棉花濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 近些年，我國(guó)機(jī)采棉發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，然而機(jī)采棉的濕度遠(yuǎn)大于手摘棉，嚴(yán)重影響了棉花加工生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，棉花濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意義重大。該系統(tǒng)以微處理器單元為核心，晶振電路為其提供所需的振蕩頻率，電源電路可實(shí)現(xiàn)220 V交流電到5 V直流電的轉(zhuǎn)換，濕度傳感器采集到的信息通過(guò)ADC0809芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入微處理器單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的顯示和對(duì)超限情況的報(bào)警功能，同時(shí)可將數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的內(nèi)部存儲(chǔ)并伴有實(shí)時(shí)通信功能。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、操作方便、準(zhǔn)確度高和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 機(jī)采棉； 濕度檢測(cè)系統(tǒng)； 微處理器單元； 濕度傳感器

中圖分類號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）18?0114?05

Abstract： In recent years， the development of cotton?picking machine is great in China. However， moisture regain of machine?picking cotton is more than that of hand picking cotton， which affects the quality of cotton production seriously. Design of the humidity detection system for seed cotton plays an important role in improvement of the economic benefit. The microprocessor unit is taken as the core of the system. The crystal oscillator circuit provides the desired oscillation frequency for the system. The power supply circuit can realize the transformation from 220 V AC to 5 V DC. The analog?digital conversion of the information collected by the humidity sensor is performed through ADC0809 chip and then the information is sent to the microprocessor unit for realization of the humidity display， overrun alarm， effective internal memory and real?time communication functions. This system has the advantages of simple circuit， low cost， convenient operation， high accuracy， strong practicability， etc.

Keywords： machine?picking cotton； humidity detection system； microprocessor unit； humidity sensor

機(jī)采棉技術(shù)的使用使勞動(dòng)力緊張的難題得以解決，然而機(jī)采棉具有高效高收益優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也伴隨著高水分的缺陷。在棉花加工生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)，濕度對(duì)棉花質(zhì)量的影響很大。一方面，籽棉濕度過(guò)高會(huì)造成棉花儲(chǔ)運(yùn)困難，進(jìn)而會(huì)引起棉纖維變質(zhì)、變色甚至自燃；另一方面，籽棉濕度過(guò)低，會(huì)引起棉纖維回脹力過(guò)大，導(dǎo)致打包麻煩，也容易 “崩包”[1]。在后期加工過(guò)程中，棉花濕度過(guò)高，棉纖維間會(huì)形成較大的摩擦系數(shù)，使棉花彈性下降[2]。棉花濕度過(guò)低會(huì)引起棉纖維剛性增大，斷裂比減小，在加工過(guò)程中會(huì)因外力沖擊導(dǎo)致斷裂，使皮棉中棉纖維長(zhǎng)短不一，整齊度下降，短纖維率提高[3]。只有對(duì)棉花濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)，才能高效穩(wěn)定地控制棉花加工質(zhì)量。在烘干環(huán)節(jié)，需要依據(jù)檢測(cè)到的籽棉濕度值調(diào)節(jié)加熱爐的燃燒量和吸棉風(fēng)機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度以及籽棉烘干時(shí)間的分別控制。在軋花環(huán)節(jié)，需要依據(jù)檢測(cè)到的皮棉濕度值調(diào)節(jié)籽棉清理機(jī)和皮棉清理機(jī)的電機(jī)頻率達(dá)到運(yùn)行速度的控制，進(jìn)而降低棉卷和工作箱壁的摩擦力，減少刷棉不盡、棉卷停轉(zhuǎn)和肋條堵塞的發(fā)生次數(shù)，最終提高軋花的工作效率和加工質(zhì)量，降低衣虧率。

1 系統(tǒng)的工作原理及整體結(jié)構(gòu)

棉花濕度檢測(cè)系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括濕度檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、按鍵電路、時(shí)鐘電路、通信電路、顯示電路、存儲(chǔ)電路和報(bào)警電路，如圖1所示。

棉花被風(fēng)機(jī)吸入輸送管道后，側(cè)壁的活動(dòng)壓板會(huì)定時(shí)地對(duì)棉花進(jìn)行采樣，同時(shí)濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路傳送到微處理器單元。在電源電路提供穩(wěn)定工作電壓、晶振電路提供穩(wěn)定振蕩頻率以及復(fù)位電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位的情況下，微處理器單元通過(guò)程序控制報(bào)警電路、顯示電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路以及通信電路分別實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度超限的報(bào)警、濕度值的顯示、時(shí)間的顯示、數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)以及與外部電路的通信，而且可以通過(guò)按鍵電路實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的編輯以達(dá)到人機(jī)互動(dòng)的效果。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 按鍵電路設(shè)計(jì)

