電阻式糧食水分測定儀的設(shè)計(jì)

0 引 言
    傳統(tǒng)的直接水分測量法周期長，難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)對速度和連續(xù)化的要求，而非電量的電測方法是比直接法更高效的水分測量方法，當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛。糧食水分檢測方法原理上可以有：電阻法、電容法、中子法、微波法、紅外法、核磁共振法等?？紤]物料對象特性，紅外法主要用于表面水分測量，多見于紙張水分檢測中；中子法和核磁共振法基于水分中氫原子效應(yīng)，系統(tǒng)復(fù)雜，造價高，不能體現(xiàn)檢測對象的專用性。微波法是利用水對微波能量的吸收或作用于糧食的微波參量隨水分變化的原理進(jìn)行水分測量，其測量值與物料成分有關(guān)，測量電路及信號處理較復(fù)雜，價格偏高。電阻方法因其快速、準(zhǔn)確、成本低的特點(diǎn)一直是最常用的水分測量方法，但由于電阻方法存在信號強(qiáng)度小、取樣要求高、抗干擾性較差等缺陷，近年來出現(xiàn)了許多新的基于電阻測量原理的創(chuàng)新方法，如兩量程直流電阻法，脈沖電阻法，復(fù)阻抗分離法，交流阻抗法等。本設(shè)計(jì)在上述研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地提出基于脈寬測量的電阻比值法和測量信號的數(shù)據(jù)處理方法，能夠快速準(zhǔn)確地對水分進(jìn)行測定。

1 測試原理
    糧食水分測定儀是具有區(qū)域特色的產(chǎn)品，它對不同地區(qū)的糧食作物具有不同的測量基準(zhǔn)值，因此在測試之前，需要根據(jù)不同的糧食種類，在不同的狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)定工作，建立起標(biāo)準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)關(guān)系，這些數(shù)據(jù)可以由生產(chǎn)廠家寫入測定儀的E2PROM數(shù)據(jù)區(qū)中，也可以由用戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場標(biāo)定。該系統(tǒng)利用ATmega128自身的4 KB的E2PROM用來存儲不同種類的糧食的水分的標(biāo)定值、溫度補(bǔ)償系數(shù)和系統(tǒng)的密碼等參數(shù)。在使用之前需要進(jìn)行水分的標(biāo)定工作，把同一樣本分別在標(biāo)準(zhǔn)測定儀和本測定儀同時進(jìn)行比對測量，確定水分和電阻的關(guān)系，然后再通過鍵盤把對應(yīng)關(guān)系寫入E2PROM中的相應(yīng)單元中保存起來，形成標(biāo)準(zhǔn)的測量曲線或數(shù)據(jù)表格。同時考慮到溫度的影響，必須加上溫度補(bǔ)償系數(shù)以進(jìn)行修正。在實(shí)際測量時，把當(dāng)前的測量值與這些標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，就可以實(shí)現(xiàn)水分的測量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    MCU采用Atreel公司的高速嵌入式單片機(jī)AT-mega128，它采用先進(jìn)的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，具有128 KB的在線可重復(fù)編程的FLASH、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM，同時具有8／16位定時器／計(jì)數(shù)器、PWM輸出模塊、UART、SPI等多種串行通信接口、可編程的看門狗定時器等功能模塊、豐富的外部和內(nèi)部中斷源、多種工作模式。這些特性使ATmega128成為功能更強(qiáng)大的微控制器，更好地支持應(yīng)用于脈寬調(diào)制、高速I／O、遞增／遞減計(jì)數(shù)能力等工業(yè)控制等場合。在程序中主要完成水分的采樣和高速處理、LCD顯示、鍵盤輸人、驅(qū)動輸出、與PC機(jī)進(jìn)行通信等工作。該測定儀的測量的范圍在5～30％之間，精度在±0．2％，水分用2個字節(jié)表示，因此共需要1 KB保存在某一溫度條件下的水分值，再加上溫度補(bǔ)償系數(shù)和密碼的設(shè)定。4 KB空間已經(jīng)足夠了。它的可編程的看門狗定時器模塊能保證系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作。
    LCD采用T6963C控制器的128×64點(diǎn)陣模塊，它可同時顯示測量品種水稻、玉米、大豆、小麥，然后通過鍵盤確定具體的測試對象，在每個測試子菜單下顯示測量值、測量次數(shù)、平均值、標(biāo)定值設(shè)定密碼等選項(xiàng)，只有當(dāng)操作者的輸入密碼與系統(tǒng)給定的密碼相同時，才能進(jìn)行標(biāo)定值的設(shè)定，一般情況下，這些值是不能隨意修改的。
    溫度傳感器采用DALLAS公司的單總線器件DS18820，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度對糧食內(nèi)部水分的影響，環(huán)境溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，省去了溫度傳感器的放大處理等環(huán)節(jié)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。同時它只占用單片機(jī)的一個端口，節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源，因此具有較高的性價比。
    鍵盤電路由模式鍵、加鍵、減鍵、確認(rèn)鍵、退出鍵、測試鍵、平均鍵、清除鍵、停止鍵、修正鍵等組成，用于實(shí)現(xiàn)測量品種的選擇、參數(shù)的設(shè)定與修改、測試與數(shù)據(jù)處理等工作。
    電機(jī)驅(qū)動電路由繼電器驅(qū)動芯片ULN2003和+5 V DC繼電器組成，測試開始時，單片機(jī)發(fā)出控制信號，由電機(jī)帶動取樣器使樣品壓結(jié)實(shí)，保持壓力恒定，以獲取比較一致的電阻取樣值，當(dāng)一個樣品測試完成后，使取樣器復(fù)位，準(zhǔn)備下次測量。
    單片機(jī)通過RS 232串行通信接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，把測量數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)中，以進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，同時也可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)在線測量。信號調(diào)理電路采用555芯片構(gòu)成的非重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)電路，為提高響應(yīng)速度，555芯片采用CMOS工藝的7555型號。具體的信號調(diào)理電路如圖2所示。

