電磁波輻射法大顆粒谷物含水率測試試驗臺研制

李博識，黃操軍，趙 晶，劉凱旋，李亞鵬

(黑龍江八一農墾大學 電氣與信息學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

精準農業作業體系中對收獲過程的精確計產、種子的保質烘干等環節都要求精確地掌握谷物的瞬時含水率[1]，谷物含水率的測量是確保糧食安全的主要依據。因此，準確測量谷物含水率對保證國家糧食安全和國民經濟的發展具有十分重要的意義。目前，國內外科研人員對谷物水分的測量方法主要有電阻法、干燥法、電容法和中子法等[2-5]，對應的測量裝置大多適合靜態測量，對于要求實時在線測量環境，由于高孔隙度顆粒谷物間空氣的存在，存在著測量誤差大、測量速度無法滿足實時測量要求等弊端[6-7]。本文研制的大顆粒谷物含水率檢測試驗臺結構簡單、操作方便，可滿足農業上對谷物含水率在線檢測的要求，能夠實時計算出谷物含水率并予以顯示。

1 試驗臺總體設計方案

電磁波輻射法大顆粒谷物含水率測試試驗臺主要由電磁波發生及采集電路、激勵線圈、接收線圈谷物輸送腔體、升運絞龍、電機及變頻器等組成。功率放大器由人機接口模塊、波形生成模塊及電源轉換模塊組成。谷物輸送腔體選擇直徑大于玉米籽粒直徑20倍以上(腔體直徑過小，會帶來更大的孔隙度誤差)的圓柱形尼龍注塑管材作為腔體。為保證糧食在試驗裝置里循環運轉，選擇長度為2m的絞龍進行升運。

電機選取功率1.5kW、額定轉速1 400r/min的三相異步電機，220V供電的電機保證試驗臺的穩定運轉。變頻器采用功率1.5kW、220V供電的變頻器控制電機轉速，采用變頻器調速可以提高控制精度和工作效率。試驗裝置原理圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 試驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 系統的硬件設計

系統硬件結構設計決定系統的總體功能，是系統的重要載體。硬件電路分別連接上位機和試驗臺的機械結構和執行元件，實現信號的傳輸、數模轉換、數據采集及數據反饋等功能。硬件部分選用的是C8051F340單片機作為主控制模塊，分別進行了高頻電磁波信號發生電路、AD轉換模塊、無線通信模塊、LCD液晶顯示模塊，以及人機交互模塊的設計。硬件系統如圖3所示。

圖2 試驗裝置實物圖Fig.2 Test device physical map

2.1 C8051F340單片機介紹

核心處理器的選擇是谷物含水率測量模塊的關鍵，直接影響到信息采集系統的性能、終端設備的成本，以及后續的升級和擴展。經過綜合考慮試驗需要，本設計選取C8051F340作為核心處理器。C8051F340的主要特點如下：

1)高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核(可達48Mb/s)；

2)通用串行總線(USB)功能控制器，有8個靈活的端點管道，集成收發器和1K FIFO RAM；

3)真正10bit200kb/s的單端/差分ADC，帶模擬多路器；

4)精確校準的12MHz內部振蕩器和4倍時鐘乘法器。

單片機C8051F340連接圖如圖4所示。

圖3 硬件系統框圖Fig.3 The block diagram of hardware system

圖4 單片機C8051F340連接圖Fig.4 SCM C8051F340 connection diagram

2.2 系統功能模塊

2.2.1 波形生成模塊

此模塊主要由DDS芯片(AD9850)、增益可調節放大器(AD603)、放大器(LMH6645MAX)、功率三極管(2SC2078)及AD轉換器(AD5300BRMZ)組成。采用DDS芯片，用于產生符合要求的功率正弦波形。AD9850固定輸出峰峰值電壓為1V，電路如圖5所示。

將AD9805的輸出連接到AD603的輸入，經過AD603放大后，輸出電壓在0.3～5V范圍內可調節。將AD603的輸出連接到LMH6645MAX的輸入，這個30MHz低通濾波器的放大倍數為2，因此其輸出范圍為0.6～10V。在很多信號采集系統中，信號變化的幅度都比較大，放大后的信號幅值有可能超過A/D轉換的量程，所以必須根據信號的變化相應調整放大器的增益。美國ADI公司生產的AD603正是這樣一種具有程控增益調整功能的芯片，是一個寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA芯片，表1所列為其引腳功能。

圖5 AD9850電路圖Fig.5 AD9850 Circuit diagram表1 AD603引腳功能表Table 1 AD603 pin functionTable

腳號代號描述1GPOS增益控制輸入“高”電壓端(正電壓控制)2GNEG增益控制輸入“低”電壓端(負電壓控制)3VINP運放輸入4COMM運放公共端5FDBK反饋端6VNEG負電源輸入7VOUT運放輸出8VPOS正電源輸入

