連續單粒式谷物在線水分測定儀的設計與試驗

吳惠昌，謝煥雄，胡志超，顧峰瑋，游兆延，顏建春，魏 海

（農業部南京農業機械化研究所，南京 210014）

·農產品加工工程·

連續單粒式谷物在線水分測定儀的設計與試驗

吳惠昌，謝煥雄，胡志超※，顧峰瑋，游兆延，顏建春，魏 海

（農業部南京農業機械化研究所，南京 210014）

為了提高谷物干燥設備自動化水平和干燥后谷物品質，提出一種基于電阻法檢測原理，測量稻谷、小麥和大麥的連續單粒式谷物在線水分測定儀。其主要由谷物取樣機構、谷物采樣機構和信號采集電路等部分組成。通過測量谷物單粒外形尺寸統計出谷物等效粒徑。運用谷物等效粒徑和谷物與金屬表面的靜滑動摩擦角，計算確定谷物取樣機構中不銹鋼制異向正弦螺旋桿的中徑和螺距分別為16和9 mm。由螺旋桿與分粒撥刀組成的谷物取樣機構，在剔除雜物和多余谷物的同時，使谷物以連續單粒的形式進入進料口。選定模數為0.4 mm斜紋表面滾花形式碾壓輥作為碾壓電極，測量10%～35%含水率范圍內稻谷、小麥和大麥單粒電阻值。構建稻谷、小麥和大麥的單粒阻值-含水率對應關系曲線并回歸出水分計算函數（稻谷R2=0.998；小麥R2=0.999；大麥R2=0.999）。設計多路復用比例檢測電路、二階壓控有源低通濾波器和50Hz陷波等信號處理電路。采用基于ARM CortexTM-M3核的低功耗32位微處理器硬件和軟件平臺完成谷物水分數據的采樣、處理和計算。現場水分在線檢測與烘干法對比試驗表明，在循環式谷物烘干機烘干過程?5～55 ℃的谷物溫度和10%～35%含水率范圍內，單粒式在線水分測定儀的在線水分測量絕對誤差≤±0.4%，一次100粒谷物測量平均時間≤55s，水分測量重復誤差≤±0.3%，研究結果為實現谷物烘干過程水分在線檢測提供參考。

谷物；水分；電阻；單粒式；STM32低功耗微處理器

0 引 言

谷物干燥是糧食安全儲藏的重要環節[1-4]。近年來，中國谷物干燥模型解析理論及控制技術研究取得了較大突破，尤其在谷物水分結合能及干燥系統熱能結構解析方面[5-8]，實現利用客觀干燥勢進行高效節能干燥，創制出多種谷物干燥自適應控制系統[9-12]。但谷物烘干過程中水分在線精確檢測仍是制約谷物干燥系統開發的核心技術難點。

谷物水分檢測原理主要有電阻法、電容法、微波法、紅外法、中子法、核磁共振法等。微波法、紅外法及電容法均受谷物的形狀、厚度、密度以及粒體內部的水分分布等因素影響，檢測精度和重復性較低[13-17]。中子法和核磁共振法系統復雜，造價高，現階段還不能用于谷物干燥過程的水分在線測量[18-21]。電阻法依據谷物不同含水率對應不同的導電率原理檢測谷物水分，是谷物在線水分儀普遍采用的方法，如日本三久和無錫金子烘干控制系統均自帶基于電阻法的單次多粒式水分儀，與烘干設備成套提供；李長友等設計出具有縱向采料盤的電阻式單粒稻谷水分儀[22]；張永林等采用阻-頻轉換和智能非線性處理算法設計單粒式谷物水分儀[23]；梅慶等采用單螺旋桿擠壓測阻機構設計谷物在線水分儀[24]。但針對電阻法存在阻值分布范圍極寬、采樣信號幅值小、取樣要求高和抗干擾性差等問題的解決未見相應研究。

論文針對上述問題，從取樣機構優化、碾壓機理分析、采樣電路創新設計和數據分析處理入手，研發一種基于電阻法的連續單粒式谷物在線水分測定儀，實現對稻谷、小麥和大麥水分的在線檢測，并進行應用試驗，驗證其水分檢測的穩定性、可靠性和準確性。

