胥保文 - 蔡健榮, -, 孫 力 張文松 - 安玉亭 - 何振魯 -

(1. 江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 山東同泰集團(tuán)股份有限公司，山東 日照 276801) (1. Jiang Su University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 2. Shandong Tongtai Group Corporation, Rizhao, Shandong 276801, China)

糧食水分檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

胥保文1XUBao-wen1蔡健榮1,2CAIJian-rong1,2孫 力1SUNLi1張文松2ZHANGWen-song2安玉亭2ANYu-ting2何振魯2HEZhen-lu2

(1. 江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 山東同泰集團(tuán)股份有限公司，山東 日照 276801) (1.JiangSuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China; 2.ShandongTongtaiGroupCorporation,Rizhao,Shandong276801,China)

開(kāi)發(fā)了一套對(duì)射式微波水分檢測(cè)裝置。以STC89C52芯片為主處理器，控制各部件執(zhí)行順序。為保證物料裝載的一致性，采用光電開(kāi)關(guān)控制裝載量；為消除溫度影響，實(shí)時(shí)采集樣本料溫，建立溫度補(bǔ)償模型；為避免微波產(chǎn)生熱效應(yīng)，采用時(shí)序控制采集溫度及微波信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)糧食水分的準(zhǔn)確測(cè)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，物料實(shí)際水分與微波檢測(cè)水分之間的相關(guān)系數(shù)>0.96，滿足實(shí)際檢測(cè)要求。

糧食水分；微波；檢測(cè)裝置

糧食在儲(chǔ)藏過(guò)程中應(yīng)及時(shí)掌握水分變化情況，水分過(guò)高易引起霉變、生蟲(chóng)等，造成糧食變質(zhì)；水分過(guò)低會(huì)破壞其有機(jī)物質(zhì)[1]。因此，糧食儲(chǔ)藏過(guò)程中水分測(cè)量是一項(xiàng)持續(xù)不斷的工作。近年來(lái)，關(guān)于糧食水分快速檢測(cè)的方法日趨增多，主要有電阻/電容法[2-3]、微波法[4-5]、近紅外光譜法、中子法和高頻電磁波法[1,6]等，目前用于現(xiàn)場(chǎng)或在線檢測(cè)主要有電阻/電容法、微波法。電阻/電容法產(chǎn)品較多，優(yōu)勢(shì)是成本低，但精度差，只能作為檢測(cè)參考；微波法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快，靈敏度高，但成本高、有熱效應(yīng)[7-8]。本研究根據(jù)前期微波水分檢測(cè)研究所得優(yōu)化參數(shù)[9]，自主設(shè)計(jì)了一套糧食水分檢測(cè)裝置，通過(guò)控制數(shù)據(jù)采集時(shí)序，消除微波熱效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)糧食水分的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

糧食水分檢測(cè)裝置由控制模塊、傳感器模塊、上料模塊、下料模塊、顯示模塊、延時(shí)模塊、電源模塊等組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1. 進(jìn)料管 2. 上料電機(jī) 3. 微波發(fā)射器 4. 微波接收器 5. 紅外光電開(kāi)關(guān) 6. 溫度傳感器 7. 下料裝置 8. 控制箱 9. 檢測(cè)倉(cāng)

