容、溫度和含水率三者之間的關系模型，以Keil C語言開發了檢測儀的軟件，以JAVA語言設計了能夠接收并顯示測量數據的上位機監控軟件。

關鍵詞：糧食；一體式；含水率；電容；溫度

0引言

糧食的安全儲存事關我國糧食安全，而含水率是影響糧食安全儲存的關鍵因素。因此，實現糧食含水率的準確、快速檢測對于規范糧食產后運輸、加工等各環節具有非常重要的現實意義，研究表明：在平衡相對濕度ERH為70%、20~25℃，糧食安全水分是13.93%~14.21%[1]。

糧食水分的檢測主要分為直接法和間接法。直接法如電烘箱法、減壓干燥法和紅外干燥法等，精度高適用于實驗室和科學研究中使用；但普遍存在檢測時間長，不適用于在線檢測，以及檢測費用高等缺點。間接法如電容法、電阻法、微波法和紅外線法等，檢測時間短、響應快，適合在線測量，應用范圍廣泛，但受外界影響因素較多[2-4]。現有含水率檢測儀多為基于電阻法的針式檢測儀，其電路復雜、精度差，或者采用同心圓筒式電容器，儀器笨重、便攜性差。綜合考慮，本文采用間接法中結構簡單、成本低且靈敏度高的電容法，設計了一種以單片機為控制器，可充電、一體式的糧食含水率檢測儀。

1測量原理

介電特性是指分子中的束縛電荷對外加電場的響應特性，是各種物質結構和成分的整體反映[5]。試驗表明：同烘干法獲得的含水率相比，基于介電參數預測燕麥含水率的誤差范圍為±1.2%[6]，說明基于介電特性檢測糧食含水率是可行的。介電特性一般用相對介電常數(絕對介電常數和真空介電常數的比值)表示。

本設計采用雙平行極板電容式傳感器測量糧食的電容值，在不考慮邊緣效應影響的前提下，其電容量為

(1)

其中，ε為兩極板間介質的相對介電常數；S為兩極板正對面積；D為兩極板間的距離。由式(1)可知：在S和D確定的前提下，將平行極板傳感器插入待測對象中，兩極板間介質的相對介電常數將發生變化，導致傳感器的電容量C發生改變。通過檢測，該電容值可以間接測量出糧食含水率。

2糧食含水率檢測儀設計

2.1　整體設計方案

本文設計的檢測儀整體設計方案包括3部分：平行極板傳感器檢測部分、檢測儀工作部分及充電部分，如圖1所示。

平行極板傳感器檢測部分完成待測糧食樣品電容值的測量。檢測儀工作部分主要包括5個方面內容：將電容測量值轉換為電壓模擬值，并經過A/D轉換為數字量以供單片機使用；完成待測糧食樣品溫度值的檢測；液晶顯示器顯示最終的含水率和溫度測量值；程序下載器完成向單片機燒錄工作程序；按鍵開關完成儀器開啟和功能選擇、命令控制等操作。充電部分采用可充電式鋰電池作為檢測儀工作電源，并設計適配的電源充電器，降低使用成本。

圖1　整體設計框圖

2.2　硬件電路設計

2.2.1CAV424電容檢測電路

CAV424是可將電容式傳感器電容信號直接轉換成模擬電壓信號的集成電路芯片，具有信號的采集和差分電壓輸出的功能[7]。CAV424測量的電容值是傳感器電容C7與一個附加參考電容C5的差值ΔC= C7- C5，電路如圖2所示。

圖2　CAV424電容檢測電路

2.2.2DS18B20溫度檢測電路

溫度傳感器DS18B20集溫度測量和A/D轉換為一體[8]，可直接將溫度轉化成串行數字信號送單片機處理；單總線結構，與溫度檢測電路配合可檢測糧食樣品的實時溫度值。其電路如圖3所示。

圖3　DS18B20溫度檢測電路

2.2.3電源電路

1)供電升壓電路。本設計采用了3.7V的鋰電池可充電式電池作為供電電源，需將其升壓處理為5V，才能供儀器芯片正常工作。本供電電源電路如圖4所示。選用MC34063升壓芯片，該芯片是一款單片雙極型線性集成電路芯片，基于該芯片的外圍電路具有多路輸出、電路簡單、轉換效率高且新穎實用等特點[9]。

2)電源充電電路。本充電電路采用TP4056鋰電池充電芯片，主要通過該充電芯片的恒流—恒壓模式對鋰電池進行充電，具有充電保護等功能[10]，電路如圖5所示。

2.3　軟件程序設計

軟件系統分為上位機監控和下位機工作軟件兩個部分：上位機監控軟件在PC端運行，主要實現對檢測儀測量數據的接收與顯示，達到監控的目的；下位機工作軟件程序在單片機上運行，主要實現控制單片機進行正常的工作。

圖4　供電升壓電路

圖5　充電電源電路

2.3.1上位機監控軟件設計

上位機軟件利用JAVA語言編寫，開發平臺為Eclipse軟件，主要由人機交互界面子程序、串行通信子程序、數據處理子程序等部分組成。實現上位機監控軟件的數據通信核心功能關鍵在于標準Java的擴展類庫CommunicationAPI，不包括在標準的Java2 SDK當中，需要進行安裝[11]，并正確引入Java串口包——javax.comm。人機交互界面如圖6所示。

圖6　人機交互界面圖

當檢測儀正常工作并與PC連接，在該界面點擊“打開串口”按鈕，即開始接受并顯示實時測量數據；檢測儀工作結束后，點擊“斷開串口”按鈕，在界面下方即自動計算并顯示所有接收數據的平均值，以減小誤差。

