姚啟龍，周 攀，江永成

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

谷物水分直接關(guān)系到谷物品質(zhì)與價(jià)值。檢測(cè)谷物水分的方法分為直接法與間接法兩種[1]。直接法多為烘干法與手動(dòng)取樣再用儀器測(cè)量的方法，這種方法必須人工操作，且操作過(guò)程復(fù)雜，無(wú)連續(xù)性，不能實(shí)時(shí)在線測(cè)量；間接法分為電阻式傳感器電路檢測(cè)方法和電容式傳感器電路檢測(cè)方法，電阻式需將谷物碾碎再進(jìn)行測(cè)量，配有大型電機(jī)，較為笨重，且測(cè)量精度相對(duì)電容法較低，因此電容式更適用于實(shí)際工程運(yùn)用。

本文以STM32F103RBT6單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了谷物水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用電容式傳感器作為采集終端，終端采集的信號(hào)經(jīng)RS—485總線傳輸?shù)街锌匕暹M(jìn)行實(shí)時(shí)處理后,再將數(shù)據(jù)發(fā)送給到上位機(jī)實(shí)時(shí)在線顯示[2]，針對(duì)不同采集終端可通過(guò)上位機(jī)校正，采集的水分?jǐn)?shù)據(jù)可保存長(zhǎng)達(dá)一周，并可直接導(dǎo)出Excel文件，方便人員觀察水分值變化趨勢(shì)，擁有良好的人機(jī)交互性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

STM32 系列微控制器為具有高性能、高度兼容、易開(kāi)發(fā)、低功耗、低工作電壓以及實(shí)時(shí)、數(shù)字信號(hào)處理的 32 位閃存 微 控 制 器 產(chǎn) 品[3]，谷物水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架如圖1所示。系統(tǒng)以STM32F103RBT6單片機(jī)為核心，谷物水分改變引起電容值改變，電容值由555多諧振蕩器構(gòu)成的電容轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為頻率值，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理后輸出至STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)與上位機(jī)通過(guò)RS—485接口電路實(shí)現(xiàn)連接。

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊電路如圖2所示。電源模塊前部分采用以LM2596S芯片為核心組成的開(kāi)關(guān)電源，將外部輸入的24 V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V電壓。由于開(kāi)關(guān)電源頻率與所采集的方波頻率相近，為避免干擾，采用繼電器將前部開(kāi)關(guān)電源與后部隔開(kāi)。采集頻率時(shí)將繼電器斷開(kāi)使用后部超級(jí)電容供5 V電壓，經(jīng)SPX3819芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V后給系統(tǒng)供電，其他時(shí)刻繼電器接通，前部開(kāi)關(guān)電源給超級(jí)電容充電。該電源模塊具有開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕、功耗小、效率高的優(yōu)點(diǎn)[4]，又避免了開(kāi)關(guān)電源對(duì)采集信號(hào)的影響。

圖2 電源模塊

2.2 電容式傳感器

設(shè)計(jì)所使用的水分傳感器由電容器與電容頻率轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。電容器由三個(gè)直徑相同的同軸圓筒組成。正極位于兩只負(fù)極之間，如圖3所示。電場(chǎng)線由正極表面射出后射入負(fù)極表面，與平行極板式和叉指式電容器相比，電場(chǎng)線可以傳播得更廣，有效地增加了測(cè)量空間，提高了測(cè)量靈敏度[5]。

圖3 電容傳感器及電場(chǎng)線分布

電容值轉(zhuǎn)換電路由以MIC1557芯片為核心組成的多諧振蕩器構(gòu)成。電容值轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，輸出方波波形穩(wěn)定，便于單片機(jī)監(jiān)測(cè)，可靠性高。電容頻率轉(zhuǎn)換電路輸出方信號(hào)波輸出頻率在20～120 kHz之間。

2.3 信號(hào)處理電路

經(jīng)過(guò)測(cè)試，電容頻率轉(zhuǎn)換電路輸出方波頻率在20～120 kHz之間，為低頻信號(hào)，需濾除高頻信號(hào)干擾。信號(hào)處理電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的低通濾波器以及反向邏輯門(mén)構(gòu)成。電容式傳感器輸出的方波先經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻干擾波，再經(jīng)過(guò)反向邏輯門(mén)進(jìn)一步濾除雜波后，最后將處理后的信號(hào)送入STM32單片機(jī)處理，使測(cè)量精度更高。

2.4 RS—485接口電路

設(shè)計(jì)使用RS—485接口電路連接單片機(jī)與上位機(jī)，選用SP485EN芯片為核心構(gòu)成RS—485電路。RS—485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗干擾能力增強(qiáng)[6]，最高傳輸速率可達(dá)10 MBPS，支持多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，且實(shí)施簡(jiǎn)單方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境,編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言[7]。主要包括頻率采集電路程序、以及上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。

3.1 頻率采集電路程序

頻率采集電路程序流程圖如圖4所示。在頻率采集電路程序中，上電將超級(jí)電容充電完畢后，將繼電器斷開(kāi)；芯片由超級(jí)電容供電開(kāi)始采集頻率，頻率采集完成后將繼電器接通，給超級(jí)電容充電。單片機(jī)采集的頻率值通過(guò)程序中建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)為水分值后傳輸至上位機(jī)輸出，完成一次循環(huán)。

圖4 頻率采集電路程序

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面

界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前采集的頻率值、谷物溫度、水分值，并將采集的頻率值、溫度制成曲線圖，方便觀察變化趨勢(shì)，可以保存長(zhǎng)達(dá)7天的歷史數(shù)據(jù)，且可直接通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行校正，擁有良好的人機(jī)交互性。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)建立合適的數(shù)學(xué)模型后，為進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)可靠性，采用實(shí)地測(cè)試的方法。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為江西某谷物烘干廠，在烘干機(jī)烘干小麥期間，將傳感器插入烘干機(jī)儲(chǔ)糧倉(cāng)進(jìn)行采集。為檢測(cè)系統(tǒng)可移植性，使用兩根傳感器同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

實(shí)地測(cè)試時(shí)，首先采集儲(chǔ)糧倉(cāng)空載時(shí)頻率用于校正，校正后上位機(jī)每隔1 min實(shí)時(shí)顯示一次水分值，并將歷史數(shù)據(jù)繪成曲線圖實(shí)時(shí)顯示。為確認(rèn)系統(tǒng)準(zhǔn)確性，每隔1 h手動(dòng)使用標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量一次實(shí)際水分并記錄，與系統(tǒng)顯示水分對(duì)比。兩根傳感器測(cè)量水分與手動(dòng)測(cè)量水分值對(duì)比圖如圖6。

圖6 傳感器測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量水分含量對(duì)比

通過(guò)圖6可以看出，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示水分值與手動(dòng)測(cè)量水分趨勢(shì)相同，誤差較小。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差在0.5 %以內(nèi)，可移植性較強(qiáng)，符合設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)要求。

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)測(cè)證明，本文設(shè)計(jì)的谷物水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)谷物水分變化，工作穩(wěn)定，可將谷物水分變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)繪制為曲線，便于觀測(cè)，監(jiān)測(cè)精度在0.5 %以內(nèi)，完全滿足水分監(jiān)測(cè)需要。該系統(tǒng)投入使用將大大減輕生產(chǎn)工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率,便于谷物儲(chǔ)藏、烘干過(guò)程中谷物水分監(jiān)測(cè)和管理。