电磁波辐射法大颗粒谷物含水率测试试验台研制

李博识，黄操军，赵 晶，刘凯旋，李亚鹏

(黑龙江八一农垦大学 电气与信息学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

精准农业作业体系中对收获过程的精确计产、种子的保质烘干等环节都要求精确地掌握谷物的瞬时含水率[1]，谷物含水率的测量是确保粮食安全的主要依据。因此，准确测量谷物含水率对保证国家粮食安全和国民经济的发展具有十分重要的意义。目前，国内外科研人员对谷物水分的测量方法主要有电阻法、干燥法、电容法和中子法等[2-5]，对应的测量装置大多适合静态测量，对于要求实时在线测量环境，由于高孔隙度颗粒谷物间空气的存在，存在着测量误差大、测量速度无法满足实时测量要求等弊端[6-7]。本文研制的大颗粒谷物含水率检测试验台结构简单、操作方便，可满足农业上对谷物含水率在线检测的要求，能够实时计算出谷物含水率并予以显示。

1 试验台总体设计方案

电磁波辐射法大颗粒谷物含水率测试试验台主要由电磁波发生及采集电路、激励线圈、接收线圈谷物输送腔体、升运绞龙、电机及变频器等组成。功率放大器由人机接口模块、波形生成模块及电源转换模块组成。谷物输送腔体选择直径大于玉米籽粒直径20倍以上(腔体直径过小，会带来更大的孔隙度误差)的圆柱形尼龙注塑管材作为腔体。为保证粮食在试验装置里循环运转，选择长度为2m的绞龙进行升运。

电机选取功率1.5kW、额定转速1 400r/min的三相异步电机，220V供电的电机保证试验台的稳定运转。变频器采用功率1.5kW、220V供电的变频器控制电机转速，采用变频器调速可以提高控制精度和工作效率。试验装置原理图如图1所示，实物图如图2所示。

图1 试验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 系统的硬件设计

系统硬件结构设计决定系统的总体功能，是系统的重要载体。硬件电路分别连接上位机和试验台的机械结构和执行元件，实现信号的传输、数模转换、数据采集及数据反馈等功能。硬件部分选用的是C8051F340单片机作为主控制模块，分别进行了高频电磁波信号发生电路、AD转换模块、无线通信模块、LCD液晶显示模块，以及人机交互模块的设计。硬件系统如图3所示。

图2 试验装置实物图Fig.2 Test device physical map

2.1 C8051F340单片机介绍

核心处理器的选择是谷物含水率测量模块的关键，直接影响到信息采集系统的性能、终端设备的成本，以及后续的升级和扩展。经过综合考虑试验需要，本设计选取C8051F340作为核心处理器。C8051F340的主要特点如下：

1)高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核(可达48Mb/s)；

2)通用串行总线(USB)功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1K FIFO RAM；

3)真正10bit200kb/s的单端/差分ADC，带模拟多路器；

4)精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器。

单片机C8051F340连接图如图4所示。

图3 硬件系统框图Fig.3 The block diagram of hardware system

图4 单片机C8051F340连接图Fig.4 SCM C8051F340 connection diagram

2.2 系统功能模块

2.2.1 波形生成模块

此模块主要由DDS芯片(AD9850)、增益可调节放大器(AD603)、放大器(LMH6645MAX)、功率三极管(2SC2078)及AD转换器(AD5300BRMZ)组成。采用DDS芯片，用于产生符合要求的功率正弦波形。AD9850固定输出峰峰值电压为1V，电路如图5所示。

将AD9805的输出连接到AD603的输入，经过AD603放大后，输出电压在0.3～5V范围内可调节。将AD603的输出连接到LMH6645MAX的输入，这个30MHz低通滤波器的放大倍数为2，因此其输出范围为0.6～10V。在很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，放大后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。美国ADI公司生产的AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片，是一个宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片，表1所列为其引脚功能。

图5 AD9850电路图Fig.5 AD9850 Circuit diagram表1 AD603引脚功能表Table 1 AD603 pin functionTable

脚号代号描述1GPOS增益控制输入“高”电压端(正电压控制)2GNEG增益控制输入“低”电压端(负电压控制)3VINP运放输入4COMM运放公共端5FDBK反馈端6VNEG负电源输入7VOUT运放输出8VPOS正电源输入