圖1 糧食水分檢測(cè)裝置示意圖

Figure 1 Schematic of system for grain moisture detection

控制模塊選用STC89C52為主處理器，采用5個(gè)SRD-05VDC-SL-C型繼電器(寧波松樂(lè)繼電器有限公司)控制各執(zhí)行部件的啟停，見(jiàn)圖2。其中P1.0與P1.1控制下料電機(jī)，P1.2控制微波傳感器供電電路，P1.3控制上料電機(jī)，P1.4控制溫度傳感器供電電路。上料模塊包括上料電機(jī)、進(jìn)料管、檢測(cè)倉(cāng)、溫度傳感器及光電開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)選用紅外對(duì)射式OA-D3205NB常閉型(德國(guó)巨龍集團(tuán)﹝上海﹞分公司)，與主處理器P3.4口相連。傳感器模塊由AD轉(zhuǎn)換、溫度傳感器及微波水分傳感器組成，其中AD轉(zhuǎn)換選用ADS1115型芯片(TI公司)，具備16位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度；為抑制地勢(shì)不穩(wěn)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，軟件設(shè)置差分模式接收溫度及微波電壓值，見(jiàn)圖3。其中AIN0及AIN1接受溫度電壓值，AIN2及AIN3接收微波電壓值，SCL及SDA分別與主處理器P0.0及P0.1端口相連；溫度傳感器為PT100型，變送器選用SBWZ型(上海自動(dòng)化儀表廠)；微波水分傳感器為自制X波段傳感器。下料模塊由推桿電機(jī)、閥門(mén)組成，通過(guò)繼電器改變電機(jī)正負(fù)極控制推桿伸縮，帶動(dòng)閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉。顯示模塊選用LCD12864型，顯示當(dāng)前溫度及檢測(cè)的物料水分含量。延時(shí)模塊采用H3Y-2-C型(歐姆龍﹝中國(guó)﹞有限公司)延時(shí)繼電器，以避免通電瞬間的相互干擾。電源模塊選用D-60C型(蘇州明緯科技有限公司)雙組輸出電源(輸出+24 V，+12 V)，另外采用20015型(深圳市德厚信電子有限公司)降壓模塊將+12 V轉(zhuǎn)+5 V，為信號(hào)采集模塊等供電。

2 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件工作流程

檢測(cè)裝置的工作流程見(jiàn)圖4，其中上料模塊采用真空吸取方式，將受檢物料從糧倉(cāng)中吸入檢測(cè)倉(cāng)；當(dāng)上料量達(dá)到滿載時(shí)，觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，上料電機(jī)停止工作；此時(shí)傳感器模塊開(kāi)始工作，先后采集溫度傳感器、微波傳感器信號(hào)；將得到的溫度、微波電壓信號(hào)傳送至A/D轉(zhuǎn)換芯片；A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送至主處理器；主處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析及處理，結(jié)果發(fā)送至LCD顯示模塊及USB通訊端口，同時(shí)控制下料模塊的推桿電機(jī)打開(kāi)閥門(mén)，受檢物料返回糧倉(cāng)，關(guān)閉閥門(mén)等待下一輪檢測(cè)指令。

圖2 STC89C52引腳連接定義Figure 2 Pin Definitions of STC89C52

圖3 ADS1115功能圖Figure 3 Function diagram of ADS1115

圖4 糧食水分檢測(cè)流程圖Figure 4 The block diagram of system for grain moisture detection

2.2 信號(hào)采集時(shí)序控制及去噪

為避免傳感器之間的相互干擾和電源通斷對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，對(duì)測(cè)溫信號(hào)、微波水分信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集、中值濾波處理，具體流程見(jiàn)圖5。由于微波水分檢測(cè)時(shí)，微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波信號(hào)對(duì)測(cè)溫信號(hào)造成干擾，因此先采集溫度信號(hào)，后采集微波信號(hào)。PT100型溫度傳感器的保護(hù)套管直徑為3 mm，其熱響應(yīng)時(shí)間<3 s，微波傳感器采用對(duì)射式信號(hào)采集，因此無(wú)響應(yīng)延時(shí)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定測(cè)溫延時(shí)為5 s，微波水分檢測(cè)延時(shí)為3 s。對(duì)同一樣本連續(xù)采集21次信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，得到信號(hào)的極差為0.002 V，誤差大多集中在信號(hào)采集的開(kāi)始階段和結(jié)束階段。因此，將每個(gè)樣本連續(xù)采集的21次信號(hào)進(jìn)行大小排序，取第11號(hào)檢測(cè)值(中值)作為樣本的信號(hào)值，以消除外界干擾及電源通斷引起的信號(hào)波動(dòng)。