1 總體方案

連續單粒式谷物在線水分測定儀的系統構成如圖1所示，在驅動電機驅動下的谷物取樣機構承接物料顆粒，在谷物取樣機構上方的清雜機構去除多余谷物和雜物，經過谷物取樣機構篩選和排序后，谷物以等間隔單粒的形式輸送至采樣機構，采樣機構在驅動電機驅動下碾壓單粒谷物。測控電路實時采集碾壓過程中傳感器測得的谷物電阻值和谷物溫度值，根據由單粒阻值-含水率對應關系曲線回歸出的數學函數計算出單粒谷物對應的水分值。測控電路保存100粒有效采樣的單粒谷物的水分值，并對100粒單粒谷物的水分值進行整理分析，得出本次在線采樣的谷物水分值，并輸出至觸摸屏，供用戶或上位機系統分析使用。被采樣的每粒谷物含水率都代表一部分物料的含水率，連續采樣100粒谷物單粒，使每次測得的水分值更接近所烘干物料的整體水分值，較多粒式采樣方式更準確。

圖1 谷物水分測定儀系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of grain moisture tester system

連續單粒式谷物在線水分測定儀安裝于設備提升機提升通道的側邊或出料口[25]。完成一次水分測定需有效碾壓100粒谷物單粒，損耗小于總烘干谷物總量的百萬分之一，對烘干后谷物損失率的增加可忽略。經碾壓后破損的谷物單粒直接返送至提升機，回到烘干機的烘干倉，而谷物烘干熱風溫度低于60 ℃，破損的谷物單粒在烘干過程中不會產生焦糊。

2 在線水分測定儀設計

基于電阻法的連續單粒式谷物在線水分測定儀應用于谷物烘干過程在線水分測定，必須在機械機構設計上實現谷物連續平穩取樣，單粒化排序和可靠有效碾壓。在信號采集電路設計上解決不同含水率谷物極寬電阻范圍的測量和現場工頻干擾的問題。計算軟件的設計需完成單粒谷物碾壓阻值實時采樣和含水率計算，統計分析所有單粒谷物含水率，輸出一次水分測定結果。

2.1 機械結構設計

2.1.1 工作原理

谷物在線水分儀機械結構如圖2所示。機械結構的合理設計是保證水分儀在線連續單粒采樣穩定、可靠和準確的基礎。連續單粒式谷物在線水分儀主要由測控電路板1、螺旋桿4、分粒撥刀6、碾壓輥9、直流電機11等組成。進行水分檢測時，測控電路板1輸出啟停指令控制直流電機11經內嵌變速器減速后輸出200 r/min的轉速，驅動傳動齒輪10、碾壓輥9和傳動軸3旋轉，同時安裝于傳動軸3上的螺旋桿4和分粒撥刀6進行同步異向旋轉，使其完成水分檢測所需谷物樣品的接收、清雜、單粒式排序和平穩碾壓。在螺旋桿4和分粒撥刀6的上方配置楔形清雜塊2，在雙螺旋桿4推送谷物時，可以多方位剔除谷物中的雜物和多余物料，達到單粒有序無雜輸送的目的。

圖2 單粒式谷物水分測定儀機械結構圖Fig.2 Mechanical structure of single grain moisture tester

2.1.2 谷物取樣機構

連續單粒式谷物在線水分測定儀的取樣機構由一對不銹鋼制異向正弦螺旋桿和分粒撥刀組成（圖3）。散落在取樣機構上的谷物在同步異向旋轉的螺旋桿上緣推動下向進料口移動。螺旋桿的螺旋曲面軸向截面為正弦波形，保證谷物單粒在推送過程中水平姿態平穩。一對分粒撥刀安裝在螺旋桿與進料口之間，旋轉角度錯位180°，在傳動軸的帶動下與螺旋桿同步旋轉，使得螺旋桿每旋轉半圈只能有一粒谷物進入進料口。

