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1、1 前言1.1 谷物水分检测的意义粮食的储存是关系到民生的一件大事，而粮食水分的检测更是粮食储存的重中之重。粮食在收获之后往往含有过多的水分，而含水量过多的粮食往往会引发很多问题，由于含水量过多的粮食容易发热，变质。这将影响到粮食的质量和粮食种子的选择。因此，谷物在收获之后，必须进行检测。粮食的安全储存还会影响到我国工业和农业的发展，这时粮食水分的检测就显得很重要。工业生产中会大量的用到各种粮食作物。如果粮食的含水量不过关，就会影响到产品的质量，更有甚至，生产出的副食品会危害人的健康。在农业方面更要注意水分的检测，全国的大小粮库是国家粮食的储备，如果水分控制不好，将会是大批量的粮食坏掉，这将直
2、接影响我国农业的发展。所以，在工业和农业中要根据各种参数和和工艺合理的控制谷物的水分。这时就要求有好的谷物水分检测仪，用以对谷物的水分进行检测。因而，一款好的水分检测仪就显得尤为重要。一款好的水分检测仪将在很大程度上促进我国工农业的发展。1.2 谷物水分检测仪的发展背景和方向谷物水分的检测通常有两种方法，它一般分为直接测量和间接测量。直接测量法是指在对谷物进行热干燥后在对谷物的水分进行直接测量。这种方法是一种基准法，在测量的过程中样品的性质是不会发生改变的，但这种方法是间歇进行的，不能连续进行测量，这种方法具有较长的测量周期，当使用不同的方法时，测量所需的时间也会大大不同，这种方法不能对谷物的
3、水分进行连续的测量，因而此方法控制指标不高。间接测量法是指通过检测与水分变化相关的物理量来得到谷物水分的变化，这种方法适合于在线测量。间接测量法包括化学反应法、电容法、电导法、微波法、光学法等。其中，电容法具有很多的优点，电容传感器具有简单的结构，较高分辨率，能够抵抗多种干扰，具有较快的动态响应，能在恶劣的环境下进行工作，价格合理等一系列优点。但它也存在一些缺点，它容易受到多种因素的影响，它的数据比较复杂等。所以，我们要通过建模理论创建谷物水分检测仪的物理模型，同时我们还要了解被测谷物的含水量与谷物水分检测仪传感器的参数关系，这些工作量将对我们谷物水分检测仪的设计产生重大的影响。目前，国内利用
4、电容法测定粮食水分的仪器的种类较多，如TM-I型谷物水分检测仪，这种检测仪集机械设计、电控、检测与传感技术、物理解析法、现代通讯技术于一体，ZHS1003微量水分全自动测定仪，它具有操作方便、稳定速度快精度高、灵敏度高等优点。国外主要有美国帝强M-3G/M-20P便携式谷物水分检测仪，它提供了精密补偿，应用独特的运算法则，无需称重或挤压样品，采用简单易读的LCD液晶显示，它具有独立的偏差和斜率。1.3谷物水分检测仪的测量原理从电磁理论的角度研究，谷物的不同的内部成分和分子的结构定性共同决定了谷物的节电特性粮食的介电特性的，但是通过大量的试验表明，当粮食的游离水分小时，它的介电常数()也会随之变
5、小，从这一点我们可以得出，对于粮食内部的淀粉等分子它们的极性是比较小的。但是水的介电常数却是相当的大，通过查相关数据得出水的介电常数为81。从以上的描述我们可以得出，游离的水分子是影响是影响介电常数的重要因素。这就为我们的设计指明了思路，我们要通过测目标的介电常数，间接的得到谷物的水分。但介电常数的测量是一个比较复杂的过程，这就要求我们弄清原理，认真心的进行设计。当电容传感器内部充满介质时，他的电特性就不单一受到电容的影响，电导也成了影响它的一个重要部分。因此，当我们在电容传感器两端加以交流电压信号时，它的电抗就由容抗和阻抗共同构成。它的等效电路如图1.1所示，当在我们在电容器两端加以交变电压
6、信号时，它所产生的电流矢量图如图1.2所示。 图1.1 等效电路图 IR UI IC ( 图1.2 电流矢量图 在不考虑外部因素影响的前提下，电流I和电压U相位相差应该是90，但当传感器中有电导存在是，电流I和电压U相位偏差将会产生变化。从图1.2我们可以得到电流I会产生一个偏离的角度，在这里我们把它叫做介质损失角。我们一般用tan来表示：( 有功分量IR即电导分量)/( 无功分量IC即电容分量)。在弄清了设计原理后，我们需要对信号的处理电路进行设计了信号处理线路，在这里我们选用数字信号的传感器，因而在这里省略了A/D转换的过程。传感器把产生的数字信号直接输送给STR89C52，经传感器的处理
7、即可得到tan值。由于谷物水分与传感器的介质损失角呈单值分段线形关系，所以经软件温度补偿，用烘干法水分标定后，即可得到水分介质损失角的对应关系。1.4 设计要求和预期研究结果1）应用范围：糙米、精米、稻米、小麦、大麦、裸麦等水分含量测量； 2）测量范围：糙米、精米、稻米10-40%，小麦、大麦、裸麦10-35%； 3）LCD数字屏幕显示，数字清楚易读； 4）所有的操作只需轻按按钮即可完成； 5）精确度：土0.5 % (10%-20%)； 6）产品温度范围：0-40C； 7）温度补偿：自动补偿。 2 谷物水分检测仪硬件部分的设计设计一个简单，方便的水分检测仪，硬件部位的设计至关重要。本章对检测仪
8、的一些重要部件进行了选择和设计。单片机是整个硬件部分的控制部分，关系到后期的编程和调试，因而，单片机的选择至关重要，在这里我们选用STC89C52单片机。由于单片机简单，易懂，性价比高，为设计节省了很多时间和精力。传感器是测量的部件，它直接与谷物进行接触，因而要求它具有良好的精度和密封性。在这里选用AM2305温湿传感器，由于传感器性能的采用串行接口，输出数字信号，省去了A/D转换等步骤，大大简化了本设计。至于显示屏的选择，在这里选用性价比比较高的LCD1602A进行输出显示。电源采用普通家用电源，并用5V电源转换其进行转换，并加上一个74L05进行稳压。下面将对谷物水分检测仪的各部件进行详细
