粮食水分在线测量系统设计论文（上交版）

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

毕业论文

粮食水分在线测量系统设计

学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 李先栋 学 号： 0712103860 指导教师： 申晋

2011 年 6 月

摘要

摘要

粮食问题是涉及到每一个国家国计民生的重大课题，解决这一问题的方法除去扩大耕地面积、提高单位面积产量外，粮食的安全储藏显得尤为重要。

粮食干燥是粮食安全储藏的重要环节，它是一个连续的生产过程。其流程是首先将原粮经处理后送入干燥塔，再经过预热、干燥、缓苏，待冷却至常温，达到安全水分14%左右后排出干燥塔。在此过程中，粮食水分在线测量是制约粮食干燥系统的核心技术。

在本次毕业设计中，确定了一种用于颗粒状的粮食水分在线测量系统。该系统将圆筒型结构的粮食水分测量传感器置于干燥机的出口和入口处，粮食的水分变化导致传感器电容量的变化,经过精密的信号采集、转换与处理,完成粮食水分在线实时测量。本文的主要内容可归纳如下:

(1)分析了粮食的介质特性，扼要介绍了现代水分检测技术的基本原理。指出了粮食水分检测技术尤其是快速检测技术的现实意义。

(2)进行了电容测量电路的硬件设计，主要包括:传感器结构设计，各种电容检测电路的对比分析，电容电压转换电路设计，模数转换电路设计，温度检测电路设计以及存储电路设计，并对电路进行了调试和实际检测。

(3)对粮食水分测量的软件部分设计，包括主程序和若干子程序，主要有巡回子程序、频率设置子程序、温度设置子程序、传感器选择子程序和暂停子程序等。

(4)粮食水分检测样本的制备，数据采集方案的设计及具体实施，最后通过对影响水分检测各因素之间的理论分析，指出了水分与电压、温度、重量之间的关系。

关键词：粮食水分、在线测量、电容传感器、多元分析

I

Abstract

Abstract

Grain counts for much for the national economy and people?s livelihood. To solve the problem of lack of grain, sage storage of grain is an effective measure besides enlarging area of plantation and increasing its output by unit acreage.

During the process of grain storage grain dryness is a critical procedure, which in fact is a continuous process. The flow of grain dryness is as follows: put the grain being treated into drying tower, after process of warm-up, drying and cooling to normal temperature, when the moisture of grain is 14%,which is sage moisture, it is time to be expelled from the drying tower. During the above drying course, the core technique is the online test technology, which can restrict performance of the drying system.

In this paper, an online moisture test system for grain is identified. In this system, cylindrical moisture sensors are put at the entry and outlet of the drying device. When the capacitance of moisture sensor changes aroused by grain moisture change, and the changing signals are collected, transformed and conditioned, the system accomplishes its online real-time task of measurement. The main content is as follows: (1) Medium characteristic of grain is analyzed and principle of modern moisture measurement technology, especially the realistic meaning of celerity measurement is introduced.

(2) Capacitive measurement hardware circuit designs, including: sensor design, Capacitor voltage conversion circuit design, Analog -digital conversion circuit design, the temperature detection circuit design and circuit design store. Circuit and the Commissioning and the actual detection

(3) Moisture meter on the part of software design, including the main program and several subroutines, there are roving Subroutine, temperature settings Subroutine, Subroutine pressure settings, sensor selection, such as subroutines and suspended subprogram.

(4) Preparation of sample of grain moisture measurement, design and implement of project, analysis of theory which affect moisture measurement. The relationship of moisture, voltage temperature and weight is pointed out.

Key Words: Grain moisture, online test, Capacitance sensor, Multivariate Analysis

II

目录

目录

摘要 ............................................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................................ III 第一章 绪论 ............................................................................................................................ - 1 - 1.1 课题的背景、目的和意义 ........................................................................................... - 1 -

1.1.1 课题的背景 ........................................................................................................... - 1 - 1.1.2 课题的目的和意义 ............................................................................................... - 1 - 1.2 粮食水分在线测量技术发展方向 ............................................................................... - 2 - 1.3 粮食中的水分及粮食介电特性分析 ........................................................................... - 3 - 1.3.1 粮食水分 ............................................................................................................... - 3 - 1.3.2 粮食介电特性分析 ............................................................................................... - 4 - 1.4 粮食水分测量方法列举 ............................................................................................... - 4 - 1.4.1 电阻法在线测量粮食水分 ................................................................................... - 4 - 1.4.2 电容法在线测量粮食水分 ................................................................................... - 5 - 1.4.3 微波吸收法在线测量粮食水分 ........................................................................... - 6 - 1.4.4 中子法在线测量粮食水分 ................................................................................... - 8 - 1.4.5 红外线法在线测量粮食水分 ............................................................................... - 9 - 1.4.6 其他在线粮食水分测量方法 ............................................................................. - 10 - 第二章 总体方案设计 .......................................................................................................... - 12 - 第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计 .......................................................................... - 14 - 3.1 粮食水分在线测量传感器设计 ................................................................................. - 14 -