圖5 信號(hào)采集流程圖Figure 5 Flow chart of signal acquisition

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于微波的水分檢測(cè)方法，其檢測(cè)精度主要受糧食品種、密度、裝載高度、測(cè)量厚度和物料溫度的影響。根據(jù)前期研究結(jié)果，裝置設(shè)計(jì)時(shí)按照優(yōu)化后的參數(shù)布置，由紅外光電開(kāi)關(guān)控制物料的加載量；由于物料厚度為50 mm時(shí)水分檢測(cè)精度最高，因此探測(cè)器之間距離以該值為設(shè)計(jì)依據(jù)；同一品種的糧食可假設(shè)其密度、容重基本一致，通過(guò)建立該糧食的模型數(shù)據(jù)庫(kù)消除系統(tǒng)誤差；物料溫度因受存儲(chǔ)環(huán)境的影響而無(wú)法控制，需做溫度補(bǔ)償處理。

試驗(yàn)以市售杰翠康大米為原料，通過(guò)恒溫培養(yǎng)箱模擬環(huán)境溫度的變化，將大米塑封放置在相應(yīng)的溫度下24 h，以保證米溫與環(huán)境溫度一致；通過(guò)加濕和干燥處理將大米含水率形成梯度分布放置48 h，保證水分能滲入大米內(nèi)部，共制備試驗(yàn)樣本40份，并用HB43-S型水分檢測(cè)儀(梅特勒-托利多國(guó)際有限公司)測(cè)量樣本實(shí)際水分。圖6為不同大米溫度下測(cè)得相同含水率大米的微波電壓信號(hào)的變化，可見(jiàn)電壓值隨溫度的升高而降低，即微波的透過(guò)率隨溫度增加而降低。

圖6 大米溫度與微波電壓值關(guān)系Figure 6 The relationship between temperature of rice and microwave voltage signal

結(jié)合溫度變化和物料含水率的變化，建立大米檢測(cè)校正模型，其方程見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：

y——含水率，%；

x1——微波電壓值，V；

x2——大米溫度，℃。

將建立的校正模型進(jìn)行回判，相關(guān)系數(shù)為0.967，均方根誤差為0.297，對(duì)未建模樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，相關(guān)系數(shù)為0.982，均方根誤差為0.194，表明所建模型具有較好的代表性。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大米溫度為5 ℃時(shí)微波水分檢測(cè)值與實(shí)際值最接近，隨著大米儲(chǔ)存溫度的升高，檢測(cè)值與實(shí)際值離散度增大；同一批樣本重復(fù)裝載后的微波測(cè)量值也存在誤差，說(shuō)明每次裝載時(shí)其密度也會(huì)有所變化，需通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)消除誤差。

4 結(jié)論

自主研發(fā)一套糧食水分自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。以STC89C52單片機(jī)為核心，控制各執(zhí)行部件；采用光電開(kāi)關(guān)控制裝載量，實(shí)時(shí)采集測(cè)試樣本溫度建立溫度補(bǔ)償模型，采用時(shí)序控制采集溫度及微波信號(hào)避免微波產(chǎn)生的熱效應(yīng)。檢測(cè)試驗(yàn)表明，物料實(shí)際水分與微波檢測(cè)水分之間的相關(guān)系數(shù)>0.96，滿足實(shí)際檢測(cè)要求，為糧食水分的快速無(wú)損測(cè)量提供了一個(gè)可行性方案。

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Designofgrainmoisturedetectiondevice

A set of grain moisture detection device based on incident microwave was designed, and the STC89C52 chip was used as the main processor to control the execution order of each component. Moreover, the photoelectric switch was used to keep the amount of the loading material in line. In order to eliminate the influence of temperature, it was detected in real time, and the temperature compensation model is established. To avoid the thermal effect of microwave, the sequential control system was applied to collect temperature and microwave signals, ensuring the accurate measurement of grain moisture. The results showed that the correlation coefficient between actual moisture content and microwave moisture content was greater than 0.96, and it could meet the requirements of actual test.

grain moisture; microwave; detection device

山東泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才(傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新類(lèi))項(xiàng)目(編號(hào)：tscy20160223)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(編號(hào)：15KJA550001)

胥保文，男，江蘇大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，碩士。

蔡健榮(1966—)，男，江蘇大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士。E-mail：jrcai@ujs.edu.cn

2017—04—28

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.017