    為消除電容由于長期工作所產(chǎn)生的變化誤差，測量采用電阻比值法，即在測量時首先對標(biāo)準(zhǔn)的精密參考電阻和電容構(gòu)成的電路進(jìn)行測量，測出它的脈沖寬度：
    Tp1=Rref*C*ln 3 (1)
    再通過導(dǎo)通電阻為1 Ω的電子開關(guān)MAX4624切換到測量輸入電阻的狀態(tài)，測出它的脈沖寬度：
    Tp2=Rin*C*ln 3 (2)
    式(1)和(2)相除就得到輸入電阻和脈寬的關(guān)系：
    Rin=Tp2*R ref／Tp1 (3)
    一般情況下測量電阻和參考電阻都是兆歐級的，因此，由電子開關(guān)引入的測量誤差可以忽略。
    電子開關(guān)和觸發(fā)信號都由單片機(jī)控制。脈寬的測量由單片機(jī)的外中斷和定時中斷來完成，由于單片機(jī)的外部中斷INT0和INT1均為負(fù)跳沿觸發(fā)中斷，因此在555的輸出端加一級反相器，INT0中斷采樣輸出信號的上跳沿，然后再經(jīng)過一級反相器，INT1采樣輸出信號的下跳沿。兩者采樣的時間差就是脈沖寬度。時間差的計(jì)算可由單片機(jī)的定時中斷來實(shí)現(xiàn)，在INT0的中斷程序里開啟定時中斷，在INT1的中斷程序里關(guān)閉定時中斷。信號的采樣波形如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件部分包括主程序、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)的測量與處理部分。主程序負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制工作，通過調(diào)用不同的模塊完成相應(yīng)的工作。本測定儀以每個品種10次隨機(jī)采樣的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，有效地提高了測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。主程序的流程圖如圖4所示。
    人機(jī)界面包括LCD顯示程序、鍵盤掃描程序等，LCD顯示分為三個頁面，第一個頁面是測量品種選擇頁，可以通過加鍵、減鍵選擇相應(yīng)的品種，然后按確認(rèn)鍵，進(jìn)入到第二個頁面進(jìn)行測量，該頁面中有當(dāng)前測量值、測量次數(shù)、平均測量值、該品種標(biāo)定值設(shè)定頁的入口密碼等參數(shù)。按相關(guān)的功能鍵，就可以完成測量、保存和退出等功能。當(dāng)確實(shí)需要現(xiàn)場重新標(biāo)定時，就可以輸入標(biāo)定密碼，當(dāng)輸入的密碼與系統(tǒng)內(nèi)部的密碼相同時，就可以進(jìn)入到第三個頁面，重新進(jìn)行標(biāo)定，在該頁面中也可以重新設(shè)定系統(tǒng)密碼。為了系統(tǒng)的安全性，也可以設(shè)定密碼的輸人次數(shù)，當(dāng)輸入的錯誤密碼超過一定的次數(shù)時，對系統(tǒng)進(jìn)行鎖定，以防止惡意修改數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的測量與處理完成水分采樣中斷處理、溫度采樣、測量數(shù)據(jù)線性化和溫度漂移的補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)處理等工作。水分測量程序采用兩個外部中斷0和1、一個定時器2來實(shí)現(xiàn)對脈寬的測量，具體的程序代碼如下：

4 結(jié)語
    實(shí)際樣機(jī)經(jīng)過非線性補(bǔ)償和誤差修正，測量誤差小于等于±0．5％，測量的水分范圍為5％～30％(取決于谷物的標(biāo)準(zhǔn))，重復(fù)誤差小于等于0．1％，使用的溫度范圍為0～40℃。達(dá)到國內(nèi)外同類先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。可適用于不同種類的糧食水分測量，具有比較廣闊的市場前景。