圖3 谷物取樣機構部件示意圖Fig.3 Schematic diagram of grain-fetched mechanism

谷物在螺旋桿上緣是否能完成水平單粒排列取決于螺旋桿的中徑和螺距尺寸大小。螺旋桿中徑和螺距尺寸過大或過小，會導致過多谷物單粒集聚于兩螺旋桿之間或在螺旋桿旋轉過程中脫落，使取樣機構不能正常提取單粒谷物。螺旋桿的中徑和螺距尺寸是由谷物單粒大小以及谷物在螺旋桿表面靜滑動摩擦角決定[26-27]，圖4所示雙螺旋桿取樣示意圖。

依據式（1）可計算出螺旋桿中徑

式中D為螺旋桿中徑，mm；α為單粒谷物與螺旋桿中徑線接觸點的切線水平夾角，(°)；d為谷物單粒等效粒徑，mm。由于谷物單粒在雙螺旋桿取樣機構上初始姿態為隨機的，所以采用谷物單粒外形三軸最大外接圓直徑平均值作為幾何當量徑計算谷物單粒等效粒徑。

圖4 雙螺旋桿取樣示意圖Fig.4 Schematic diagram of double helix rods fetching

對中國水稻、小麥和大麥代表性主產品種谷粒外形尺寸進行測量，統計結果如表1所示。為了保證取樣機構對不同谷物的兼容性，取所測谷粒最大等效粒徑作為谷物等效粒徑，即d取值5.18 mm。含水率為10%～30%的谷物與不銹鋼表面的靜滑動摩擦角為26°～40°，為了使谷物單粒在螺旋桿間平穩移動徑向不脫落，谷物單粒與螺旋桿中徑線接觸點的切線水平夾角α取45°～50°，根據式（1）計算可得雙螺旋桿中徑為D=12.54～16.96 mm，取值16 mm。

確定雙螺旋桿中徑后根據式（2）可驗證雙螺旋桿旋轉過程中徑向剔除多余谷物的能力。

式中β為多余谷物單粒與螺旋桿中徑線接觸點的切線水平夾角，(°)。

由式（2）分析可知，谷物單粒等效粒徑d越大，多余谷物與螺旋桿中徑線接觸點的切線水平夾角β越小，越容易剔除，所以驗證計算時谷物單粒等效粒徑d取表1中谷物等效粒徑均值4.7 mm。由式（2）計算可得此時β=24.3°，小于谷物與光滑不銹鋼表面的靜滑動摩擦角，則多余谷物單粒在與雙螺旋桿表面摩擦力的作用下被徑向剔除出取樣機構。

表1 谷物單粒外形尺寸測量統計表Table 1 Statistical table of single grain size measurement

式中P為螺旋桿螺距，mm；φ為螺紋升角的余角，(°)。綜合考慮谷物與不銹鋼表面的靜滑動摩擦角和螺旋推送物料的平穩性與可靠性，φ取值80°，則螺距P由式（3）可得為8.86 mm，取值9 mm。

為使谷物單粒在雙螺旋桿上水平移動過程中的連續和不越齒拋粒，選取螺紋壓頂高和牙底高為2 mm，使等效粒徑尺寸大小的谷物單粒的重心始終低于螺紋齒頂。雙螺旋桿的長度決定同時承接谷物的數量，本設計只需保證螺旋齒間單粒輸送，結合水分測定儀結構尺寸和安裝的要求，雙螺旋桿的長度取50 mm。

取樣機構雙螺旋桿旋轉速度決定谷物單粒推入進料口的速度，影響完成一次水分值測量的用時。根據《電容法和電阻法糧食水分測定儀通用技術條件》[28]規定，

根據式（3）可計算出螺旋桿螺距P電阻法水分儀完成一次水分測量的時間應不超過1 min。以有效采樣100粒谷物單粒阻值作為水分計算數據，異向正弦雙螺旋桿每旋轉半圈可向進料口推入1粒谷物，所以選取取樣機構螺旋桿的轉速為60 r/min，則完成一次水分數據采樣的設計時間為50 s。

