谷物水分測(cè)量

谷物水分含量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)摘要：通過(guò)比較市場(chǎng)上幾種常用濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)谷物介電特性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出一種谷物濕度傳感器一電容式傳感器，提出了利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)谷物含水量測(cè)量裝置的具體設(shè)計(jì)方法，論述了谷物濕度測(cè)量系統(tǒng)的組成及工作原理。關(guān)鍵字：電容式傳感器電阻式傳感器單片機(jī)谷物濕度設(shè)計(jì)意義糧食水分的高低對(duì)糧食的存儲(chǔ)及加工起著非常重要的作用。谷物收獲時(shí)一般含水率較高，容易發(fā)熱、發(fā)酵并導(dǎo)致變質(zhì)和發(fā)芽率下降。為了確保安全貯存，必須將收獲后的谷物及時(shí)干燥，將水分降至安全貯藏標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)生產(chǎn)的谷物干燥機(jī)大多缺乏高質(zhì)量的水分在線檢測(cè)裝置，烘后谷物過(guò)干或未達(dá)安全水分的情況相當(dāng)普遍。達(dá)不到安全水分的谷物易發(fā)潮發(fā)熱，導(dǎo)致降等降級(jí)，甚至霉?fàn)€變質(zhì)，為確保安全貯藏，往往要進(jìn)行二次處理，費(fèi)時(shí)費(fèi)工增加成本。而過(guò)度干燥會(huì)損耗商品糧重量，增加能源、人工和設(shè)備消耗，同時(shí)降低谷物烘后品質(zhì)，如出現(xiàn)裂紋、糊化粒等現(xiàn)象。為避免“欠干燥”及“過(guò)干燥”問(wèn)題，干燥過(guò)程中需進(jìn)行水分在線測(cè)試。在干燥機(jī)上配備谷物水分在線測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)谷物水分進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，可避免干燥機(jī)烘干不足或過(guò)度干燥，并且可提高谷物烘干的均勻性，既保證了烘干的產(chǎn)量，又可保證烘后質(zhì)量，為谷物生產(chǎn)及貯藏部門帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此糧食水分的測(cè)定就有著十分重要的意義。谷物水分含量測(cè)量方法的分類目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多先進(jìn)的谷物水分快速測(cè)定儀器研制出來(lái)并得到應(yīng)用。按照測(cè)量原理的不同，谷物水分快速測(cè)定方法可分為電阻法、烘干法、電容法、紅外法、微波法、中子法、高頻阻抗法、核磁共振法、聲學(xué)法等。采用電阻式水分測(cè)定法，由于測(cè)量精度較低因此測(cè)定出的含水量參考意義不大；采用烘干法測(cè)量谷物的含水量，雖然精度很高，但由于它測(cè)定時(shí)間很長(zhǎng)，操作過(guò)程復(fù)雜，因此不宜對(duì)大批量樣本進(jìn)行測(cè)定；紅外法主要用于表面水分測(cè)量，多見(jiàn)于紙張水分檢測(cè)中；中子法和核磁共振法基于水分中氫原子效應(yīng)，系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高，不能體現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象的專用性；微波法是利用水對(duì)微波能量的吸收或作用于糧食的微波參量隨水分變化的原理進(jìn)行水分測(cè)量，其測(cè)量值與物料成分有關(guān)，測(cè)量電路及信號(hào)處理較復(fù)雜，價(jià)格偏高；相比較而言，電容法具有成本低、靈敏度高及動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并且適于在線測(cè)試。電容式谷物水分傳感器以谷物為介質(zhì)，利用水的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于谷物介電常數(shù)的特性來(lái)測(cè)定谷物含水率，可實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。但電容傳感器所測(cè)電容值與谷物含水率之間并不是單值函數(shù)關(guān)系，其結(jié)果還受一系列其它因素的影響。兩種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比電阻式谷物水分的測(cè)量電阻式傳感器的測(cè)量原理及其電路 【課本275頁(yè)】系統(tǒng)組成及工作原理出、K、平均值、標(biāo)定值設(shè)定密碼等選項(xiàng)，只有當(dāng)操作者的K、平均值、標(biāo)定值設(shè)定密碼等選項(xiàng)，只有當(dāng)操作者的些值是不能隨意修改的。溫度傳感器用于補(bǔ)償環(huán)境溫輸入密碼與系統(tǒng)給定的密碼相同時(shí)，才能進(jìn)行標(biāo)定值的設(shè)定，度對(duì)糧食內(nèi)部水分的影響。鍵盤電路由模式鍵、加鍵、減鍵、確認(rèn)鍵、退出鍵、測(cè)試鍵、平均鍵、清除鍵、停止鍵、修正鍵等組成，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量品種的選擇、參數(shù)的設(shè)定與修改、測(cè)試與數(shù)據(jù)處理等工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由繼電器驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003和+5VDc繼電

