一种基于MCU的便携式粮食水分检测仪的设计

叶 飞，董玉德，杨先龙，金星驰

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009）

0 引 言

粮食问题是关乎国计民生的大事，粮食质量的好坏与每个人息息相关.由于呼吸作用，在粮食采购、储存、运输等过程中，水分的多少很大程度地影响着粮食的质量［1－3］.因此，粮食水分保持在一个合理的范围内尤为重要.关于粮食水分的检测，国内外开展的研究都比较早.粮食水分测量可以分为直接测量和间接测量.间接测量［4］中，电阻法和电容法由于其设计简单，易于实现，测量结果较为准确而得到了广泛的研究.但目前除以农学研究为主的高校及机构，其余学府及组织的研究大都停留在较为浅显的表面，实际设计则更为稀少［5－7］.目前国内的LSK－1型、MY－1型、LSKC－4型等快速水分仪，以及日本 KETT研究所、美国Denver公司生产的水份仪，具有较大的市场份额.

本设计是基于ATMEGA128单片机的，利用平行板式电容传感器及555多谐振荡器构成系统的检测电路，并利用软件及手动调节的方式减小各种因素对测量结果的影响，并在此基础上设计出符合要求的机壳结构.实验结果表明，此设计能够测量粮食13%～25%的水分值，测量结果准确，操作简单，携带方便，适合批量生产.

1 硬件系统

1.1 整体结构设计

传感器采用平行板式电容传感器，整个系统的硬件部分包含湿度信号采集模块、LCD显示模块、按键控制模块、计算机串口通信模块、电源模块，整个系统的原理框图如图1所示，整机模型如图2所示.

1.2 传感器的设计

图1 系统原理框图

图2 整机模型

设计采用平行板式电容器作为盛放粮食的容器和信号调理电路的组成部分.对于变极距型电容式传感器，其静态灵敏度为

因为Δδ／δ＜1，将式（1）展开成泰勒级数，得出

式中 δ为两极板间的距离；ΔC为电容变化量；Δδ为极板间距的变化量；C0为电容初始值，kg是δ的函数，并随着δ的变化而变化，减小δ会增大电容器的灵敏度［8］.为了提高电容器的静态灵敏度，同时又保证盛放的粮食足够多以检测粮食的水分，设置两极板间的间距δ＝40mm.为了减小电容器的边缘效应，极板的长度应远远大于δ，同时考虑到电容器的体积，取极板长度L＝20cm，宽为5cm.为了进一步减小电容器的边缘效应，在结构上增设等位环来消除边缘效应.电容器极板采用温度系数很小的紫铜，以此增加稳定性.

1.3 信号采集模块设计

采用由555定时器构成的多谐振荡器设计信号采集模块，不需要外加触发脉冲就能输出一定频率的矩形脉冲［9－10］，电路图如图3所示.通过传感器电容值的改变，改变多谐振荡器的振荡频率，其计算公式为

图3 由555定时器构成的信号采集电路

ATmega128单片机内部集成有专门硬件电路构成的可编程定时计数器，定时器最基本的功能就是对脉冲信号进行计数，计数的过程由硬件控制，不需要MCU的干预，但MCU可以通过指令设置定时计数器的工作方式，以及根据定时计数器计数值或工作状态做必要的处理和响应.在频率测量方法上选择测周法，即测量N个方波周期所花费的时间T，则N／T即为所测频率值.利用ATmega128单片机所配定时器0与定时器2分别监控方波周期变量和累加时间变量，运用中断与中断嵌套及时计数方波周期个数N与时间T.系统定时器计数频率设定为500kHz，计数个数N设置为250次.此时由计算可得，系统的总测量误差为1／500kHz＝2μs，即测量250个方波周期后，总时间误差仅为2μs.周期测量的绝对误差为2μs／250，若考虑中断响应时产生的影响，周期绝对误差也仅为（2～5）／250μs.从测量误差方面考虑，完全符合测量标准.

通过单片机的定时计数器测出矩形脉冲的频率后，利用Matlab建立湿度的数学模型，得到湿度与频率及其他影响因素的函数关系，以及粮食的水分值，将其送往12864液晶屏显示.