綜上所述取樣機構螺旋桿的設計參數如表2所示。

表2 谷物取樣機構雙螺旋桿設計參數表Table 2 Design parameters of double screw rods used in grain-fetched mechanism

2.1.2 谷物采樣機構

連續單粒式谷物在線水分測定儀的采樣機構由2個相互絕緣的不銹鋼碾壓輥構成，在異向旋轉碾壓谷物單粒時作為電極，探測被碾壓谷物單粒的實時電阻值。碾壓輥的直徑、表面滾花、碾壓間距和轉速是影響有效性碾壓的重要參數。所謂有效碾壓是指谷物單粒被平穩均勻碾壓，不產生跳粒、斷裂和粘連現象。

碾壓輥的直徑和長度決定一對異向旋轉碾壓輥捕獲單粒谷物的成功率，直徑越大捕獲成功率越高，綜合結構設計要求確定碾壓輥直徑為55 mm，長度為12 mm。碾壓間距為兩碾壓輥碾壓面的最小距離，直接影響對谷物顆粒的碾壓力，綜合考慮碾壓后谷物與碾壓輥粘連程度，取碾壓間距為0.4 mm[29]。采用彈性預緊機構將兩碾壓輥安裝于水分儀殼體上，確保使用壽命內碾壓間距保持不變。

碾壓輥表面滾花類型則影響碾壓的平穩性，常見表面滾花類型有直紋、斜紋和網紋（圖5）。依據標準《滾花》規定的計算方法[30]，直徑55 mm不銹鋼碾壓輥滾花加工應選模數為0.4 mm的滾花刀，斜紋刀螺旋角選標準30°。選取模數為0.4 mm的直紋、斜紋和網紋3種滾花開展試驗和模擬仿真研究，碾壓平穩性優劣依次為斜紋、網紋和直紋滾花，故碾壓輥表面滾花形式選擇斜紋[31]。

圖5 三種滾花形式的碾壓輥Fig.5 Three kinds of knurling roller

從谷物單粒的組成結構可知，水稻、小麥和大麥的胚乳均被一層表皮包裹。谷物采樣機構在進行碾壓谷物單粒時須考慮表皮水分和胚乳水分的影響，因此谷物采樣機構采用揉搓式碾壓，兩碾壓輥的轉速分別選取35和52 r/min。在兩碾壓輥捕獲單粒谷物時，由于轉速差的存在，谷物單粒表皮被碾壓后迅速被撥裂，使碾壓輥充分碾壓谷物單粒的胚乳。單粒谷物阻值測量包括前期表皮阻值和后期胚乳阻值，計算輸出的單粒谷物含水率值為表皮和胚乳的整體含水率。采樣機構碾壓輥的設計參數如表3所示。

表3 谷物采樣機構碾壓輥設計參數表Table 3 Design parameters of roller used in grain-sampled mechanism

2.2 信號采集電路設計

采樣機構碾壓谷物單粒時，信號采集電路周期性采集碾壓過程中兩碾壓輥間的瞬態阻值，并保存碾壓過程中全部瞬態阻值數據。單粒谷物碾壓結束后，對所測所有瞬態阻值數據進行分析處理并計算出單粒谷物水分值。信號采集電路設計原理框圖如圖6所示。

圖6 信號采集電路設計原理框圖Fig.6 Schematic diagram of signal acquisition circuit design

2.2.1 多路復用比例電路

不同含水率的單粒谷物具有極寬的電阻域特性，比容積電阻范圍可達10-2～1010?·cm[22]。常規比例法測量電路很難滿足測量要求，為此本文設計了多路復用比例電路，電路原理圖如圖7所示。

圖7 多路復用比例電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of multiplex proportional circuit

為保證比例電路復選開關的頻率響應特性和減少開關接觸電阻對標準比例電阻的影響，S1和S2選擇Standex-Meder公司干簧管繼電器。依據式（4）可計算出谷物等效電阻Rx

式中v1、v2和v3為電路節點電勢值，V；Rx為谷物等效電阻，k?；Ri為第i路標準電阻值，k?；Ri的取值如表4所示。

表4 多路復用比例電路標準電阻取值表Table 4 Standard resistance value table of multiplex proportional circuit