3.1.1 电容式传感器结构设计 ..................................................................................... - 14 - 3.1.2 电容式水分传感器的构成及结构优化 ............................................................. - 16 - 3.2 电容检测电路设计 ..................................................................................................... - 17 - 3.2.1 几种常用电容式水分测量电路的比较 ............................................................. - 17 - 3.2.2 电容电压转换电路设计 ..................................................................................... - 18 - 3.3 模数转换电路设计 ..................................................................................................... - 21 - 3.3.1 AD7714各引脚功能 ............................................................................................ - 22 - 3.3.2 AD7714性能特点 ................................................................................................ - 23 - 3.3.3 AD7714片内寄存器及其功能 ............................................................................ - 23 - 3.3.4 AD7714与单片机接口 ........................................................................................ - 25 - 3.4 温度传感器的设计 ..................................................................................................... - 26 - 3.4.1 DS18B20数字温度传感器工作方式.................................................................. - 26 - 3.4.2 DS18B20与单片机接口 ..................................................................................... - 27 - 3.5 测量参数存储电路设计 ............................................................................................. - 28 - 3.5.1 I2C总线简介 ........................................................................................................ - 28 - 3.5.2 用AT89C52单片机模拟I2C总线工作方式 .................................................... - 29 - 3.5.3 E2PROM存储芯片24WC02的工作方式 .......................................................... - 29 - 3.5.4 24WC02与单片机接口 ....................................................................................... - 30 -

III

目录

3.6 单片机系统与PC机的通讯 ...................................................................................... - 31 - 第四章 粮食水分在线测量软件系统设计 .......................................................................... - 32 - 4.1 单片机系统软件设计 ................................................................................................. - 32 -

4.1.1 主程序 ................................................................................................................. - 32 - 4.1.2 电容值测量程序设计 ......................................................................................... - 33 - 4.1.3 温度测量程序设计 ............................................................................................. - 33 - 4.1.4 E2PROM与单片机接口程序设计 ...................................................................... - 35 - 4.1.5 通讯中断服务程序 ............................................................................................. - 37 - 4.2 上位机软件设计 ......................................................................................................... - 38 - 4.2.1 上位机编程语言及软件功能介绍 ..................................................................... - 38 - 4.2.2 上位机与单片机通讯功能的实现 ..................................................................... - 39 - 第五章 测量数据的采集和处理 .......................................................................................... - 41 - 5.1 样品数据的采集 ......................................................................................................... - 41 - 5.2 采样数据处理 ............................................................................................................. - 41 -

5.2.1 粗大误差的剔除 ................................................................................................. - 41 - 5.2.2 有效数字与数字修约 ......................................................................................... - 42 - 5.2.3 水分测量数据的处理 ......................................................................................... - 42 - 5.3 水分测量数据分析 ..................................................................................................... - 42 - 5.3.1 水分-电压关系 .................................................................................................... - 42 - 5.3.2 水分-温度关系 .................................................................................................... - 43 - 5.3.3 水分-重量关系 .................................................................................................... - 44 - 总结 ........................................................................................................................................ - 45 - 参考书目 ................................................................................................................................ - 46 - 致谢 ........................................................................................................................................ - 48 - 附件 ........................................................................................................................................ - 49 -

IV

第一章 绪论

第一章 绪论

1.1 课题的背景、目的和意义

1.1.1 课题的背景

粮食是人类生存的物质基础，粮食质量的好坏是关系到国计民生的大事，而粮食中的水分是影响粮食质量的重要因素，它也是国内外粮食部门严格控制的一项重要的质量指标。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，粮食水分的检测越来越引起育种、征购、生产、加工、储藏、运输和消费等各个环节的重视，粮食水分已成为科研与生产过程中的法定计量参数。但由于水分分布复杂，影响因素较多，很难实现既准确又快速的现场检测。传统的烘干失重法和电参数法己不能满足现代社会水分检测的需要，电解质物理学、半导体物理学、化学、微生物学、传感器技术、信息融合技术、专家系统等诸学科的发展，为水分检测的研究提供了新的科学依据。

