基于STM32的谷物水分在线监测系统设计*

姚启龙，周 攀，江永成

(安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

谷物水分直接关系到谷物品质与价值。检测谷物水分的方法分为直接法与间接法两种[1]。直接法多为烘干法与手动取样再用仪器测量的方法，这种方法必须人工操作，且操作过程复杂，无连续性，不能实时在线测量；间接法分为电阻式传感器电路检测方法和电容式传感器电路检测方法，电阻式需将谷物碾碎再进行测量，配有大型电机，较为笨重，且测量精度相对电容法较低，因此电容式更适用于实际工程运用。

本文以STM32F103RBT6单片机为核心设计了谷物水分在线监测系统，使用电容式传感器作为采集终端，终端采集的信号经RS—485总线传输到中控板进行实时处理后,再将数据发送给到上位机实时在线显示[2]，针对不同采集终端可通过上位机校正，采集的水分数据可保存长达一周，并可直接导出Excel文件，方便人员观察水分值变化趋势，拥有良好的人机交互性。

1 系统总体设计

STM32 系列微控制器为具有高性能、高度兼容、易开发、低功耗、低工作电压以及实时、数字信号处理的 32 位闪存 微 控 制 器 产 品[3]，谷物水分在线监测系统整体框架如图1所示。系统以STM32F103RBT6单片机为核心，谷物水分改变引起电容值改变，电容值由555多谐振荡器构成的电容转换电路转换为频率值，经过信号处理电路处理后输出至STM32单片机，STM32单片机与上位机通过RS—485接口电路实现连接。

图1 系统总体框架设计

2 系统硬件设计

2.1 电源模块

电源模块电路如图2所示。电源模块前部分采用以LM2596S芯片为核心组成的开关电源，将外部输入的24 V电压转换为稳定的5 V电压。由于开关电源频率与所采集的方波频率相近，为避免干扰，采用继电器将前部开关电源与后部隔开。采集频率时将继电器断开使用后部超级电容供5 V电压，经SPX3819芯片转换为3.3 V后给系统供电，其他时刻继电器接通，前部开关电源给超级电容充电。该电源模块具有开关电源体积小、重量轻、功耗小、效率高的优点[4]，又避免了开关电源对采集信号的影响。

图2 电源模块

2.2 电容式传感器

设计所使用的水分传感器由电容器与电容频率转换电路构成。电容器由三个直径相同的同轴圆筒组成。正极位于两只负极之间，如图3所示。电场线由正极表面射出后射入负极表面，与平行极板式和叉指式电容器相比，电场线可以传播得更广，有效地增加了测量空间，提高了测量灵敏度[5]。

图3 电容传感器及电场线分布

电容值转换电路由以MIC1557芯片为核心组成的多谐振荡器构成。电容值转换电路构成简单，输出方波波形稳定，便于单片机监测，可靠性高。电容频率转换电路输出方信号波输出频率在20～120 kHz之间。

2.3 信号处理电路

经过测试，电容频率转换电路输出方波频率在20～120 kHz之间，为低频信号，需滤除高频信号干扰。信号处理电路由两个运算放大器构成的低通滤波器以及反向逻辑门构成。电容式传感器输出的方波先经过低通滤波器滤除高频干扰波，再经过反向逻辑门进一步滤除杂波后，最后将处理后的信号送入STM32单片机处理，使测量精度更高。

2.4 RS—485接口电路

设计使用RS—485接口电路连接单片机与上位机，选用SP485EN芯片为核心构成RS—485电路。RS—485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰能力增强[6]，最高传输速率可达10 MBPS，支持多达32个节点，且实施简单方便。

3 系统软件设计

系统软件设计使用Keil开发环境,编程语言为C语言[7]。主要包括频率采集电路程序、以及上位机界面设计。

3.1 频率采集电路程序

频率采集电路程序流程图如图4所示。在频率采集电路程序中，上电将超级电容充电完毕后，将继电器断开；芯片由超级电容供电开始采集频率，频率采集完成后将继电器接通，给超级电容充电。单片机采集的频率值通过程序中建立的数学模型对应为水分值后传输至上位机输出，完成一次循环。

图4 频率采集电路程序

3.2 上位机界面设计

上位机界面如图5所示。

图5 上位机界面

界面实时显示当前采集的频率值、谷物温度、水分值，并将采集的频率值、温度制成曲线图，方便观察变化趋势，可以保存长达7天的历史数据，且可直接通过上位机进行校正，拥有良好的人机交互性。

4 系统测试

4.1 实验环境

在实验室通过大量实验建立合适的数学模型后，为进一步测试系统可靠性，采用实地测试的方法。实验环境为江西某谷物烘干厂，在烘干机烘干小麦期间，将传感器插入烘干机储粮仓进行采集。为检测系统可移植性，使用两根传感器同时进行测试。

4.2 测试结果与分析

实地测试时，首先采集储粮仓空载时频率用于校正，校正后上位机每隔1 min实时显示一次水分值，并将历史数据绘成曲线图实时显示。为确认系统准确性，每隔1 h手动使用标准仪器测量一次实际水分并记录，与系统显示水分对比。两根传感器测量水分与手动测量水分值对比图如图6。

图6 传感器测量与手动测量水分含量对比

通过图6可以看出，在线监测系统显示水分值与手动测量水分趋势相同，误差较小。通过数据对比，在线监测系统误差在0.5 %以内，可移植性较强，符合设计与监测要求。

5 结 论

通过实测证明，本文设计的谷物水分在线监测系统可以实时监测谷物水分变化，工作稳定，可将谷物水分变化趋势实时绘制为曲线，便于观测，监测精度在0.5 %以内，完全满足水分监测需要。该系统投入使用将大大减轻生产工作人员劳动强度，提高工作效率,便于谷物储藏、烘干过程中谷物水分监测和管理。