不同季節(jié)和不同天氣的棉花濕度變化范圍較大，這樣就需要根據(jù)具體情況調(diào)整預(yù)定濕度值。按鍵電路主要由按鈕和LED指示燈組成，對(duì)按下的有效動(dòng)作LED都會(huì)以發(fā)光的方式驗(yàn)證。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵，包括一個(gè)參數(shù)設(shè)置鍵、一個(gè)開(kāi)始濕度采集鍵、一個(gè)加1鍵和一個(gè)減1鍵。單片機(jī)采用獨(dú)立連接的方式與按鍵電路結(jié)合，即每個(gè)按鍵都會(huì)單獨(dú)通過(guò)一根輸入線連接單片機(jī)的一個(gè)的I/O口，起到每個(gè)按鍵電路相互不干擾的作用。單片機(jī)采用中斷查詢的方式對(duì)按鍵電路實(shí)施監(jiān)控，即有鍵按下時(shí)，經(jīng)抖動(dòng)去除后會(huì)以中斷信號(hào)的方式被單片機(jī)查詢到，進(jìn)而由控制程序判斷鍵值并做相應(yīng)處理。

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

通信電路選用兼容RS 232標(biāo)準(zhǔn)的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)TTL與RS?232C電平的轉(zhuǎn)換。該芯片基本上由供電、電荷泵電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道三個(gè)部分組成[4]。電荷泵電路由1～6引腳和4只電容組成，可產(chǎn)生±12 V兩個(gè)電源，給RS 232串口提供電平。7～14引腳組成了兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，其中11腳（T1IN），12腳（R1OUT），13腳（R1IN），14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。7腳（T2OUT），8腳（R2IN），9腳（R2OUT），10腳（T2IN）為第二數(shù)據(jù)通道。

2.3 存儲(chǔ)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)電路采用低功耗CMOS技術(shù)研發(fā)、DIP8引腳封裝的24LC64芯片，它具有噪聲抑制功能、自定時(shí)擦除和寫(xiě)周期以及多達(dá)32個(gè)字節(jié)頁(yè)寫(xiě)緩存、2 ms典型寫(xiě)周期時(shí)間頁(yè)寫(xiě)、多達(dá)8個(gè)裝置級(jí)聯(lián)等功能，其工作電壓為1.8～5.5 V，工作溫度為-40～125 ℃。其中WP，A1和A2引腳與地連接，A0接入10 kΩ電阻后連接電源，SDK和SCK引腳則分別與單片機(jī)的P1.3，P1.4連接。

報(bào)警電路中蜂鳴器BUZZER的一個(gè)輸入端接電源，另一端接NPN管Q1的集電極，NPN管Q1的發(fā)射極接地，同時(shí)基極和發(fā)射極接入一個(gè)4.7 μF的電解電容，而基極則通過(guò)電阻R1接入單片機(jī)AT89C51的P0.4引腳。蜂鳴器通過(guò)并聯(lián)一個(gè)2 kΩ的放電電阻，也得到了很好的保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得溫室內(nèi)溫度超過(guò)預(yù)置的上限點(diǎn)或低于預(yù)置的下限點(diǎn)時(shí)，P0.4輸出低電平，經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，如果溫度恢復(fù)到限控溫度點(diǎn)時(shí)，P0.4恢復(fù)高電平。

2.4 濕度檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.4.1 電路設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809芯片，它可以根據(jù)地址鎖存譯碼后的信號(hào)選通8路模擬輸入信號(hào)中的一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端與濕度采集電路相連，輸出端與單片機(jī)相連。所述的濕度采集電路選用低成本、高靈敏度、低功耗、強(qiáng)穩(wěn)定性的HIH3610濕度傳感器。HIH3610濕度傳感的濕度測(cè)量不受大氣壓的約束，且具有線性電壓輸出特性，即輸出電壓和電源電壓與相對(duì)濕度線性相關(guān)。平板電容器是HIH3610濕度傳感器的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由多孔滲水鉑層外加兩個(gè)熱化聚合體層構(gòu)成，其電容量與濕度成正相關(guān)[5]。該傳感器測(cè)量精度為±2%RH，測(cè)量范圍為0～100%，具有互換性強(qiáng)、精準(zhǔn)度高和線性度好等優(yōu)點(diǎn)[6]。3個(gè)HIH3610接VCC通電工作后將采集到的信息輸入ADC0809的IN0～I(xiàn)N2端口，對(duì)應(yīng)的輸出端2?1，2?2和2?3引腳分別與單片機(jī)的P1.0，P1.1，P1.2引腳相連。同時(shí)單片機(jī)的P1.5，P1.6，P1.7引腳又分別與ADC0809芯片的ADD A，ADD B和ADD C相連，單片機(jī)給ADC0809芯片的ADD A，ADD B和ADD C不同的高低電平再經(jīng)過(guò)ADC0809芯片內(nèi)部的譯碼器譯碼后就可以選擇某個(gè)濕度傳感器進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。其中ADC0809芯片的CLOCK端接入74LS74邊沿觸發(fā)器的CLK引腳實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。