AD轉換電路的主要功能是將保持住的波峰模擬信號供單片機使用。在選取AD轉換器時，通常考慮如下指標：①轉換時間，從輸入模擬信號到輸出數字信號需要的轉換時間；②轉換誤差，指的是理論輸出數字量與實際輸出數字量存在的差別；③轉換精度，它是模擬部分精度和最大量化誤差的體現。綜合考慮器件成本以及實際電路需求，本設計選用了美國ANALOG DEVICES公司生產的AD5300作為數模轉換芯片，電路如圖6所示。AD5300有4個獨立的工作模式，即1個正常工作模式和3個掉電工作模式，模式選擇可通過移位寄存器的PD1和PD0來決定，具體的工作模式分配情況如表2所示。

圖6 AD5300電路圖Fig.6 AD5300 Circuit diagram表2 AD5300的工作模式Table 2 AD5300 working mode

PD1PD0工作模式00正常模式01輸出端接1kΩ電阻到地10輸出端接100kΩ電阻到地11三態

2.2.2 人機接口模塊

此模塊主要由字符型液晶屏(LCD1602A)、按鍵和編碼器組成，用以改變驅動信號的頻點，以獲得最佳的輻射功率。上下左右按鍵用于移動字符型液晶屏上的輸入光標，編碼器用于改變光標上的輸入值。所謂1602是指顯示的內容為16×2,即可以顯示兩行，每行16個字符，是一種專門用來顯示字母、數字及符號等的點陣型液晶模塊。LCD1602A電路圖如圖7所示。

圖7 LCD1602A電路圖Fig.7 LCD1602A circuit diagram

2.2.3 電源轉換模塊

通過DC-DC將電源輸入插座進來的直流電源，轉換成符合使用要求的各路直流電源。輸入電壓規定為+12V。通過DC-DC模塊生成±5V-A，+5V-D。另外輸入的+12V濾波后變為+12V-A。

2.3 谷物輸送腔體的設計

本設計中谷物輸送腔體作為谷物流通及線圈的載體，在選取材質的時候應該對電磁波傳播無影響，因此選擇直徑大于玉米籽粒直徑20倍以上(腔體直徑過小，會帶來更大的孔隙度誤差)的圓柱形尼龍注塑管材作為信號發射線圈和信號接收線圈的承載部件，如圖8所示。

圖8 輸送腔體實物圖Fig.8 Conveying cavity physical map

為減少高頻狀態下線圈之間的分布電容對電路的影響，采用表面涂有絕緣漆的粗徑銅導線，直徑為0.51mm。傳輸介質因品種、收獲期、處理方式等情況不同存在大小、形狀等幾何尺度的差異，是電磁波在腔體內透射傳播、反射傳播、折射傳播、漫反射傳播甚至逆反射傳播的重要影響因素；同時，輻射信號頻率決定電磁波的波長，而波長是決定傳播形式的最重要指標。充分考慮二者對電磁波傳播規律的影響，并以此作為指導谷物流導引腔體結構尺寸設計的理論依據，本設計共纏繞3組線圈，直徑分別為58、72、82mm，繞線一次側和二次側均為8層，線圈的各項參數如表3所示。

2.4 串口通信模塊

本研究采用ACS12-TTL 型無線模塊進行數據傳輸，AS12-TTL是一款高穩定性、工業級的無線數傳模塊，能夠配合串口調試助手在電腦端直接對無線串口通信進行測試，也能夠配合參數設置軟件輕松快捷地配置模塊參數。針對其動作特性，該模塊可以控制 ACS12-TTL 無線通信模塊的4種工作模式，如表4所示。

表3 線圈參數Table 3 Coil parameters

表4 ACS12-TTL四種工作模式Table 4 Four working modes of ACS12-TTL

3 系統軟件設計

軟件系統工作流程圖如圖9所示。

圖9 軟件系統工作流程圖Fig.9 Software system working flow chart

其中，上位機主要由PC端的串口助手及相應的無線接收器件組成，通過與通信設備相連接之后，串口波特率設定為115 200bps，打開串口時，上位機實現設定的要求能夠進行數據的接收；下位機的采集器設置輸入頻率，以達到預設頻率。在輸送腔體中谷物含水率發生改變而引起的波形及幅值變化時，系統能夠進行閉環調節。假如上位機和下位機都完成設定，那么系統處于正常工作狀態，開始對接收端頻率及幅值進行數據采集，通過無線模塊上傳到PC端進行計算，在下位機的LCD顯示屏和上位機的屏幕上顯示實時數據。

4 結論

本文設計的試驗臺結構簡單、成本低廉，通過比較接收線圈接收電磁耦合后的畸變信號與發射信號，建立了信號變化與谷物含水率的關系。對正弦電磁波信號發生裝置進行了深入研究，做到了人機交互更方便，通過無線通訊模塊傳輸數據對谷物的主要參數進行檢測，實現了對谷物含水率的在線測量，達到了研制此試驗臺的目的。試驗表明：此試驗臺性能穩定，運行可靠，操作簡單，滿足農業上對糧食水分的測量要求，具有較高的實用價值。