2.3.2下位機工作軟件設計

下位機工作軟件采用模塊化的設計方法，開發軟件為Keil uVision 2，使用單片機C51語言編寫程序。

系統主程序完成系統的初始化和對各個子程序的調用。首先調用液晶初始化子程序，初始化LCD1602。然后，進行鍵盤識別，若有鍵盤按鍵按下，則轉向鍵盤識別子程序，執行特定的功能；若無，則繼續執行，通過A/D轉換子程序，測量電容轉電壓值。同時，調用溫度采集子程序，測量溫度值。最后，將得到的電容轉電壓值和溫度值，通過含水率計算子程序，計算出含水率值；接著調用液晶顯示子程序，將溫度值和含水率值顯示在液晶顯示器屏幕上。其程序流程如圖7所示。

2.4　糧食含水率檢測儀的設計

本文設計的檢測儀如圖8所示。該測量儀采用一體式結構，主要由前端平行極板電容傳感器、后端儀器手柄兩個部分構成，無冗余電路接線，便于攜帶。

平行極板電容傳感器、溫度傳感器固定于手柄前端專門設計預留的插槽中，極板長180mm、寬30mm、厚1mm、間距15mm，極板前端設計為三角形，且溫度傳感器采用不銹鋼探針型，有利于插入待測樣品中。平行極板電容傳感器與測量硬件電路板之間選用屏蔽雙絞線作為接線電纜并集約在儀器內部，以防止外界干擾信號的竄入。手柄采用類圓柱體結構，硬件電路板集成安裝在手柄中空的內部空間。液晶顯示器LCD1602放置于手柄表面，緊靠液晶顯示器安裝4個按鍵開關實現儀器的開啟和功能選擇，并在手柄末端設計1個充電接口，可反復充電，減少電池使用成本，并降低廢舊電池對環境的污染。

圖7　下位機工作軟件流程圖

圖8　糧食含水率檢測儀設計圖

3結論

設計了一種基于CAV424電容轉電壓芯片和AT89S52單片機的糧食含水率檢測儀。同時，設計了能夠控制檢測儀正常工作的下位機軟件和實現監控與PC連接的上位機軟件，為快速、準確測量糧食含水率提供了試驗儀器。

后期將針對不同的農作物品種研究含水率和溫度、電容的數值對應關系，拓寬本檢測儀的使用范圍和提高檢測精度；同時需完善鋰電池供電、充電模塊的設計，選用更小巧、容量高的鋰電池，提高儀器的續航能力。

參考文獻：

[1]李興軍，張元娣，王雙林，等.谷物安全水分估算[J].糧食加工，2011，36(3)：41-45.

[2]楊軍.基于交流阻抗法的麥秸稈含水率檢測儀的設計[D].楊凌：西北農林科技大學，2013.

[3]劉馳.基于單片機的秸稈含水率測量儀的設計[D].楊凌：西北農林科技大學，2012.

[4]付鶴翔，張利鳳，郭文川.電容式糧食含水率測量儀的設計[J].農機化研究，2011，33(11)：131-134.

[5]郭文川，朱新華.國外農產品及食品介電特性測量技術及應用[J].農業工程學報，2009，23(2)：284-289.

[6]郭文川，王婧，朱新華.基于介電特性的燕麥含水率預測[J].農業工程學報，2012，28(24)：272-279.

[7]郭偉，喬麗娟，劉海，等.基于CAV424的糧食含水率檢測儀表設計[J].傳感器與微系統，2013，32(9)：111-114.

[8]陶冶，袁永超，羅平.基于DS18B20的單片機溫度測量系統[J].農機化研究，2007(10)：160-164.

[9]管小明，李躍忠，王曉娟.基于MC34063的便攜式儀器電源電路設計[J].東華理工大學學報：自然科學版，2010(1)：97-100.

[10]王麗芳，宋仁旺，閆曉梅.高集成度的礦燈電源管理電路[J].太原科技大學學報，2014(4)：267-270.

[11]江永真，袁朝春，陳翠英.使用Java實現GPS接收機的串口通信[J].中國農機化，2005(1)：58-62.

Abstract ID:1003-188X(2016)09-0161-EA

Design of Rechargeable and Integrated Grain Water Content Meter

Wang Wei1,2, Guo Wenchuan2, Wang Chuan1

(1.Institute of Agricultural Engineering， Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

Abstract：Detecting grain’s moisture is of great significance for grain resources’ efficient utilization. In the grain consuming market, grain products’ quality and processing condition are both influenced by moisture content, which is a main assessment criteria and also an important factor.So, in order to detect moisture content conveniently and in low cost, the moisture content meter which was rechargeable and integrated was designed with AT89S52 single-chip microcomputer as the controller, two-parallel plate as the capacitance sensor and DS18B20 as the digital temperature sensor to detect capacitance and temperature of the grain. Meanwhile, based on the established model describing relationship between grain’s moisture content and capacitance as well as temperature, moisture content of grain could be well measured with the assistance of the lower computer software system developed by Keil C language for controlling SCM (Single Chip Micyoco) procedure, the PC monitor software programmed by JAVA language to receive and display test data from the lower computer in real-time.

Key words：grain; integrated; moisture content; capacitance; temperature

中圖分類號：S126；S24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0161-04

作者簡介：王偉(1989-)，男，安徽蚌埠人，研究實習員，碩士，(E-mail)wangwei1412@126.com。通訊作者：王川(1978-)，男，安徽桐城人，副研究員，碩士，(E-mail)06wangchuan@163.com。

基金項目：中央財政農業技術推廣資金項目(2014-2015)

收稿日期：2015-09-06