器組成，測(cè)試開始時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，由電機(jī)帶動(dòng)取樣器使樣品壓結(jié)實(shí)，保持壓力恒定，以獲取比較一致的電阻取樣值，當(dāng)一個(gè)樣品測(cè)試完成后，使取樣器復(fù)位，準(zhǔn)備下次測(cè)量。單片機(jī)通過(guò)Rs232串行通信接口實(shí)現(xiàn)與Pc機(jī)的通信，把測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)中，以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，同時(shí)也可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。信號(hào)調(diào)理電路采用555芯片構(gòu)成的非重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)電路，為提高響應(yīng)速度，555芯片采用CMOs工藝的7555型號(hào)。具體的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。+5V」MAX4624觸發(fā)輸入2下降沿有效為消除電容由于長(zhǎng)期工作U4A21U4A-TRIGDISVSN74LS04SN74LS04路進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出它的脈沖寬度：—CVohGNDTHR」MAX4624觸發(fā)輸入2下降沿有效為消除電容由于長(zhǎng)期工作U4A21U4A-TRIGDISVSN74LS04SN74LS04路進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出它的脈沖寬度：—CVohGNDTHR所產(chǎn)生的變化誤差，測(cè)量采用電阻比值103Tp1=Rref*C*ln3值法，即在測(cè)量時(shí)首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的精密參考電阻和電容構(gòu)成的電2⑴再通過(guò)導(dǎo)通電阻為1Q的電子開關(guān)MAX4函'切換到測(cè)量輸入電阻的狀態(tài)，測(cè)出它的脈沖寬度:Tp2=Rin*C*ln3式⑴和⑵相除就得到輸入電阻和脈寬的關(guān)系：=Rin=Tp2*Rref/Tp1 (3國(guó)2信號(hào)電一般情況下測(cè)量電阻和參考電阻都是兆歐級(jí)的，因此，，由電子開關(guān)引入的測(cè)量誤差可以忽略。電子開關(guān)和觸發(fā)信號(hào)都由單片機(jī)控制。脈寬的測(cè)量由單片機(jī)的外中斷和定時(shí)中斷來(lái)完成，由于單片機(jī)的外部中斷INTO和INT1均為負(fù)跳沿觸發(fā)中斷，因此在555的輸出端加一級(jí)反相器，INTO中斷采樣輸出信號(hào)的上跳沿，然后再經(jīng)過(guò)一級(jí)反相器，INT1采樣輸出信號(hào)的下跳沿。兩者采樣的時(shí)間差就是脈沖寬度。時(shí)間差的計(jì)算可由單片機(jī)的定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，在INTO的中斷程序里開啟定時(shí)中斷，在INT1的中斷程序里關(guān)閉定時(shí)中斷。電容式谷物水分的測(cè)量(1)電容式傳感器原理及電路電容式傳感器測(cè)量谷物水分是由于干燥谷物的相對(duì)介電常數(shù)遠(yuǎn)小于水，而含水谷物的相對(duì)介電常數(shù)是介于干燥谷物和水之間，谷物水分含量的高低直接影響谷物介電常數(shù)￡以谷物作為電容器的極間介質(zhì)，當(dāng)電容器的極板面積A和極板間的距離d保持不變時(shí)，通過(guò)測(cè)量電容器的電容值變化即可測(cè)定谷物的相對(duì)介電常數(shù)￡值，由此可獲得被測(cè)谷物的含水量。電容式傳感器采用的圓柱形結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓柱體內(nèi)芯為柱狀絕緣實(shí)體，與圓柱外壁間形成電容傳感器的雙電極，圓柱體底部與外壁間留有一定間隙，以保證谷物的流動(dòng)，并充滿圓柱體。圖(2)中，R為電容傳感器外筒的內(nèi)徑，r為電容傳感器內(nèi)筒外徑，L為傳感器放入介質(zhì)的高度。設(shè)電容器兩極板所帶電荷分別為+q和-q，忽略邊緣效應(yīng)(L?Rr)，電荷均勻分布在內(nèi)外兩圓柱面上，圓柱每單位長(zhǎng)度所帶電荷的絕對(duì)值入=q/L。因?yàn)閳A柱電場(chǎng)的軸對(duì)稱性，所以兩圓柱間離圓柱軸線距離S處的電場(chǎng)強(qiáng)度E為：TOC\o"1-5"\h\zE=A/(2n￡Os) (1)因此，兩極板間的電勢(shì)差為： U=U1-U2=rREds=rR入2n￡0Sds=q2n￡OLlnRr (2)由電容的定義可得到傳感器的電容為： C0=q/U=2n￡OLlnRr (3)當(dāng)放入介電常數(shù)為的谷物時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)為￡r時(shí)，有： C=￡rCO=2ner￡OLlnRr (4)由此可見(jiàn)，傳感器電容的變化與谷物的相對(duì)介電常數(shù)成線性關(guān)系，而相對(duì)介電常數(shù)隨谷物所含水分而改變，因此可得到谷物的水分含量。圖1電容式傳感器結(jié)構(gòu)如下所示(2)電容式傳感器檢測(cè)電路電容式傳感器檢測(cè)電路采用脈沖寬度調(diào)制電路如圖2所示。