電阻式糧食水分測定儀的設計

0 引 言

　　傳統的直接水分測量法周期長，難以滿足現代生產對速度和連續化的要求，而非電量的電測方法是比直接法更高效的水分測量方法，當前應用十分廣泛。糧食水分檢測方法原理上可以有：電阻法、電容法、中子法、微波法、紅外法、核磁共振法等。考慮物料對象特性，紅外法主要用于表面水分測量，多見于紙張水分檢測中；中子法和核磁共振法基于水分中氫原子效應，系統復雜，造價高，不能體現檢測對象的專用性。微波法是利用水對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行水分測量，其測量值與物料成分有關，測量電路及信號處理較復雜，價格偏高。電阻方法因其快速、準確、成本低的特點一直是最常用的水分測量方法，但由于電阻方法存在信號強度小、取樣要求高、抗干擾性較差等缺陷，近年來出現了許多新的基于電阻測量原理的創新方法，如兩量程直流電阻法，脈沖電阻法，復阻抗分離法，交流阻抗法等。本設計在上述研究的基礎上，創新地提出基于脈寬測量的電阻比值法和測量信號的數據處理方法，能夠快速準確地對水分進行測定。

　　1 測試原理

　　糧食水分測定儀是具有區域特色的產品，它對不同地區的糧食作物具有不同的測量基準值，因此在測試之前，需要根據不同的糧食種類，在不同的狀態下進行標定工作，建立起標準的測量數據關系，這些數據可以由生產廠家寫入測定儀的E2PROM數據區中，也可以由用戶根據標準現場標定。該系統利用ATmega128自身的4 KB的E2PROM用來存儲不同種類的糧食的水分的標定值、溫度補償系數和系統的密碼等參數。在使用之前需要進行水分的標定工作，把同一樣本分別在標準測定儀和本測定儀同時進行比對測量，確定水分和電阻的關系，然后再通過鍵盤把對應關系寫入E2PROM中的相應單元中保存起來，形成標準的測量曲線或數據表格。同時考慮到溫度的影響，必須加上溫度補償系數以進行修正。在實際測量時，把當前的測量值與這些標準值進行比較，就可以實現水分的測量。

　　2 系統硬件設計

　　系統的硬件結構圖如圖1所示。

　　MCU采用Atreel公司的高速嵌入式單片機AT-mega128，它采用先進的RISC精簡指令集結構，具有128 KB的在線可重復編程的FLASH、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM，同時具有8／16位定時器／計數器、PWM輸出模塊、UART、SPI等多種串行通信接口、可編程的看門狗定時器等功能模塊、豐富的外部和內部中斷源、多種工作模式。這些特性使ATmega128成為功能更強大的微控制器，更好地支持應用于脈寬調制、高速I／O、遞增／遞減計數能力等工業控制等場合。在程序中主要完成水分的采樣和高速處理、LCD顯示、鍵盤輸人、驅動輸出、與PC機進行通信等工作。該測定儀的測量的范圍在5～30％之間，精度在±0．2％，水分用2個字節表示，因此共需要1 KB保存在某一溫度條件下的水分值，再加上溫度補償系數和密碼的設定。4 KB空間已經足夠了。它的可編程的看門狗定時器模塊能保證系統能夠可靠穩定的工作。

　　LCD采用T6963C控制器的128×64點陣模塊，它可同時顯示測量品種水稻、玉米、大豆、小麥，然后通過鍵盤確定具體的測試對象，在每個測試子菜單下顯示測量值、測量次數、平均值、標定值設定密碼等選項，只有當操作者的輸入密碼與系統給定的密碼相同時，才能進行標定值的設定，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DS18820，用于補償環境溫度對糧食內部水分的影響，環境溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，省去了溫度傳感器的放大處理等環節，大大提高了系統的抗干擾性，適合于惡劣環境的現場溫度測量。同時它只占用單片機的一個端口，節約了系統的硬件資源，因此具有較高的性價比。