2.4.2 濕度測(cè)量原理

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路由變壓器、全橋整流、濾波、穩(wěn)壓模塊組成[7]。如圖2所示，變壓器輸入端經(jīng)過(guò)一個(gè)保險(xiǎn)連接電源插頭，變壓器輸出端接入一個(gè)由4個(gè)二極管組成的橋式整流電路，因?yàn)檎鬏敵龅闹绷麟妷旱牟▌?dòng)性很大，所以在這里要接入一個(gè)330 μF的電解電容。變壓器輸出端的9 V電壓經(jīng)橋式整流和電容濾波，在電容C4兩端有11 V多一點(diǎn)的電壓，如果電容兩端只接入負(fù)載，那么當(dāng)負(fù)載變化或交流電源有少許波動(dòng)時(shí)都會(huì)使C4兩端的電壓發(fā)生較大幅度的變化，因此在這里還要接入一個(gè)三端穩(wěn)壓器7805。

三端穩(wěn)壓器7805是一種集成的電路元件，內(nèi)部由一些三極管和電阻等構(gòu)成，內(nèi)部電阻可自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)它可以輸出一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓。在R1后面加有狀態(tài)指示燈，這樣可以對(duì)電源狀態(tài)進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是在硬件集成電路的基礎(chǔ)上由控制程序完成的，在硬件基本成型后，軟件的部分子程序模塊也就大體確定了。作為系統(tǒng)的監(jiān)控程序，主程序在運(yùn)行時(shí)首先需要進(jìn)行初始化。在設(shè)定相關(guān)參數(shù)和顯示后，便開(kāi)始對(duì)籽棉濕度進(jìn)行測(cè)量，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后被存儲(chǔ)并進(jìn)行超限判斷，按鍵的處理則以中斷的方式進(jìn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

3.1 報(bào)警電路程序設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)到的濕度大于預(yù)定值的上限或小于預(yù)定值的下限時(shí)，單片機(jī)會(huì)給P0.4引腳低電平以實(shí)現(xiàn)報(bào)警器的導(dǎo)通，從而達(dá)到對(duì)超限情況的報(bào)警功能。

3.2 按鍵電路程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)程序過(guò)程中定義了K1～K4四個(gè)按鍵，并分別與單片P0.0～P0.3引腳連接。K1用于設(shè)置參數(shù)， K2控制參數(shù)加操作，K3控制參數(shù)減操作，K4控制是否開(kāi)始濕度采集。系統(tǒng)按鍵采用獨(dú)立方式設(shè)計(jì)，有鍵按下時(shí)端口電平為0，無(wú)鍵按下時(shí)端口電平為1，所以單片機(jī)可以通過(guò)確定對(duì)應(yīng)引腳的高低電平情況來(lái)判斷是否有鍵按下。按鍵流程如圖4所示。

3.3 通信電路程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行通信前，要先對(duì)串行接口初始化，即設(shè)定波特率、幀結(jié)構(gòu)和使能。而對(duì)中斷驅(qū)動(dòng)的串行收發(fā)器進(jìn)行初始化，應(yīng)先將全局中斷標(biāo)志位清零[8]。TXEN控制數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)其使能時(shí)串行收發(fā)器代替TXD引腳的I/O性能作為串行輸出引腳；RXEN控制數(shù)據(jù)接收，當(dāng)其使能時(shí)串行收發(fā)器代替RXD引腳的I/O性能作為串行輸入引腳。RS 232串行通信流程如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

作為本系統(tǒng)的主要功能之一，濕度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。加工過(guò)程中籽棉的濕度最大，特別需要測(cè)試。其中籽棉質(zhì)測(cè)站的濕度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1和表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算可知其測(cè)量誤差<0.5%RH[測(cè)量誤差=實(shí)際值-標(biāo)準(zhǔn)值]，相對(duì)誤差<7%[相對(duì)誤差=測(cè)量誤差實(shí)際值]，通過(guò)計(jì)算兩組數(shù)據(jù)的3倍標(biāo)準(zhǔn)差可知系統(tǒng)檢測(cè)濕度誤差在1%RH左右，并且系統(tǒng)濕度響應(yīng)時(shí)間為30 s。達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)的工作效率，也滿足了可靠性與準(zhǔn)確性的需求。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際情況研發(fā)了一套棉花濕度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了棉花濕度檢測(cè)的規(guī)范化和自動(dòng)化，順應(yīng)信息化發(fā)展大趨勢(shì)的同時(shí)也使日常管理變得更加方便。該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)作為控制核心，具有較穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換電路，選用HIH3610濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示，對(duì)超限情況可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，通過(guò)按鍵電路可實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)濕度的多點(diǎn)檢測(cè)并與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信。該系統(tǒng)具有集成度高、工作穩(wěn)定、準(zhǔn)確耐用等優(yōu)點(diǎn)，有一定的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

注：本文通訊作者為劉同策。

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