AD转换电路的主要功能是将保持住的波峰模拟信号供单片机使用。在选取AD转换器时，通常考虑如下指标：①转换时间，从输入模拟信号到输出数字信号需要的转换时间；②转换误差，指的是理论输出数字量与实际输出数字量存在的差别；③转换精度，它是模拟部分精度和最大量化误差的体现。综合考虑器件成本以及实际电路需求，本设计选用了美国ANALOG DEVICES公司生产的AD5300作为数模转换芯片，电路如图6所示。AD5300有4个独立的工作模式，即1个正常工作模式和3个掉电工作模式，模式选择可通过移位寄存器的PD1和PD0来决定，具体的工作模式分配情况如表2所示。

图6 AD5300电路图Fig.6 AD5300 Circuit diagram表2 AD5300的工作模式Table 2 AD5300 working mode

PD1PD0工作模式00正常模式01输出端接1kΩ电阻到地10输出端接100kΩ电阻到地11三态

2.2.2 人机接口模块

此模块主要由字符型液晶屏(LCD1602A)、按键和编码器组成，用以改变驱动信号的频点，以获得最佳的辐射功率。上下左右按键用于移动字符型液晶屏上的输入光标，编码器用于改变光标上的输入值。所谓1602是指显示的内容为16×2,即可以显示两行，每行16个字符，是一种专门用来显示字母、数字及符号等的点阵型液晶模块。LCD1602A电路图如图7所示。

图7 LCD1602A电路图Fig.7 LCD1602A circuit diagram

2.2.3 电源转换模块

通过DC-DC将电源输入插座进来的直流电源，转换成符合使用要求的各路直流电源。输入电压规定为+12V。通过DC-DC模块生成±5V-A，+5V-D。另外输入的+12V滤波后变为+12V-A。

2.3 谷物输送腔体的设计

本设计中谷物输送腔体作为谷物流通及线圈的载体，在选取材质的时候应该对电磁波传播无影响，因此选择直径大于玉米籽粒直径20倍以上(腔体直径过小，会带来更大的孔隙度误差)的圆柱形尼龙注塑管材作为信号发射线圈和信号接收线圈的承载部件，如图8所示。

图8 输送腔体实物图Fig.8 Conveying cavity physical map

为减少高频状态下线圈之间的分布电容对电路的影响，采用表面涂有绝缘漆的粗径铜导线，直径为0.51mm。传输介质因品种、收获期、处理方式等情况不同存在大小、形状等几何尺度的差异，是电磁波在腔体内透射传播、反射传播、折射传播、漫反射传播甚至逆反射传播的重要影响因素；同时，辐射信号频率决定电磁波的波长，而波长是决定传播形式的最重要指标。充分考虑二者对电磁波传播规律的影响，并以此作为指导谷物流导引腔体结构尺寸设计的理论依据，本设计共缠绕3组线圈，直径分别为58、72、82mm，绕线一次侧和二次侧均为8层，线圈的各项参数如表3所示。

2.4 串口通信模块

本研究采用ACS12-TTL 型无线模块进行数据传输，AS12-TTL是一款高稳定性、工业级的无线数传模块，能够配合串口调试助手在电脑端直接对无线串口通信进行测试，也能够配合参数设置软件轻松快捷地配置模块参数。针对其动作特性，该模块可以控制 ACS12-TTL 无线通信模块的4种工作模式，如表4所示。

表3 线圈参数Table 3 Coil parameters

表4 ACS12-TTL四种工作模式Table 4 Four working modes of ACS12-TTL

3 系统软件设计

软件系统工作流程图如图9所示。

图9 软件系统工作流程图Fig.9 Software system working flow chart

其中，上位机主要由PC端的串口助手及相应的无线接收器件组成，通过与通信设备相连接之后，串口波特率设定为115 200bps，打开串口时，上位机实现设定的要求能够进行数据的接收；下位机的采集器设置输入频率，以达到预设频率。在输送腔体中谷物含水率发生改变而引起的波形及幅值变化时，系统能够进行闭环调节。假如上位机和下位机都完成设定，那么系统处于正常工作状态，开始对接收端频率及幅值进行数据采集，通过无线模块上传到PC端进行计算，在下位机的LCD显示屏和上位机的屏幕上显示实时数据。

4 结论

本文设计的试验台结构简单、成本低廉，通过比较接收线圈接收电磁耦合后的畸变信号与发射信号，建立了信号变化与谷物含水率的关系。对正弦电磁波信号发生装置进行了深入研究，做到了人机交互更方便，通过无线通讯模块传输数据对谷物的主要参数进行检测，实现了对谷物含水率的在线测量，达到了研制此试验台的目的。试验表明：此试验台性能稳定，运行可靠，操作简单，满足农业上对粮食水分的测量要求，具有较高的实用价值。