电容式粮食含水率测量仪的设计

２０１　１年１　１月　农机化研究　第１　１期　电容式粮食含水率测量仪的设计　付鹤翔，张利凤，郭文川　（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌　７１２１００）　摘要：为了克服温度和容积密度对电容式粮食含水率测量仪精度的影响，设计了能够同时检测粮食电容、温　度和容积密度的硬件电路和程序。电容传感器为同轴圆筒型，以数字式温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０检测温度，由应变　片组成的桥式电路检测质量，进而计算容积密度。根据得到的电容、温度和容积密度值，基于数据融合技术可得　到被测样品的含水率。　关键词：粮食；水分；电容传感器；温度；容积密度　中图分类号：ＴＰ２７３　．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１１）１１—１３１—０４　０　引言　采集系统，为后期数据融合处理和得到较高精度的粮　食含水率值，提供可靠依据。　粮食是人类生存的物质基础，而粮食中的水分是　影响粮食质量的重要因素。在我国，由于水分检测手　１　系统设计　段的不完善，每年有数量达百亿斤的粮食因水分含量　电容式粮食含水率的检测电路结构如图１所示。　过高霉烂变质，损失巨大…。因此，粮食水分检测技　其包括电容传感器、电容检测电路、质量检测电路、温　术在收购、运输、贮藏、加工和消费等各个环节尤显重　度检测电路、信号调理、Ａ／Ｄ转换、单片机、ＬＣＤ显示　要。传统的电烘箱法和蒸馏法等直接检测方法，由于　器和键盘。其中，电容传感器和质量传感器输出信号　检测时间长和使用环境有限，不适合粮食水分的快速　为模拟型，因此需对其输出信号进行信号调理和Ａ／Ｄ　检测；电容法和中子法等间接检测方法，检测速度快，　转换；温度检测采用单总线数字式温度传感器　易于实现在线测量，逐渐成为粮食水分检测的主流方　ＤＳ１８Ｂ２０，可以直接与单片机通信。单片机对信号处　法　Ｊ。其中，电容检测法　因其结构简单、成本低、灵　理后可由ＬＣＤ显示含水率。为了达到灵活控制的目　敏度高等优点，越来越受到人们的重视。　的，设置了键盘，用于选择不同的操作。　电容检测法的原理是：不同水分的粮食经过电容　１．１　电容传感器的设计　传感器，使电容传感器中介质的介电常数发生变化，　电容传感器由两个同心铜圆筒组成，系统结构如　因此得到的电容量也发生改变　。因此，通过检测电　图１所示；圆筒式电容传感器如图２所示。　容量，可以间接得到粮食的含水率。但影响粮食介电　常数的因素不只是含水率，还与粮食的品种、被测时　的测试频率、温度和容积密度有关　Ｊ。有关人员对　被　＿叫墨Ｈ　卜　信号　Ｄ　Ａ—　－　　．ｑｌ，　照　温度进行线性补偿，但是结果不是很理想　。在粮食　品种和测试频率相同的情况下，翟宝峰等人对被测粮　测谷物　　粥　调理　转　—　换　片　－Ｉｔ，　机　食的电容、温度和容积密度３个影响因素进行数据融　－ｌ温度传感器　ｌ　－　合处理后，发现能够得到较高精度的粮食含水率　值＿９　。为此，本文以同轴圆筒式电容传感器为检测装　图１系统的结构框图　置，研究了电容、温度和容积密度的检测电路和数据　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　其电容值为　收稿日期：２０１０－０７—１４　基金项目：高校基本科研业务费资助项目（ＱＮ２００９０４３）　，１一　一曼　作者简介：付鹤翔（１９８６一），男，山东邹城人，硕士研究生，（Ｅ－ｍａｉｌ）　ｌｎ（Ｒ／ｒ１　ｆｈｘ０Ｏ７１　１０＠１６３．ｔｏｍ。　通讯作者：郭文川（１９６９一），女，陕西临潼人，教授，硕士生导师，（Ｅ—　式中　一介质的介电常数；　ｍａｉｌ）ｇｕｏｗｅｎｃｈｕａｎ６９＠１２６．ｃｏｒｎ。　Ｌ一电容传感器的高度；　２０ｌ１年１　１月　一农机化研究　第１　１期　通过低通滤波器后得到一个直流电压Ｕｏ，则　Ｕｏ＝ＵＡ—Ｕ８＝　电容传感器的外极板半径；　ｒ一电容传感器的内半径。　为了提高检测精度，电容传感器在制作的时候应　满足如下要求：①取Ｒ＝ｅ／＂（ｅ一２．７１８），以增大电容变　化量，提高传感器的灵敏度¨　；②　》　—ｒ，电极厚度充　分小，减小两端的边缘效应；③极板加金属屏蔽罩，减　一　喀　ｒ　‘一　●　●　，　ｒ　小外界寄生电压的干扰；④采用具有较好抗氧化性能　的材料，增加使用时间。