鄭長(zhǎng)征

摘 要:糧食水分含量是糧食儲(chǔ)藏和加工中一個(gè)重要的環(huán)節(jié),如何快速準(zhǔn)確地測(cè)定是企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的需要,目前有多種測(cè)量方法,但各有優(yōu)缺點(diǎn)。在分析糧食的介電特性的基礎(chǔ)上,提出了基于脈寬測(cè)量的電阻比值法的測(cè)量方法,詳細(xì)介紹了它的測(cè)試原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。該測(cè)定儀具有測(cè)量精度高、低功耗、便于攜帶、操作方便、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:水分測(cè)定;電阻比值法;單片機(jī);E2PROM

中圖分類號(hào):TM93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-143-03

Design of Grain Moisture Test Apparatus Based on Resistance Test

ZHENG Changzheng

(Wuhan Polythnic University,Wuhan,430023,China)

Abstract:Grain moisture is a key problem of grain storage and process.How to measure it fast and truely is the demand of reduing cost and raising produce efficiency for enterprises.By so far there are different methods which have their disadvan-tages.This paper introduces resistance ratio method based on measuring impulse width according to the grain′s media electric characteristics.It describes measure principle,hardware design and software flow chart in detail .This apparatus has some advantages such as high measure accuracy,low power consumption,good interface for man and machineand so on.

Keywords:moisture test;resistance ratio method;single chip computer;E2PROM

0 引 言

傳統(tǒng)的直接水分測(cè)量法周期長(zhǎng),難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)速度和連續(xù)化的要求,而非電量的電測(cè)方法是比直接法更高效的水分測(cè)量方法,當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛。糧食水分檢測(cè)方法原理上可以有:電阻法、電容法、中子法、微波法、紅外法、核磁共振法等?？紤]物料對(duì)象特性,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。電阻方法因其快速、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)一直是最常用的水分測(cè)量方法,但由于電阻方法存在信號(hào)強(qiáng)度小、取樣要求高、抗干擾性較差等缺陷,近年來(lái)出現(xiàn)了許多新的基于電阻測(cè)量原理的創(chuàng)新方法,如兩量程直流電阻法[1],脈沖電阻法[2],復(fù)阻抗分離法[3],交流阻抗法[4]等。本設(shè)計(jì)在上述研究的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新地提出基于脈寬測(cè)量的電阻比值法和測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法,能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)水分進(jìn)行測(cè)定。

1 測(cè)試原理

糧食水分測(cè)定儀是具有區(qū)域特色的產(chǎn)品,它對(duì)不同地區(qū)的糧食作物具有不同的測(cè)量基準(zhǔn)值,因此在測(cè)試之前,需要根據(jù)不同的糧食種類,在不同的狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定工作,建立起標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)關(guān)系,這些數(shù)據(jù)可以由生產(chǎn)廠家寫(xiě)入測(cè)定儀的E2PROM數(shù)據(jù)區(qū)中,也可以由用戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。該系統(tǒng)利用ATmega128自身的4 KB的E2PROM用來(lái)存儲(chǔ)不同種類的糧食的水分的標(biāo)定值、溫度補(bǔ)償系數(shù)和系統(tǒng)的密碼等參數(shù)。在使用之前需要進(jìn)行水分的標(biāo)定工作,把同一樣本分別在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定儀和本測(cè)定儀同時(shí)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量,確定水分和電阻的關(guān)系,然后再通過(guò)鍵盤(pán)把對(duì)應(yīng)關(guān)系寫(xiě)入E2PROM中的相應(yīng)單元中保存起來(lái),形成標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量曲線或數(shù)據(jù)表格。同時(shí)考慮到溫度的影響,必須加上溫度補(bǔ)償系數(shù)以進(jìn)行修正。在實(shí)際測(cè)量時(shí),把當(dāng)前的測(cè)量值與這些標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,就可以實(shí)現(xiàn)水分的測(cè)量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

MCU采用Atmel公司的高速嵌入式單片機(jī)ATmega128,它采用先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu),具有128 KB的在線可重復(fù)編程的FLASH、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM,同時(shí)具有8/16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、PWM輸出模塊、UART、SPI等多種串行通信接口、可編程的看門(mén)狗定時(shí)器等功能模塊、豐富的外部和內(nèi)部中斷源、多種工作模式。這些特性使ATmega128 成為功能更強(qiáng)大的微控制器,更好地支持應(yīng)用于脈寬調(diào)制、高速I(mǎi)/O、遞增/遞減計(jì)數(shù)能力等工業(yè)控制等場(chǎng)合。在程序中主要完成水分的采樣和高速處理、LCD顯示、鍵盤(pán)輸入、驅(qū)動(dòng)輸出、與PC機(jī)進(jìn)行通信等工作。

該測(cè)定儀的測(cè)量的范圍在5~30%之間,精度在±0.2%,水分用2個(gè)字節(jié)表示,因此共需要1 KB保存在某一溫度條件下的水分值,再加上溫度補(bǔ)償系數(shù)和密碼的設(shè)定。4 KB空間已經(jīng)足夠了。它的可編程的看門(mén)狗定時(shí)器模塊能保證系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作。