2.2.2 濾波電路

為了提高信號采集電路的抗干擾能力，分別采用集成電路AD8643和LM358構成二階壓控有源低通濾波器和雙T有源帶阻濾波電路，能夠有效抵抗1 kV浪涌和強度為3 A/m工頻磁場的干擾。

2.2.3 A/D轉換電路

多路復用比例電路輸出的3路電壓信號經過低通濾波器和50 Hz陷波電路濾波后輸入A/D轉換電路，選擇Analog Devices公司的4通道16位雙極性輸入同步模數轉換芯片AD7606-4構成A/D轉換電路。本設計中AD7606-4選擇并行接口和64倍過采樣數字濾波。

2.2.4 微處理器系統

選擇ST公司32位基于ARM CortexTM-M3核的STM32L151CBQ6低功耗微處理器構成微處理器系統核心，具有豐富功能配置和32MHz的CPU處理速度，滿足水分儀大量數據計算處理和接口功能的要求。

2.2.5 電 源

連續單粒式谷物在線水分儀為DC24V供電，電源設計采用隔離穩壓正負雙輸出DC-DC模塊，隔離電壓為3 kV，能有效抵抗1kV/5kHz的電快速脈沖群干擾。

2.3 水分計算方法

選取含水率10%～35%范圍內的揚粳239、淮麥33和揚農啤4號作為稻谷、小麥和大麥的試驗樣品，在谷物溫度為25 ℃時，使用電子萬能試驗機、高精度程控直流源和數字萬用表，采用比例法測量不同含水率谷物單粒被碾壓輥碾壓時的直流電阻值，記錄兩碾壓輥碾壓間距為0.4 mm時的穩態阻值。相同水分值的樣品測量100粒后取平均阻值。樣品含水率采用《糧食、油料檢驗水分測定法》規定的105 ℃恒質量法測得[32]。根據試驗數據得出如圖8所示含水率與阻值關系曲線。

圖8 谷物含水率與單粒電阻值關系曲線Fig.8 Relationship curve between grain moisture content and single grain resistance

對圖8所示谷物單粒含水率與阻值關系曲線進行多項式回歸，可得稻谷含水率計算公式（5）、小麥含水率計算公式（6）和大麥含水率計算公式（7）如下

式中M1、M2、M3分別為稻谷、小麥和大麥的含水率，%；R為谷物單粒阻值平均值，k?；x為R的常用對數，數值等于lg(R)；R2為方程的決定系數。

由公式（5）～（7）可知，谷物單粒含水率與阻值的對應函數關系在高水分和低水分時有所不同，相應的計算函數分界點對應的含水率分別為：稻谷為20%；小麥為18%；大麥為18%。

試驗研究表明，谷物溫度對其單粒電阻的影響顯著，性質上表現為谷物單粒的電阻值隨溫度的升高而減小，變化規律基本符合?10～50 ℃條件下溫升1 ℃對電阻的影響相當于含水率增大0.1%[33]。

2.4 軟件設計

水分采樣計算程序流程圖如圖9所示。

圖9 谷物水分計算程序流程圖Fig.9 Flowchart of grain moisture content calculation

單粒式谷物在線水分測定儀系統軟件采用STM32固件庫函數編程，在RVMDK5.12編程編譯環境下完成。水分采樣計算程序主要分兩部分，一是單粒谷物阻值信號采樣和水分計算，二是統計分析設定數量的單粒谷物水分值，計算輸出本次采樣水分值。單粒谷物阻值采樣時，每個通道采樣周期為1 ms，持續采樣時間為20 ms的整數倍，以消除工頻干擾的影響。采用中值法計算單粒谷物每個通道采樣時間內所有阻值的平均值，并保存此平均值。每個通道輸出阻值必須在該通道有效阻值范圍內，否則判斷本通道采樣無效。根據單粒谷物有效平均阻值，計算出單粒谷物水分。被采樣的谷物單粒數達到預設顆粒數時，結束本次水分采樣，統計分析所有單粒谷物水分值，輸出本次谷物水分采樣最終水分值。

