籽棉回潮率快速檢測裝置設計與實現

■ 王會博 孟永法 夏 彬

〔中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州450004〕

籽棉回潮率是影響棉花交售價格和加工品質的重要因素，當回潮率過高時，棉花品質降低，黃色加深，易霉變，不利于加工，影響農商交接，市場流通；當回潮率過低時，主要影響軋花過程的正常進行，不利于安全生產。因此，采用快速自動化檢測裝置能夠有效提高效率和棉花市場競爭力。

一、工作原理

系統工作時，將300 g籽棉平鋪在籽棉樣品盒中，按下啟動按鈕，傳送帶將籽棉樣品盒傳送至壓棉單元，接近開關檢測到樣品盒到達壓棉位置時，傳送帶停止，壓棉機構垂直壓棉，當壓棉玻璃板將籽棉表面壓實后，回潮模塊通過壓面玻璃板上的電極，獲得電阻值，用電阻法采樣得到回潮值，回潮率檢測結果通過RS-232上傳給上位機，隨后上位機顯示實時數據，壓棉機構復位，傳送帶帶動籽棉樣品盒復位。

二、回潮率檢測單元硬件設計

（一）主控電路

以IAP15W4K61S4單片機為控制核心，該芯片可以將用戶程序區的程序FLASH當EEPROM使用，節約成本；具有四組高速異步串行通信端口UART、A/D轉換，可滿足通信和回潮數據測量；該芯片工作溫度范圍為-40 ℃～85 ℃，可滿足日常工作環境要求。

（二）電源電路

本次電路設計采用接入直流24 V，通過壓降電路輸出直流5 V，直接為數據處理供電，數據采集電源通過直流電感升壓電路加倍壓電路組成，由直流5 V升壓至直流45 V和直流90 V，為數據測量部分提供電壓。24 V降壓至5 V電路，采用德州儀器公司的開關電源轉換芯片TPS5430，該芯片與其他同類型開關電源轉換芯片相比，具有帶負載能力強，效率高，外圍器件少的特性，為數據采集和數據處理供電，該部分原理圖如圖1所示。

圖1 數據采集系統供電原理圖

直流24 V轉直流5 V降壓電路，采用TPS5430的經典電路設計，如圖2所示。由芯片手冊可知，當芯片正常工作時，4引腳電壓為1.221 V，VCC輸出電壓通過R31和R32反饋給4引腳，則由分壓原理得到輸出電壓VCC=1.221 ×，當需要5 V輸出時，R31若選擇10 K，R32選擇3.24 K，結合本電路設計，此次輸出為5 V（詳見圖2）。

圖2 24 V輸入轉5 V電壓輸出電路圖

（三）回潮測量

回潮測量采用電阻分壓原理。設計如下：壓棉玻璃板上有兩個環形電極，分別為采樣電極A和采樣電極B，電極A和電極B引出導線接入采樣電路。當玻璃壓棉板將籽棉壓實以后，采樣電路對A、B之間的電阻值進行檢測，由棉纖維吸濕導電特性可知，不同的籽棉回潮值對應不同的電阻值，根據對應關系可測量棉花的回潮值。圓形電極如圖3（a）所示，回潮采集部分原理圖如圖3（b）所示。

圖3 回潮采集原理圖

AQW214為2a型高性能和經濟性兼備的半導體繼電器，具有高靈敏度和高響應速度，4腳接單片機的IO口，當單片機IO口輸出低電平時，繼電器吸合，采樣電極A和采樣電極B分別接XH+和XH-，等效于可變電阻Rx，當R27開路時，OPA4344與外圍電阻構成跟隨電路，放大系數為1，此時AD1_DJ電壓為R24的電壓（由Vad1表示），由分壓原理可得：

由單片機手冊可知單片機IAP15W4K61S4具有高速10位ADC，則可得：

VCC為單片機供電電壓5 V，Vad_value為單片機采樣值，由公式（1）和（2）可得：

由公式（3）和（4）可得：不同的電阻值得到不同的AD值，由AD值可求得對應的電阻值。

（四）上位機通信

1.RS-232通信

通信采用美信公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片MAX232，該芯片由直流5 V供電，功耗低，集成度高，片外最低只需4個電容即可工作。該芯片采用標準modbus協議與上位機通信，RS-232通信距離可達到15 m，且幾乎每一臺電腦都會有一個或者多個接口，傳輸距離較長，使用方便。電路如圖4所示。

