可充电、一体式粮食含水率检测仪的设计

王　伟，郭文川，王　川

(1.安徽省农业科学院 农业工程研究所，合肥　230031；2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌　712100)



可充电、一体式粮食含水率检测仪的设计

王伟1,2，郭文川2，王川1

(1.安徽省农业科学院 农业工程研究所，合肥230031；2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌712100)

摘要：含水率是评价粮食品质和选取加工工艺条件的一个重要指标。为了给粮食含水率的检测提供一种廉价、便捷的检测仪，以AT89S52单片机为控制器、DS18B20为温度传感器、平行极板式电容器为含水率传感器及LCD1602为显示器设计了一种可充电、一体式的粮食含水率检测仪。以小麦为对象，基于建立的粮食电容、温度和含水率三者之间的关系模型，以Keil C语言开发了检测仪的软件，以JAVA语言设计了能够接收并显示测量数据的上位机监控软件。

关键词：粮食；一体式；含水率；电容；温度

0引言

粮食的安全储存事关我国粮食安全，而含水率是影响粮食安全储存的关键因素。因此，实现粮食含水率的准确、快速检测对于规范粮食产后运输、加工等各环节具有非常重要的现实意义，研究表明：在平衡相对湿度ERH为70%、20~25℃，粮食安全水分是13.93%~14.21%[1]。

粮食水分的检测主要分为直接法和间接法。直接法如电烘箱法、减压干燥法和红外干燥法等，精度高适用于实验室和科学研究中使用；但普遍存在检测时间长，不适用于在线检测，以及检测费用高等缺点。间接法如电容法、电阻法、微波法和红外线法等，检测时间短、响应快，适合在线测量，应用范围广泛，但受外界影响因素较多[2-4]。现有含水率检测仪多为基于电阻法的针式检测仪，其电路复杂、精度差，或者采用同心圆筒式电容器，仪器笨重、便携性差。综合考虑，本文采用间接法中结构简单、成本低且灵敏度高的电容法，设计了一种以单片机为控制器，可充电、一体式的粮食含水率检测仪。

1测量原理

介电特性是指分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性，是各种物质结构和成分的整体反映[5]。试验表明：同烘干法获得的含水率相比，基于介电参数预测燕麦含水率的误差范围为±1.2%[6]，说明基于介电特性检测粮食含水率是可行的。介电特性一般用相对介电常数(绝对介电常数和真空介电常数的比值)表示。

本设计采用双平行极板电容式传感器测量粮食的电容值，在不考虑边缘效应影响的前提下，其电容量为

(1)

其中，ε为两极板间介质的相对介电常数；S为两极板正对面积；D为两极板间的距离。由式(1)可知：在S和D确定的前提下，将平行极板传感器插入待测对象中，两极板间介质的相对介电常数将发生变化，导致传感器的电容量C发生改变。通过检测，该电容值可以间接测量出粮食含水率。

2粮食含水率检测仪设计

2.1　整体设计方案

本文设计的检测仪整体设计方案包括3部分：平行极板传感器检测部分、检测仪工作部分及充电部分，如图1所示。

平行极板传感器检测部分完成待测粮食样品电容值的测量。检测仪工作部分主要包括5个方面内容：将电容测量值转换为电压模拟值，并经过A/D转换为数字量以供单片机使用；完成待测粮食样品温度值的检测；液晶显示器显示最终的含水率和温度测量值；程序下载器完成向单片机烧录工作程序；按键开关完成仪器开启和功能选择、命令控制等操作。充电部分采用可充电式锂电池作为检测仪工作电源，并设计适配的电源充电器，降低使用成本。

图1　整体设计框图

2.2　硬件电路设计

2.2.1CAV424电容检测电路

CAV424是可将电容式传感器电容信号直接转换成模拟电压信号的集成电路芯片，具有信号的采集和差分电压输出的功能[7]。CAV424测量的电容值是传感器电容C7与一个附加参考电容C5的差值ΔC= C7- C5，电路如图2所示。

图2　CAV424电容检测电路

2.2.2DS18B20温度检测电路

温度传感器DS18B20集温度测量和A/D转换为一体[8]，可直接将温度转化成串行数字信号送单片机处理；单总线结构，与温度检测电路配合可检测粮食样品的实时温度值。其电路如图3所示。

图3　DS18B20温度检测电路

2.2.3电源电路

1)供电升压电路。本设计采用了3.7V的锂电池可充电式电池作为供电电源，需将其升压处理为5V，才能供仪器芯片正常工作。本供电电源电路如图4所示。选用MC34063升压芯片，该芯片是一款单片双极型线性集成电路芯片，基于该芯片的外围电路具有多路输出、电路简单、转换效率高且新颖实用等特点[9]。

2)电源充电电路。本充电电路采用TP4056锂电池充电芯片，主要通过该充电芯片的恒流—恒压模式对锂电池进行充电，具有充电保护等功能[10]，电路如图5所示。

2.3　软件程序设计

软件系统分为上位机监控和下位机工作软件两个部分：上位机监控软件在PC端运行，主要实现对检测仪测量数据的接收与显示，达到监控的目的；下位机工作软件程序在单片机上运行，主要实现控制单片机进行正常的工作。

图4　供电升压电路

图5　充电电源电路

2.3.1上位机监控软件设计

上位机软件利用JAVA语言编写，开发平台为Eclipse软件，主要由人机交互界面子程序、串行通信子程序、数据处理子程序等部分组成。实现上位机监控软件的数据通信核心功能关键在于标准Java的扩展类库CommunicationAPI，不包括在标准的Java2 SDK当中，需要进行安装[11]，并正确引入Java串口包——javax.comm。人机交互界面如图6所示。