本次设计采用厚度为３ｍｍ厚　Ｕ　。’１　●　●　Ｉ　ｒ。。１　●　Ｉ　●　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｕ　＿１　Ｉ　●　－　ｒ　●　Ｕ　ｌ　ｌ　Ｉ　Ｉ　Ｌ—＿－Ｊ　Ｌ—一ｔ　：　：　：　：　的紫铜管作为电容式传感器的两个极板，Ｒ＝４９ｍｍ，ｒ　＝！．．．．．＿Ｊ！．．．．．－Ｊ　１７ｍｍ．Ｌ＝ｌＯＯｍｍ　（ａ）ｃ＝　（ｂ）ｃ．ｑ　图４　ＵＡＢ输出波形　Ｆ　４　Ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ｏｆＵＡＢ　介质空腔　外电极　内电极　取电阻Ｒ　＝　，得　羞　＝　赢　由式（３）即可得到电容ｃ的值，即　ｃ＝　ｃ　㈩　（３）　（４）　图２圆筒式电容传感器　Ｆｉｇ．２　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｓｅｎｓｏｒ　１．２电容检测电路的设计　由于采用脉冲宽度调制电路检测电容值，只使用　直流电源，不需要振荡器，对输出信号载波波形的纯度　要求不高，因此不需要相敏检波与解调等，对元器件没　有线性要求。　１．３容积密度检测电路的设计　本文中，采用脉冲宽度调制方法检测电容值，电　路如图３所示。　容积密度采用定容积的方法来确定。每次测量　时，将被测样品以自由落体的方式倒人传感器装置　内，使被测样品均匀地充填整个装置。本研究所采用　的电容传感器体积为６６３．５１ｃｍ　。因此，通过检测被　测粮食的质量，可以得到被测粮食的容积密度。　３电容检测电路　Ｆｉｇ．３　Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　容积密度检测电路主要包括直流电桥检测电路　和信号放大电路，电路如图５所示。　脉冲宽度调制电路主要由电压比较器４　和Ａ：、双　稳态触发器、电容充放电回路以及低通滤波器组成。　该电路利用电容的充放电原理，使电路输出脉冲的宽　度随传感器电容量变化而变化，通过低通滤波器后得　到直流电压信号。在图３中，　，为两个电压比较器的　参考电压；ＵＡ和　为受电容传感器ｃ和ｃ　调制的电　压信号；Ｕ为双稳态触发器输出的高电位；　为Ａ，Ｂ　两点的电压值；Ｕ　为通过低通滤波器后得到的直流电　压值。　电路采用单组式测量结构，即其中一个为固定电　容。图３中ｃ　为具有固定电容值的标准电容，ｃ为检　测到的粮食的电容。当Ｃ＝Ｃ　时，　的平均值为零，　输出波形如图４（ａ）所示；当ｃ≠ｃ　时，两个电容传感　器所对应的充放电时间Ｔ　≠　，　的平均值就不为　零，输出波形如图４（ｂ）所示。　图５质量检测电路　Ｆｉｇ．５　Ｗｅｉｇｈｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　系统选用电阻值为１２０的康铜箔电阻应变片，其　灵敏系数为（２．１４±１）％，应变极限为２％。由于接入　电桥的每个应变片电阻不可能绝对相同，各桥臂的连　接导线也不可能完全一样，因而需要设置电阻平衡装　２０１　１年１　１月　农机化研究　第１　１期　置。在测量开始前对电桥输出进行调零，系统选用并　位键。复位键，完成整个系统的初始化；单次测量键，　联大阻值电位器的方法，通过调节电位器　，改变相　只取一次测量结果，每次测量结束后，按下复位键才　邻两臂的电阻值，消除电阻的初始不平衡。　能进行下一次的测量工作；多次测量键，取多次测量　直流电桥检测电路采用５Ｖ直流电源作为激励电　结果的平均值，完成相应次数的测量工作后，再对系　源，输出电压信号为毫伏级，对运算放大器要求很高，　统进行复位。　因此采用仪表放大器ＡＤ６２３对输出的微小电压信号　３）含水率计算子程序。主要完成电容、温度和容　进行放大。该放大器内部采用差模输入，共模抑制比　积密度值的采集，并计算得到含水率值，是整个系统　高，且随增益的增大而增高；差模输入阻抗大，精度　的关键部分，其设计流程如图７所示。　高。其增益Ｇ的大小由外接电阻尺　进行调节，可高　达１　０００ｋＯ，即　Ｇ＝　１００＋１　（５）　１．４温度检测电路的设计　在温度检测电路中，选用单总线数字式温度传感　器ＤＳ１８Ｂ２０。该传感器测温范围在一５５～＋１２５　ｏＣ，独　特的单总线接口仅需一个端Ｅｌ引脚进行通讯，温度值　以９位数字量输出，精度达到０．