LCD采用T6963C控制器的128×64點(diǎn)陣模塊,它可同時(shí)顯示測(cè)量品種水稻、玉米、大豆、小麥,然后通過(guò)鍵盤(pán)確定具體的測(cè)試對(duì)象,在每個(gè)測(cè)試子菜單下顯示測(cè)量值、測(cè)量次數(shù)、平均值、標(biāo)定值設(shè)定密碼等選項(xiàng),只有當(dāng)操作者的輸入密碼與系統(tǒng)給定的密碼相同時(shí),才能進(jìn)行標(biāo)定值的設(shè)定,一般情況下,這些值是不能隨意修改的。

溫度傳感器采用DALLAS公司的單總線器件DS18B20,用于補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)糧食內(nèi)部水分的影響,環(huán)境溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸,省去了溫度傳感器的放大處理等環(huán)節(jié),大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性,適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。同時(shí)它只占用單片機(jī)的一個(gè)端口,節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源,因此具有較高的性價(jià)比。

鍵盤(pán)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+5 V DC繼電器組成,測(cè)試開(kāi)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)RS 232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。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路圖

為消除電容由于長(zhǎng)期工作所產(chǎn)生的變化誤差,測(cè)量采用電阻比值法,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)成的電路進(jìn)行測(cè)量,測(cè)出它的脈沖寬度:

Tp1=Rref*C*ln 3

(1)

再通過(guò)導(dǎo)通電阻為1 Ω的電子開(kāi)關(guān)MAX4624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*ln 3

(2)

式(1)和(2)相除就得到輸入電阻和脈寬的關(guān)系:

Rin= Tp2* Rref/Tp1

(3)

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(kāi)關(guān)引入的測(cè)量誤差可以忽略。

電子開(kāi)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INT0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,INT0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INT0的中斷程序里開(kāi)啟定時(shí)中斷,在INT1的中斷程序里關(guān)閉定時(shí)中斷。信號(hào)的采樣波形如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括主程序、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理部分。主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制工作,通過(guò)調(diào)用不同的模塊完成相應(yīng)的工作。本測(cè)定儀以每個(gè)品種10次隨機(jī)采樣的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,有效地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。主程序的流程圖如圖4所示。

圖3 信號(hào)的采樣波形

圖4 主程序的流程圖

人機(jī)界面包括LCD顯示程序、鍵盤(pán)掃描程序等,LCD顯示分為三個(gè)頁(yè)面,第一個(gè)頁(yè)面是測(cè)量品種選擇頁(yè),可以通過(guò)加鍵、減鍵選擇相應(yīng)的品種,然后按確認(rèn)鍵,進(jìn)入到第二個(gè)頁(yè)面進(jìn)行測(cè)量,該頁(yè)面中有當(dāng)前測(cè)量值、測(cè)量次數(shù)、平均測(cè)量值、該品種標(biāo)定值設(shè)定頁(yè)的入口密碼等參數(shù)。按相關(guān)的功能鍵,就可以完成測(cè)量、保存和退出等功能。當(dāng)確實(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)重新標(biāo)定時(shí),就可以輸入標(biāo)定密碼,當(dāng)輸入的密碼與系統(tǒng)內(nèi)部的密碼相同時(shí),就可以進(jìn)入到第三個(gè)頁(yè)面,重新進(jìn)行標(biāo)定,在該頁(yè)面中也可以重新設(shè)定系統(tǒng)密碼。為了系統(tǒng)的安全性,也可以設(shè)定密碼的輸入次數(shù),當(dāng)輸入的錯(cuò)誤密碼超過(guò)一定的次數(shù)時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行鎖定,以防止惡意修改數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理完成水分采樣中斷處理、溫度采樣、測(cè)量數(shù)據(jù)線性化和溫度漂移的補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)處理等工作。水分測(cè)量程序采用兩個(gè)外部中斷0和1、一個(gè)定時(shí)器2來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬的測(cè)量,具體的程序代碼如下:

union {ulong Dword;struct{uint word;uchar hi;uchar lo;}stru;}Timetemp;

union {ulong Dword;struct{uint word;uchar hi;uchar lo;}stru;}Stime;

union {uint word;struct{uchar hi;uchar lo;}stru;}Stimeold;

ulong width;

uchar timeoversS; /*定義變量*/

void inttime2(void) interrupt 5

{

TR2=0;TF2=0;

timeoversS++;

if(timeoversS>20){timeoversS=25;}

TR2=1;

}

void int0(void) interrupt 0

{

ET2=1;

TR2=0;

Timetemp.stru.hi=TH2;

Timetemp.stru.lo=TL2;

Timetemp.stru.word=timeoversS;

Stime.Dword=Timetemp.Dword-Stimeold.word;

Stimeold.stru.hi=Timetemp.stru.hi;

Stimeold.stru.lo=Timetemp.stru.lo;

timeoversS=0;

TR2=1;

}

void int1(void) interrupt 2

{

ET2=0;

TR2=0;

width=Stime.Dword;/*關(guān)閉定時(shí)器,輸出脈沖寬度*/

}

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)際樣機(jī)經(jīng)過(guò)非線性補(bǔ)償和誤差修正,測(cè)量誤差小于等于±0.5%,測(cè)量的水分范圍為5%~30%(取決于谷物的標(biāo)準(zhǔn)),重復(fù)誤差小于等于0.1%,使用的溫度范圍為0~40 ℃。達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)?？蛇m用于不同種類的糧食水分測(cè)量,具有比較廣闊的市場(chǎng)前景。

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