图6　人机交互界面图

当检测仪正常工作并与PC连接，在该界面点击“打开串口”按钮，即开始接受并显示实时测量数据；检测仪工作结束后，点击“断开串口”按钮，在界面下方即自动计算并显示所有接收数据的平均值，以减小误差。

2.3.2下位机工作软件设计

下位机工作软件采用模块化的设计方法，开发软件为Keil uVision 2，使用单片机C51语言编写程序。

系统主程序完成系统的初始化和对各个子程序的调用。首先调用液晶初始化子程序，初始化LCD1602。然后，进行键盘识别，若有键盘按键按下，则转向键盘识别子程序，执行特定的功能；若无，则继续执行，通过A/D转换子程序，测量电容转电压值。同时，调用温度采集子程序，测量温度值。最后，将得到的电容转电压值和温度值，通过含水率计算子程序，计算出含水率值；接着调用液晶显示子程序，将温度值和含水率值显示在液晶显示器屏幕上。其程序流程如图7所示。

2.4　粮食含水率检测仪的设计

本文设计的检测仪如图8所示。该测量仪采用一体式结构，主要由前端平行极板电容传感器、后端仪器手柄两个部分构成，无冗余电路接线，便于携带。

平行极板电容传感器、温度传感器固定于手柄前端专门设计预留的插槽中，极板长180mm、宽30mm、厚1mm、间距15mm，极板前端设计为三角形，且温度传感器采用不锈钢探针型，有利于插入待测样品中。平行极板电容传感器与测量硬件电路板之间选用屏蔽双绞线作为接线电缆并集约在仪器内部，以防止外界干扰信号的窜入。手柄采用类圆柱体结构，硬件电路板集成安装在手柄中空的内部空间。液晶显示器LCD1602放置于手柄表面，紧靠液晶显示器安装4个按键开关实现仪器的开启和功能选择，并在手柄末端设计1个充电接口，可反复充电，减少电池使用成本，并降低废旧电池对环境的污染。

图7　下位机工作软件流程图

图8　粮食含水率检测仪设计图

3结论

设计了一种基于CAV424电容转电压芯片和AT89S52单片机的粮食含水率检测仪。同时，设计了能够控制检测仪正常工作的下位机软件和实现监控与PC连接的上位机软件，为快速、准确测量粮食含水率提供了试验仪器。

后期将针对不同的农作物品种研究含水率和温度、电容的数值对应关系，拓宽本检测仪的使用范围和提高检测精度；同时需完善锂电池供电、充电模块的设计，选用更小巧、容量高的锂电池，提高仪器的续航能力。

参考文献：

[1]李兴军，张元娣，王双林，等.谷物安全水分估算[J].粮食加工，2011，36(3)：41-45.

[2]杨军.基于交流阻抗法的麦秸秆含水率检测仪的设计[D].杨凌：西北农林科技大学，2013.

[3]刘驰.基于单片机的秸秆含水率测量仪的设计[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

[4]付鹤翔，张利凤，郭文川.电容式粮食含水率测量仪的设计[J].农机化研究，2011，33(11)：131-134.

[5]郭文川，朱新华.国外农产品及食品介电特性测量技术及应用[J].农业工程学报，2009，23(2)：284-289.

[6]郭文川，王婧，朱新华.基于介电特性的燕麦含水率预测[J].农业工程学报，2012，28(24)：272-279.

[7]郭伟，乔丽娟，刘海，等.基于CAV424的粮食含水率检测仪表设计[J].传感器与微系统，2013，32(9)：111-114.

[8]陶冶，袁永超，罗平.基于DS18B20的单片机温度测量系统[J].农机化研究，2007(10)：160-164.

[9]管小明，李跃忠，王晓娟.基于MC34063的便携式仪器电源电路设计[J].东华理工大学学报：自然科学版，2010(1)：97-100.

[10]王丽芳，宋仁旺，闫晓梅.高集成度的矿灯电源管理电路[J].太原科技大学学报，2014(4)：267-270.

[11]江永真，袁朝春，陈翠英.使用Java实现GPS接收机的串口通信[J].中国农机化，2005(1)：58-62.

Abstract ID:1003-188X(2016)09-0161-EA

Design of Rechargeable and Integrated Grain Water Content Meter

Wang Wei1,2, Guo Wenchuan2, Wang Chuan1

(1.Institute of Agricultural Engineering， Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

Abstract：Detecting grain’s moisture is of great significance for grain resources’ efficient utilization. In the grain consuming market, grain products’ quality and processing condition are both influenced by moisture content, which is a main assessment criteria and also an important factor.So, in order to detect moisture content conveniently and in low cost, the moisture content meter which was rechargeable and integrated was designed with AT89S52 single-chip microcomputer as the controller, two-parallel plate as the capacitance sensor and DS18B20 as the digital temperature sensor to detect capacitance and temperature of the grain. Meanwhile, based on the established model describing relationship between grain’s moisture content and capacitance as well as temperature, moisture content of grain could be well measured with the assistance of the lower computer software system developed by Keil C language for controlling SCM (Single Chip Micyoco) procedure, the PC monitor software programmed by JAVA language to receive and display test data from the lower computer in real-time.

Key words：grain; integrated; moisture content; capacitance; temperature

中图分类号：S126；S24

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0161-04

作者简介：王伟(1989-)，男，安徽蚌埠人，研究实习员，硕士，(E-mail)wangwei1412@126.com。通讯作者：王川(1978-)，男，安徽桐城人，副研究员，硕士，(E-mail)06wangchuan@163.com。

基金项目：中央财政农业技术推广资金项目(2014-2015)

收稿日期：2015-09-06