3 結果與分析

3.1 現場在線水分檢測

為了驗證連續單粒式谷物在線水分測定儀的準確性，在2013—2016年間分別在江蘇、江西、山東和遼寧等地對連續單粒式谷物在線水分測定儀進行多批次稻谷、小麥和大麥水分在線測定驗證試驗。如圖10所示。

考慮到循環式谷物烘干機裝料后烘干倉內的谷物水分分布不均勻，在進行水分在線檢測前，需采用自然通風循環2 h以上。烘干全過程中，每間隔1 h進行一次谷物水分在線檢測，水分儀采樣單粒數設為100粒，每次連續采樣3個水分數值，記錄這3個水分數值的平均值。在谷物在線水分儀采樣水分的同時，人工從水分儀上方的提升機取料口連續勻速取樣，直至水分儀3次水分采樣結束，并將質量不少于1 kg的谷物樣品置于密封袋保存。

3.2 烘干法水分檢測

將現場取樣保存在密封袋中的谷物樣品放在實驗室內，使其谷物溫度與實驗室保持的室溫達到平衡。充分混合每袋中的谷物樣品，然后依據標準《糧食、油料檢驗水分測定法》對谷物樣品進行105 ℃恒質量法水分測定，并記錄檢測結果。

3.3 試驗結果

連續單粒式谷物在線水分測定儀現場對谷物烘干過程中水分在線檢測的重復誤差和一次水分測量用時如表5所示。

試驗結果表明，完成一次水分測量平均時間≤55 s，水分測量值重復誤差≤±0.3%，優于原烘干機所裝進口或國產在線水分儀一次水分測量平均時間≥90 s和水分測量值重復誤差≤±0.5%的性能指標。與谷物樣品105 ℃恒質量烘干法測得的水分值比較結果如表6所示。對比試驗結果表明，水分測量值絕對誤差≤±0.4%，絕對誤差小于目前市場主流電阻式谷物在線水分儀絕對誤差≤±0.5%的指標要求。符合谷物烘干過程水分在線檢測的精度要求。

表5 在線水分儀含水率測量重復誤差和測量用時Table 5 Repetitive errors and measuring times of moisture measurement for on-line moisture tester

表6 在線水分儀與烘干法測量水分結果比較Table 6 Comparison of measured moisture content between on-line moisture tester and drying method

4 結 論

1）采用一對不銹鋼制異向正弦螺旋桿和分粒撥刀組成的谷物取樣機構和斜紋表面滾花碾壓輥組成的采樣機構，連續采樣100粒谷物單粒水分值計算谷物水分值，完成一次水分測量時間≤55 s，水分測量重復誤差≤±0.3%。

2）設計多路復用比例電路為解決10-2～1010?·cm極寬比容積電阻精確檢測，采用二階壓控有源低通濾波器和50 Hz陷波電路，使水分測定儀滿足在線檢測的電磁兼容性要求。

3）構建含水率在10%～35%范圍內的稻谷、小麥和大麥單粒阻值與其含水率對應關系曲線，運用ARM CortexTM-M3核的低功耗32位微處理器硬件和軟件平臺，設計出連續單粒式谷物在線水分儀的水分采樣、分析和計算軟件。

4）現場在線驗證試驗可知，稻谷、小麥和大麥在溫度?5～55 ℃和含水率10%～35%范圍內，單粒式在線水分測定儀的水分測量值絕對誤差≤0.4%，水分測量值重復誤差≤0.3%，滿足烘干過程水分在線檢測的需求。對于其他品種的谷物烘干過程水分在線檢測還有待后續研究。

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Design and experiment of continuous single grain typed on-line grain moisture test apparatus

