對基于微波的糧食水分檢測系統(tǒng)的分析與設計

糧食水分含量是糧食質(zhì)量的關鍵指標，直接影響糧食的收購、運輸、儲藏、加工、貿(mào)易等過程。目前在國內(nèi)糧食收購時，憑手摸牙咬或者傳統(tǒng)檢測方法來判斷糧食的水分，存在測定結果極不可靠、檢測時間長、浪費人力物力等問題。為了快速、準確檢測糧食水分，設計了基于微波的糧食水分檢測系統(tǒng)，通過檢測微波信號與被測糧食相互作用前后微波幅值、相位等變化，推算出糧食水分含量。

1 微波水分檢測

微波水分檢測是近幾年發(fā)展起來的一項無損檢測新技術，它具有檢測精度高、測量范圍廣、穩(wěn)定性好、便于動態(tài)檢測、對環(huán)境的敏感性小、可以在相對惡劣環(huán)境條件下進行等優(yōu)點。微波作為一種頻率非常高的電磁波具有很強的穿透性，它所檢測的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無損的情況下檢測到糧食內(nèi)部的水分含量。糧食中水的介電常數(shù)和衰減因子比其中干物質(zhì)的介電特性值高很多，且作為極性分子的水在微波場作用下極化，表現(xiàn)出對微波的特殊敏感性。微波糧食水分檢測正是利用水對微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號相位、幅值等參數(shù)變化的原理進行水分含量檢測的。微波水分檢測正在逐步取代精度低、取樣要求高、適應性差的電容法、電阻法等傳統(tǒng)水分檢測方法，成為一種理想的糧食水分檢測技術。微波水分檢測可以采用透射式和反射式檢測方法，其微波傳感器布置如圖1所示。

一般物料厚度比較薄時，采用透射式檢測方法；物料厚度比較厚，密度比較大時采用反射式檢測方法。微波檢測是一種深度測量技術，所測結果為體積總體水分而具有代表性，這比之表面測量技術要優(yōu)越得多。

2 系統(tǒng)設計

2．1 系統(tǒng)結構設計

在理論分析和大量實驗基礎上，設計了基于微波的糧食水分檢測系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由微波發(fā)生器器、微波傳感器天線、溫度傳感器、檢測控制器及分析處理等部分組成。

微波發(fā)生器工作頻率為10．5 GHz，微波傳感器采取透射式檢測方法布置。隔離器使正向傳輸?shù)奈⒉o衰減或衰減很小的通過，而對于反向傳輸?shù)奈⒉▌t有較大的衰減。使用隔離器，可把負載不匹配所引起的反射通過隔離器吸收掉，不能返回到信號源，使信號源能穩(wěn)定地工作。檢波器把微波信號轉換為電信號，經(jīng)檢測控制器放大、濾波及A／D轉換后，檢測控制器通過串行總線與計算機進行數(shù)據(jù)通訊。計算機可完成對數(shù)據(jù)分析與實時顯示。檢測控制器可進行系統(tǒng)參數(shù)的設置、水分標定、檢測結果顯示等操作。通過溫度傳感器信號進行溫度補償，以獲得微波檢測信號與糧食水分含量的理想線性關系，提高系統(tǒng)檢測精度。 function ImgZoom(Id)//重新設置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

2．2 硬件設計

糧食水分檢測控制器是硬件設計的核心部分，它由放大濾波電路、A／D轉換、微控制器、鍵盤、LCD顯示和串行總線接口組成，如圖3所示。微波傳感器探頭拾取的微波電信號，經(jīng)過放大、濾波處理后，再進行A／D轉換，糧食水分推算結果在LCD上進行實時顯示。鍵盤接口可以進行控制器參數(shù)設置、水分標定等操作。通過串口與計算機進行數(shù)據(jù)通訊，CAN總線為多個控制器的級聯(lián)接口。

微波傳感器模擬信號處理決定了整個系統(tǒng)的水分檢測范圍和檢測精度。圖4為傳感器信號處理電路。微控制器采用 Microchip公司的PICl-8F6527。該處理器采用納瓦技術，功耗低，抗干擾能力強，外圍接口豐富，如CCP模塊(PWM)、MSSP模塊 (SPI，I2C)、EUSART模塊、A／D轉換模塊等，可滿足系統(tǒng)應用需求。4種晶振模式，最高可達40 MHz。內(nèi)部具有看門狗電路，可在線串行編程(in-circuit serial programming，ICSP)。A／D轉換器采用AD7806，16位采樣，其參考電壓源3 V由AD780提供，A／D采樣分辨率為45．8μV／bit，使系統(tǒng)具有較高的檢測精度。AD7806具有采樣自校正功能，保證了采樣的準確性，通過 SPI總線與微控制器進行數(shù)據(jù)通訊。上電初始化完成后，AD7806通過引腳由高變?yōu)榈拖?strong>微控制器提供中斷信號，通知微控制一個新的A／D轉換數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，可以進行讀取操作。信號處理電路的放大倍數(shù)可在線調(diào)節(jié)，通過PICl8F6527控制數(shù)字電位器AD5227來完成，兩者之間通過3根數(shù)據(jù)線連接，提高了系統(tǒng)的水分檢測范圍。整個系統(tǒng)采用5 V工作電壓，低功耗設計，與外部設備的接口進行光電隔離，降低外部十擾，提高系統(tǒng)工作可靠性。