１℃；不需要对信号进　行滤波、放大和模数转换，极大地简化了硬件电路；采　用外部供电方式，可以提高测量速度，能够在１　ｓ内将　温度转换成数字输出，电路如图６所示。　图７含水率计算子程序流程图　Ｆｉｇ．７　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　其中，由于采集到的温度信号为数字信号，可以直　接与单片机通信；采集到的电容和容积密度为模拟电　压信号，通过Ａ／Ｄ转换器进行模数转换后送给单片机　通信。为了保证检测数据的精度，采用１２位高分辨率　的串行Ａ／Ｄ转换器ＴＬＣ２５４３。ＴＬＣ２５４３使用开关电容　图６温度检测电路　逐次逼近技术完成转换过程，转换时间需１０　ｓ。其串　Ｆｉｇ．６　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　行输入结构，能够节省单片机的Ｉ／Ｏ口资源；ｌ１个模拟　１．５单片机的选择　输入通道能够同时满足电容和容积密度值的检测，简　选用低功耗、高性能、ＣＭＯＳ型８位微控制器　化硬件电路。　ＡＴ８９Ｓ５２单片机作为数据处理核心。其内部有８ｋＢ　４）液晶显示子程序。主要完成检测数据的显示问　Ｆｌａｓｈ存储器，２５６Ｂ的ＲＡＭ，并具有３２个Ｉ／０口线，３　题，包括电容、温度、容积密度和含水率值。同时，在不　个ｌ６位定时器／计数器，以及１个全双工串行口。　同的按键程序下，输出提示操作指令，方便用户了解和　使用本测量仪器。　２数据处理和数字化输出　采用单片机ｃ语言编写系统软件程序。程序主　３　结束语　要包括系统主程序，键盘输入子程序，含水率计算子　本研究以单片机为控制器，采用同轴圆筒型电容　程序和液晶显示子程序，其功能是实现数据的采集和　传感器为含水率检测装置，设计了能够同时检测粮食　运算，并控制各输入输出设备实现人机交互。　的电容、温度和容积密度的检测电路，并基于信息融　１）系统主程序。其主要完成单片机、液晶显示　合技术，设计了能根据三者结果计算，显示含水率的　器、Ａ／Ｄ转换器、温度传感器等主要元器件的中断和　运行软件。为了提高仪器的检测精度和适用性，尚需　初始化，同时根据需要调用相应的子程序。　进行大量的基础研究，建立不同品种粮食的含水率与　２）键盘输入子程序。主要用于按键的识别，完成　电容、温度以及容积密度的关系模型。　相应按键的功能，包括单次测量键、多次测量键和复　参考文献：　２０１　１年１　１月　农机化研究　第１　１期　翟宝峰，郭宏林，许会．粮食水分检测技术的综合分析及　发展概况［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２００１，２３（５）：４１３—４１６．　孙建，周展明，唐怀建．国内外粮食水分快速检测方法的　［６］　Ｎｅｌｓｏｎ　Ｓ　Ｏ．Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ｆｏｒ　ｓｅｅｄｓ　ｏｆ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｌａ　ｃｒｏｐｓ［Ｊ］．Ｓｅｅｄｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，　２４（１）：７６—８８．　研究［Ｊ］．粮食储藏，２００７（３）：４６—４９．　裘揆，陈乐，赵春宇，等．种子含水率在线测量系统［Ｊ］．农　业机械学报，２００６，３７（９）：１１９—１２２，１２７．　Ｌａｗｒｅｎｃｅ　Ｋ　Ｃ，Ｎｅｌｓｏｎ　Ｓ　Ｏ．Ｒａｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｉｎｄｅ—　［７］　Ｎｅｌｓｏｎ　Ｓ　Ｏ，Ｔｒａｂｅｌｓｉ　Ｓ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆｒ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｇｒａｉｎ　ａｎｄ　ｓｅｅｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏ—　ｗａｖｅ　Ｐｏｗｅｒ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｅｎｅｒｇｙ，２００４，３９（２）：１０７—　１１７．　