該電路利用傳感器電容的充電和放電的原理，使電路輸出脈沖的占空比隨電容傳感器的電容量變化而發(fā)生變化，通過(guò)低通濾波器可得到對(duì)應(yīng)于被測(cè)量變化的直流信號(hào)。電容式傳感器檢測(cè)電路如圖3所示電容式傳感器檢測(cè)電路由比較器人1和A2、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、電容充電、放電回路及低通濾波器所組成。其中，Cx為電容傳感器。脈沖寬度調(diào)制電路具有線性輸出，無(wú)需解調(diào)器即能獲得直流輸出的特點(diǎn)。U0U0圖2電容式傳感器檢測(cè)電路系統(tǒng)組成及工作原理報(bào)警部分I：位計(jì)算機(jī)ATm佬巴6單片機(jī)報(bào)警部分I：位計(jì)算機(jī)ATm佬巴6單片機(jī)入口電容傳感器干燥設(shè)備圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)由入口谷物水分檢測(cè)傳感器、出口谷物水分檢測(cè)傳感器、大型干燥設(shè)備、調(diào)速控制電路、報(bào)警電路、液晶顯示以及上位計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示。入口和出口谷物水分檢測(cè)傳感器在線檢測(cè)谷物顆粒的水分，并將水分值以電容信號(hào)的形式提取后轉(zhuǎn)

換成電壓信號(hào)形式輸出。經(jīng)過(guò)信號(hào)放大處理后，由ATmega16單片機(jī)內(nèi)部的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，然后經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。輸出的信號(hào)傳輸至調(diào)速控制電路，并與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)比較后輸出控制干燥設(shè)備機(jī)器的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)谷物水分的干燥進(jìn)行自動(dòng)控制。系統(tǒng)可通過(guò)串口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)顯示和輸出打印等功能，同時(shí)液晶顯示部分也可對(duì)入口和出口的谷物水分含量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如果出現(xiàn)出入口處谷物水分含量超標(biāo)、風(fēng)熱溫度超標(biāo)及干燥設(shè)備停機(jī)等情況，報(bào)警器可進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。誤差分析當(dāng)傳感器中充滿流動(dòng)谷物時(shí)，傳感器所測(cè)電容C與谷物含水率M之間的關(guān)系式為：C= C= —H AdI+Af（加一1）其中，C一傳感器所測(cè)電容值；￡0一真空介電常數(shù)；M一谷物含水率；￡1—谷物中干物質(zhì)的介電常數(shù)；￡2—谷物中水分的介電常數(shù)；￡3一谷?？紫吨锌諝獾慕殡姵?shù)；D一極板間距；A一極板面積，A=HXL；Yd一谷物干物質(zhì)的容重；e—谷物孔隙率。由式⑴可知，傳感器所測(cè)電容值與下列因素有關(guān)：谷物含水率M。電容值C的變化與含水率M的關(guān)系為非線性關(guān)系，對(duì)于某一種物質(zhì)，其C-M曲線很難用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)描述。因此，電容法水分檢測(cè)的非線性補(bǔ)償十分重要。傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)H、L、D。對(duì)于確定的傳感器，各參數(shù)均為常量，對(duì)于測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。三相物質(zhì)的介電常數(shù)￡1、￡2、￡3。不同的谷物品種有不同的介電常數(shù)￡1，需對(duì)不同的谷物分別進(jìn)行研究。另外，溫度及電容器所加交流電場(chǎng)的頻率也是影響這些介電常數(shù)的主要因素，對(duì)于確定的傳感器，電容器所加交流電場(chǎng)的頻率是恒定的，可不考慮該因素的影響，而溫度變化引起的介電常數(shù)的變化必須要加以消除。谷物孔隙率e的變化，即谷物堆積密度的變化，是影響電容傳感器測(cè)量精度的主要因素，必須設(shè)法克服。五.設(shè)計(jì)總結(jié)在本次設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)電阻式和電容式谷物水分測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)我對(duì)于谷物水分含量的測(cè)量有了初步的了解，知道了其測(cè)量原理，如何測(cè)量，以及使用不同工具測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中我僅對(duì)測(cè)量工具-傳感器的選擇和如何組成系統(tǒng)電路做了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電路中的其它部件如：溫度傳感器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鍵盤輸入，干燥設(shè)備，調(diào)速控制，液晶顯示等等，沒(méi)有細(xì)致研究，只是拿來(lái)用。這次的設(shè)計(jì)我是通過(guò)閱讀相關(guān)書籍，網(wǎng)上搜集資料，請(qǐng)教同學(xué)等途徑才做出來(lái)的，所以對(duì)于相關(guān)知識(shí)我理解的還不夠透徹，還需要努力學(xué)習(xí)，深入研