　　鍵盤電路由模式鍵、加鍵、減鍵、確認鍵、退出鍵、測試鍵、平均鍵、清除鍵、停止鍵、修正鍵等組成，用于實現測量品種的選擇、參數的設定與修改、測試與數據處理等工作。

　　電機驅動電路由繼電器驅動芯片ULN2003和+5 V DC繼電器組成，測試開始時，單片機發出控制信號，由電機帶動取樣器使樣品壓結實，保持壓力恒定，以獲取比較一致的電阻取樣值，當一個樣品測試完成后，使取樣器復位，準備下次測量。

　　單片機通過RS 232串行通信接口實現與PC機的通信，把測量數據上傳至計算機中，以進行進一步的數據處理，同時也可進行遠程操作，實現在線測量。信號調理電路采用555芯片構成的非重復觸發的單穩觸發電路，為提高響應速度，555芯片采用CMOS工藝的7555型號。具體的信號調理電路如圖2所示。

　為消除電容由于長期工作所產生的變化誤差，測量采用電阻比值法，即在測量時首先對標準的精密參考電阻和電容構成的電路進行測量，測出它的脈沖寬度：

Tp1=Rref*C*ln3 (1)

　　再通過導通電阻為1 Ω的電子開關MAX4624切換到測量輸入電阻的狀態，測出它的脈沖寬度：

Tp2=Rin*C*ln 3 (2)

　　式(1)和(2)相除就得到輸入電阻和脈寬的關系：

Rin=Tp2*R ref／Tp1 (3)

　　一般情況下測量電阻和參考電阻都是兆歐級的，因此，由電子開關引入的測量誤差可以忽略。

　　電子開關和觸發信號都由單片機控制。脈寬的測量由單片機的外中斷和定時中斷來完成，由于單片機的外部中斷INT0和INT1均為負跳沿觸發中斷，因此在555的輸出端加一級反相器，INT0中斷采樣輸出信號的上跳沿，然后再經過一級反相器，INT1采樣輸出信號的下跳沿。兩者采樣的時間差就是脈沖寬度。時間差的計算可由單片機的定時中斷來實現，在INT0的中斷程序里開啟定時中斷，在INT1的中斷程序里關閉定時中斷。信號的采樣波形如圖3所示。

　　3 系統軟件設計

　　軟件部分包括主程序、人機界面和數據的測量與處理部分。主程序負責整個系統的協調與控制工作，通過調用不同的模塊完成相應的工作。本測定儀以每個品種10次隨機采樣的算術平均值作為測量結果，有效地提高了測量的準確性和重復性。主程序的流程圖如圖4所示。

　　人機界面包括LCD顯示程序、鍵盤掃描程序等，LCD顯示分為三個頁面，第一個頁面是測量品種選擇頁，可以通過加鍵、減鍵選擇相應的品種，然后按確認鍵，進入到第二個頁面進行測量，該頁面中有當前測量值、測量次數、平均測量值、該品種標定值設定頁的入口密碼等參數。按相關的功能鍵，就可以完成測量、保存和退出等功能。當確實需要現場重新標定時，就可以輸入標定密碼，當輸入的密碼與系統內部的密碼相同時，就可以進入到第三個頁面，重新進行標定，在該頁面中也可以重新設定系統密碼。為了系統的安全性，也可以設定密碼的輸人次數，當輸入的錯誤密碼超過一定的次數時，對系統進行鎖定，以防止惡意修改數據。數據的測量與處理完成水分采樣中斷處理、溫度采樣、測量數據線性化和溫度漂移的補償的數據處理等工作。水分測量程序采用兩個外部中斷0和1、一個定時器2來實現對脈寬的測量，具體的程序代碼如下：

　　4 結語

　　實際樣機經過非線性補償和誤差修正，測量誤差小于等于±0．5％，測量的水分范圍為5％～30％(取決于谷物的標準)，重復誤差小于等于0．1％，使用的溫度范圍為0～40℃。達到國內外同類先進產品的技術指標。可適用于不同種類的糧食水分測量，具有比較廣闊的市場前景。