ｐｅｎｄｅｎｔ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｗｈｅａｔ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＳＡＥ，１９９３，３８（３）：４７７－４８３．　Ｎｅｌｓｏｎ　Ｓ　Ｏ，Ｋｒａｓｚｅｗｓｋｉ　Ａ　Ｗ，Ｌａｗｒｅｎｃｅ　ＫＣ，ｅｔ　ａ１．Ｓ．Ｕｓｅ　ｏｆ　［８］　翟宝峰，王吴．新型电容式粮食水分检测方法的研究［Ｊ］．　辽宁工学院学报，２００３，２３（２）：１３一ｌ４．　［９］翟宝峰．基于数据融合的粮食水分检测技术的研究［Ｄ］．　沈阳：沈阳工业大学，２００２．　ｃｅｒｅａｌ　ｇｒａｉｎ　ｐｅｍｉｒｔｔｉｖｉｔｙ　ｆｏｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ［ｃ］／／　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍｉｃｒｗａｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　３４ｔｈ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　［１０］陆静霞．基于电容式传感器的粮食水分测量仪的研究　［Ｊ］．农机化研究，２００５（６）：１２２—１２３．　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ａｒｌｉｎｇｔｏｎ，１９９９．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　０Ｕ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｇｒａｉｎ　Ｍｏｉｓｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｍｅｔｅｒ　Ｆｕ　Ｈｅｘｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｌｉｆｅｎｇ，Ｇｕｏ　Ｗｅｎｃｈｕａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ａ＆Ｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ　７１２１００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｇｒａｉｎ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｇｒａｉｎ　ｓｉｍｕｈａ—　ｎｅｏｕｓｌｙ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏａｘｉａｌ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ＤＳ１　８　Ｂ２０　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍａｄｅ　ｂｙ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅｓ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｍａｓｓｔｈｅｎ　，ｔｈｅ　ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｆｏｒ．　ｍａｔｉｏｎ　ｆｕｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｇｒａｉｎ　ｗａｓ　ｇｏｔｔｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｉｎ；ｍｏｉｓｔｕｒｅ；ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｓｅｎｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｂｕｌｋ　ｄｅｎｓｉｔｙ　说　明　付鹤翔的本篇文章曾于本刊２０１１年第５期发表，但由于出现了插图的排版错误，现给予重新发表，且上篇文　章已从各大数据库撤出，所有内容以本篇文章为准。　《农机化研究》编辑部　・１３４・