2 数学模型建立

采用平行板式电容传感器作为粮食水分的检测器件，是利用电容器电容值即振荡电路振荡频率的改变来间接得到粮食的湿度值.影响振荡频率的因素主要有粮食的湿度值、被测粮食的温度以及样品的紧实度.设计中，采用定容积法对粮食样品进行检测，这样，样品的紧实度因素可以用每次取样的样品质量取代.其影响程度可通过正交试验的加权算法表示［11］，试验完成得出影响程度K的因素从高到低依次为样品湿度、温度及质量.

以稻谷为谷物样本，在温度和稻谷湿度保持不变的前提下，采用定容积法对稻谷的湿度进行检测时，稻谷间的紧实度很高，每次测量的质量偏差很小，由质量偏差所造成的频率波动只在500～1 000Hz之间，故本设计暂时不考虑粮食质量这一因素.实验中，将温度固定在24℃，测定不同湿度的稻谷其湿度与振荡频率的关系，结果见表1.

表1 24℃时谷物湿度与频率的测量数据

从表1数据可知，在温度一定时，稻谷的湿度与频率成递减关系.利用Matlab对其进行湿度与频率数据的函数拟合，可得出，利用四阶拟合得出的曲线与所测数据有较强的一致性［12］.所得到的湿度Y与振荡频率F的函数为

粮食温度也是影响测量结果的一个重要因素，设计中在电容传感器内壁上安装一个热敏电阻，并将其与信号采集模块中的555振荡器连接，作为555电路的电阻之一R2.利用DS18B20实时检测周围环境的温度.利用热敏电阻对温度的敏感，对温度的影响进行一定程度的补偿.通过实验知道，当粮食温度升高时，电容传感器的电容值随之变大，输出波形的频率降低，因此采用负温度系数的热敏电阻.在同一粮食湿度的前提下，利用公式f＝1／T＝1.43／（R1＋2R2）C计算频率与电阻的关系，并以24℃为基准，得出频率变化与电阻值变化之间的函数关系ΔF＝f（ΔR），然后将其从湿度与频率的函数中剔除.即

得到修正后的函数关系式

为了使测量精度在恶劣的环境下保持稳定，针对其他不确定因素（如引线电容、寄生电容、外界干扰、传感器时间长引起的腐蚀、变形等）的影响，设计时引入人工校正误差项，通过人工干预，进一步减小测量误差.具体实施方法是在显示屏菜单界面的误差项中利用按键进行误差的调整.此种调整用于测量前，相当于校准工作，在正常情况下无需使用.

3 机壳结构设计

机壳的设计需要考虑的因素很多，包括机壳的整体形状、各电路板之间的位置关系、电池的放置位置、导线的布局、粮食送料口的设计等.各电路板之间因为相对位置的改变，对振荡电路会产生很大的干扰.同时，考虑到导线的布置要简单，因此，对电路板间相对位置的设计尤为必要.由于本设计采用的是长方体的整体设计，因此粮食送料口不能采用圆柱式［13－15］一键送料的形式，本文采用抽插式设计，每次测量时将抽送壳装满粮食，然后送进测量仪.机壳整体采用长方体的形状，以便于装入普通公文包及行李包，方便实用.整体的结构图如图4所示.

4 结果分析

图4 测量仪整体结构图

经过实验获得粮食湿度的具体数据见表2.从表2可以看出，实验结果与实际粮食湿度值保持在0.5%的误差范围内，满足实际应用的需要.

通过实验与研究分析，本文设计的电容式粮食水分检测仪在一定范围内能够很好地检测粮食水分，为粮食水分的检测增添了新的方案.但从实验中发现，当粮食水分过低时，由于水分值对电容器介电常数［16］的影响降低了很多.相对地，粮食温度以及紧实度等因素对电容值影响变大，此时利用此测量仪检测得出的水分值与实际值相差较大，故本水分检测仪检测的水分值范围被限定在13%～25%之间.

表2 测量值与实际值比较

5 结 论

（1）利用555多谐振荡器设计的振荡电路能够有效地将粮食的水分值转化为输出波形的频率值，简单可靠.

（2）通过函数拟合和误差的手动调节，能够将环境温度、粮食紧实度等因素造成的误差限制在小范围内，其结果满足实际应用的需要.

（3）机壳的设计遵循简单、大方、便于携带的特点，内部设计布局合理，外部送料口送料方便，可以进行实际生产.

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