圖4 與上位機通信接口電路

2.UART-USB通信

通信采用USB總線轉接芯片CH340G，可實現串口轉USB功能。基本原理如圖5所示。

圖5 UART轉USB原理圖

UART轉USB電路原理圖如圖6所示。

圖6 UART轉USB電路原理圖

將沒有使用到的信號線都可以懸空，該芯片電源電壓范圍是-0.5 V～6.0 V，所以采用直流5 V供電。USB通信接線簡單，可方便調試使用。在本電路中，主要用于程序下載和工程師調試使用。

三、回潮率檢測單元軟件設計

以專業開發軟件為開發環境，利用單片機C語言開發程序，主要有A/D采樣，回潮值計算兩部分。

（一）A/D采樣

單片機IAP15W4K61S4具有10位A/D，轉換速度快，采樣精度高，利用定時器中斷，每0.2 ms采集一個數據，采樣100個數據后關閉定時器中斷，利用插入排序法，去掉部分最大值和最小值后得到平均AD值，再次打開定時器中斷，依此方法得到10個平均AD值，求得采樣值為10次AD值的平均值Vad_value，此方法可以有效濾除干擾。將Vad_value帶入公式（3）可以得到電阻值。

（二）回潮率檢測算法

棉花屬于纖維材質，在干燥的情況下幾乎不導電，潮濕后，雜質會在潮濕的棉花中形成大量的離子，離子在電壓的作用下定向移動，形成電流，即可以導電，含水量越高，導電能力越強，根據歐姆定律，可知，當電壓一定時，電流越大，電阻越小。根據《棉花回潮率的測試研究》介紹，棉花回潮率的大小還受棉纖維所處的溫濕度等外部環境的影響。基于上述研究，可得到回潮率計算公式：

回潮率=電阻法計算結果+外部補償結果 式（5）

由于外部環境測試需要嚴格的測試環境和較長的測試時間，所以外部補償將作為下一步的工作任務，實驗過后再做出補償方案。

由電極特性和實驗數據得到電阻回潮率校驗曲線，由曲線可以看出回潮值和電阻值不是線性對應關系，如圖7所示。

圖7 電阻-回潮率校驗曲線

由于曲線不是線性對應關系，且不同回潮率對應電阻值差距較大，因此，采用分段函數的方法來擬合曲線，回潮率從4%開始，每增加1%所對應的電阻值為一個區間。設采樣電阻為Rx，根據標準電阻值判斷采樣電阻值所在的區間，假設所在電阻區間為［R0，R1］，R1所對應的回潮值為r0，則此時Rx對應的回潮值為。據此方法得到的回潮值，于2022年10月1日在148團軋花廠試驗驗證，與其他回潮值儀器測出來的數據基本一致，最大誤差在5%以內，實驗數據見表1。

表1 回潮率實驗數據表

四、整機控制系統設計

控制系統以STM32F103VET6為主處理器，通過操作面板上的三個按鍵來控制整個設備的正常運行。控制系統的總體方案如圖8所示。

圖8 控制系統原理圖

回潮采集作為回潮裝置的核心模塊，主要進行回潮率的采集；物位檢測主要通過接近開關來定位各個運動部件的到位位置；操作面板主要進行整個裝置的啟動，停止和復位操作；上位機進行實時數據的顯示和記錄；棉樣稱重控制主要稱重300 g棉樣；棉樣輸送控制是為了將棉樣盒輸送到指定的位置；棉樣壓縮控制的作用是將籽棉表面壓實，以便圓形電極進行數據采集，上位機的作用是進行數據的監控和記錄。籽棉回潮率快速檢測裝置通過控制系統進行控制回潮采集模塊和外圍設備模塊的有序運行，完成整個回潮率的采集記錄工作。

五、結語

通過對籽棉回潮率快速檢測裝置的要求分析，提出采用IAP15W4K61S4單片機為核心芯片，配合驅動傳輸單元，壓棉單元等，設計出一款可以快速檢測籽棉回潮率的裝置。該裝置在新疆石河子148團軋花廠進行現場調試和試驗，經驗證，數據誤差小于5%，性能穩定，操作簡便，安全可靠，可實現回潮率的自動化檢測，回潮數據實時上傳上位機進行監控、記錄、保存。