Wu Huichang, Xie Huanxiong, Hu Zhichao※, Gu Fengwei, You Zhaoyan, Yan Jianchun, Wei Hai
(Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Grain drying operation is an important part of food safe storage. In recent years, many scholars and engineers have done a lot of work on grain drying technology aiming to reduce energy consumption and realize automatic control of drying devices, but online moisture accurate detection in the grain drying that is core technique is still application difficulty to be solved, which restricts the development of grain drying system. Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the technical principle of current online grain moisture meters, this paper presented a continuous single grain online moisture meter based on the water detection principle of resistance method. Physical dimensions of main varieties in main paddy, wheat and barley producing areas in China were measured, statistics of grain equivalent diameter were made, and pitch diameter and helix angle of stainless-steel incongruous sine screw rod were calculated by applying static sliding friction angle between single grain and metal surface. Therefore, the grain sampling device of moisture tester was designed, which was composed of a double-screw rod and a split grain knife. The grain sampling device screened out sundries and excess grain, and ensured single grain and continuity at the same time when sampling. According to the results of the experiment and simulation, 3 kinds of knurling forms with 0.4 mm modulus were chosen, including straight lines, oblique lines and net-mesh lines, and net-mesh lines had the optimal rolling smoothness among them, followed by straight lines knurling and oblique lines knurling. Considering the removal effect of adhesion on roller, the brushing effect of oblique lines knurling was the best, so the roller surface chose oblique lines form. Yangjing 239, Huaimai 33, and Yangnongpi 4 were chosen respectively as the test samples of paddy, wheat and barley, prepared as multiple samples with different moisture content. Meanwhile, when 105 ℃ drying method was adopted to test moisture content of each sample in the laboratory, the direct-current (DC) resistance of single grain with different moisture content compacted by the roller was measured by using universal electronic testing machine, programmable DC power supply with high precision, digital multimeter and other equipment; the steady resistance value was taken when the distance between the 2 rollers was 0.4 mm, and average resistance value was obtained after testing 100 samples for the samples with the same moisture content. Regression curves between the grain moisture content and single grain resistance of paddy, wheat and barley were built according to the experimental data. The calculation function expression of grain moisture content was obtained through polynomial regression on curve. Multiplex proportional circuit was designed, providing possibility to solve precise detection of extremely wide resistance of specific volume ranging from 10-2to 1010?·cm. Second order voltage-controlled active low-pass filter based on four-channel amplifier AD8643, and 50 Hz band-stop filter circuit consisting of operational amplifier LM358 were designed to meet the electromagnetic compatibility requirements for on-line grain moisture tester detection. Hardware and software platforms of ARM CortexTM-M3 core’s low power 32-bit microprocessor STM32L151CBQ6 were applied to finish both the sampling of grain moisture and the design of processing program. Online detection comparison tests on site showed that, when the drying temperature ranged from -5 to 55 ℃ and the moisture content ranged from 10% to 35% for paddy, wheat and barley, the online moisture measurement accuracy of the tester was less than ±0.5%, which satisfied online moisture detection requirements for the drying of the 3 kinds of grains. The design method can provide a reference for the online detection of water in the drying process of grain.

grain; moisture; electric resistance; single grain typed; low power 32 bit microprocessor STM32

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.036

S237; TP206+.1

A

1002-6819(2017)-11-0282-09

吳惠昌，謝煥雄，胡志超，顧峰瑋，游兆延，顏建春，魏 海. 連續單粒式谷物在線水分測定儀的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(11)：282－290.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.036 http://www.tcsae.org

Wu Huichang, Xie Huanxiong, Hu Zhichao, Gu Fengwei, You Zhaoyan, Yan Jianchun, Wei Hai. Design and experiment of continuous single grain typed on-line grain moisture test apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 282－290. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.036 http://www.tcsae.org

2017-02-21

2017-04-12

江蘇省科技計劃項目（BE2015301）；中國農業科學院基本科研業務費專項（2016）；中國農業科學院科技創新工程（農產品分級與貯藏裝備創新團隊）

吳惠昌，男，江蘇揚州人，副研究員，主要從事農產品加工與農機裝備智能化的研究。南京 農業部南京農業機械化研究所，210014。

Email：huichangwu@126.com

※通信作者：胡志超，男，陜西藍田人，研究員，主要從事農作物收獲及產后加工技術裝備的研究。南京 農業部南京農業機械化研究所，210014。Email：nfzhongzi@163.com。中國農業工程學會高級會員：胡志超（E041200498S）