9、的介绍，硬件的原理框图如下图2-1所示。LCD1602A单片机STC89C52稳压器78L05开关二极管电源晶振电路湿度传感器AM2305复位电路图2-1 硬件原理框图2.1传感器的选择2.1.1 传感器的概述 在选择电容传感器时，我们希望传感器的电容值大些，但我们选择的传感器的极间距不能太小能太小。当我们在线测试时，粮食中会掺杂比较多的杂质，如果我们选的级间距过小，就会出现堵塞现象。为了方便现场操作，我们选用圆桶型电容器，和谷物的介电常数不同，每次电容器充满谷物时，它的松紧度不同，对测试精度有很大影响。在这里采用数字温湿度传感器AM2305。我们在这里选用的AM2305数字温湿度传感器是一款
10、含有已校准的温湿度复合传感器，它直接输出数字信号。它应用的是专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，它能够保证传感器工作的可靠性与稳定性。传感器是由一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件组成的。该传感器可以与。常见的8位单片机相连，连接的线路简单。此产品具有很多优点如它具有品质突出、能够较快的对测试目标产生响应，抵抗外界干扰的能力较好、具有很高的性价比等优点。每个AM2305在出厂前都对其温湿度进行了校准。校准系数通常以程序的形式存在，把它储存在OTP内存中，传感器在检测的过程中会不断的从OTP中调用这些数据，以进行测量输出数据。该传感器采用单线制并采用串行接口，这样就是整个传感器的系统显得简
11、单易操作。本传感器的体积适中，功耗比较小，而且它的传输就离很远能达到20米，以上优点使该传感器在很多场合都得到广泛应用。传感器的外观图如下图2-2，2-3所示。2-2 墙面或支架安装式2-3 法兰安装式2.1.2 传感器的安装（1） 法兰安装式尺寸图：图2-4 法兰安装式尺寸（2）墙面或支架安装式尺寸图：图2-5 墙面或支架安装式尺寸2.1.3 传感器的主要参数（1） 传感器性能说明表2.1 传感器性能说明参数条件MinTypMax单位湿度分辨率0.1%RH16Bit重复性1%RH精度3%RH5%RH互换性可完全互换采样周期12S响应时间1/e(63%)251m/s空气12S迟滞0.3%RH长
12、期稳定性典型值1%RH/yr温度分辨率0.116Bit重复性0.5精度0.5量程范围-4080响应时间1/e(63%)620S(2) 采样周期的设置应大于最小值，这样才不会产生错误(3) 电源引脚 给AM2305的供电的电压一般为3.3-6V。传感器接通电源后，为了度过传感器不稳定的状态，要先等待1s，在此期间不需要发送任何指令。在电源引脚（VDD，GND）之间可适当加上一个100nF电容，它的作用是去耦滤波。(4) 单总线接口AM2305产生的数据直接通过串行接口传送到单片机，传感器的传送与单片机的接受是同步的，一次通讯大概需要时间5ms左右 ,(5) 测量分辨率 测量分辨率分别为16bit
13、（温度）、16bit（湿度）。(6) 电气特性VDD=5V，T = 25，除非特殊标注表2.2 电气特性参数条件mintypmax单位供电DC3.36V供电电流测量11.5mA待机4050uA采样周期秒2次注:采样周期间隔不得低于2秒钟（建议2秒以上）。1) 工作与贮存条件 超出建议的工作范围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。要加速恢复进程/可参阅6.3小节的“恢复处理”。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。2) 暴露在化学物质中 电容式湿度传感器的感湿层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下
14、降。在一个纯净的环境中，污染物质会缓慢地释放出去。下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。3) 恢复处理 置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使其恢复到校准时的状态。在50-60和70%RH的湿度条件下保持5小时以上。4) 温度影响 数字温湿度传感器 AM2305气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将AM2305远离发热电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。5) 光线 长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。6) 配线注意事项DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量，推荐使用高质量屏蔽线。不得低于2秒钟（建议2秒以上）。(7) 接口说明 建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