粮食中的水分不仅是粮食籽粒细胞的必要组成部分，还是维持粮食籽粒本身生命活动和保持色、鲜、味及使用品质所必需的，因此，粮食水分既不能过高，也不能过低，要保持适宜。水分过高，重量加重，浪费运力和仓容，而且促使粮食生命活动旺盛，容易引起粮食发热、霉变、生虫和其它生化反应，以至于使粮食变质。水分过低，会破坏其有机物质，损坏干物质，减少重量。所以，粮食水分的检测是安全存储的主要根据，同时又是加工工艺选择和技术参数配备的依据，还是粮食商业环节中以质论价的依据。据国家粮食储备局公布:我国粮食年产量达4500亿公斤，在收购、储藏、运输等过程中，因水分含量过高而造成的损失高于5%，折合人民币200亿元，损失巨大。

近二十年来，国内外研究生产了各种水分快速测定仪，以求取代耗时费电、不宜现场使用的传统烘箱干燥法。目前的水分测定仪受检测原理限制，检测的局限性较大，普遍存在检测误差大与重复性差等问题，未能得到用户的首肯和国家有关部门的认可。长期以来，粮食与种子收购现场的水分检测一直不能摆脱人工检测的感官判断方法。 1.1.2 课题的目的和意义

1.解决粮食市场需求

国家粮食问题是涉及到每一个国家国计民生的重大课题，党和政府对于这个问题十分重视。解决这一问题的方法除去扩大耕地面积、提高单位面积产量外，减少损耗、提高品质、科学储粮对解决粮食问题具有十分重要的意义。

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第一章 绪论

虽然我国是世界主要产粮国家之一，但在粮食总产量中，高水分粮食约占20%左右。特别是在我国北方，粮食收购中，玉米水分一般都在23%一28%左右，有时高达40%。因此，高水分粮食的干燥在粮食储藏中显得尤为关键。在粮食储运过程中关键环节是粮食水分控制，即粮食干燥过程控制是一个重要问题。

利用粮食干燥机降低粮食水分是粮食安全储藏的重要环节。粮食干燥是一个连续的生产过程，其流程是首先将原粮经处理后送入干燥塔，再经过预热、干燥、缓苏，待冷却至常温，达到安全水分14%后排出干燥塔。在此过程中，粮食水分测试是必不可少的常规检验，由于影响因素复杂，难以实现在线快速测量，传统的烘干失重法和电参数法已不能满足现代社会水分检测的需要，电解质物理学、半导体物理学、化学、微生物学、传感器技术、信息融合技术、专家系统等诸学科的发展，为水分检测的研究提供了新的科学依据。

2.为进口设备国产化配套，取代进口

由于干燥设备所处自然环境较为恶劣，一般干燥设备的更新换代时间为五到六年。目前国内使用的粮食干燥设备基本是国外进口，其“粮食水分测量系统”基本处于更新阶段，每年粮食领域都有稳定的需求。本项目的研究，必将打破单纯依靠国外进口产品的局面，我们产品将依赖较高的性能价格比，为进口设备国产化配套，从而逐渐替代进口产品。不但创造了自身良好的经济效益，同时也创造良好的社会效益。

本课题的实施对整个粮食行业的管理水平的提高，增强国家对粮食行业的宏观调控，增强国际竞争力，尤其是在我国WTO冲击波结束后，在国际粮食行业立于不败之地都有十分重要的意义。

3.具有明确应用背景和广阔前景

本课题研究成果主要应用在粮食干燥机生产厂家、粮食储运部门等，也可应用于农副产品、轻工、化工、制药、环保等部门的颗粒状物质烘干、储备设备上，具有明确的应用背景和广阔的应用前景。

所以，粮食水分测量对于国民经济建设和人民生活有着重要的实际意义，能产生巨大的社会和经济效益。

1.2 粮食水分在线测量技术发展方向

快速、准确、适应性强始终是粮食水分检测仪的研制目标，虽然国内外研究机构研制生产了各种水分快速测定仪，以求取代耗时费电、不宜现场使用的传统烘箱干燥法，根据水分仪所存在的问题，及目前的研究资料分析，高性能

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第一章 绪论

水分仪的开发主要有以下几个方面的发展趋势。

研究有效的数据融合技术，通过对多个物理量检测而实现的复合型水分仪。由于水分检测受多种因素影响，目前可以确定温度、密度和重量是影响最明显的物理量，因此将这些物理量同时采集，通过大量的实验数据，利用数据融合技术，找出一种能够综合各个量影响的水分测量关系曲线，最终获得准确的水分测量结果。开发专门化或通用化水分仪。针对不同的需求，开发仪器。如专门为种子管理部门开发的针对低含水量的种子检测的微量水分仪；用于北方粮食收购的低温高水测量的水分仪；具有与传送机构配套结构的在线测量式水分仪等。通用化水分仪仍有相当大市场需求，仪器的设计将引进智能化接口技术，使检测设备网络化，提高对检测系统的管理效率和管理水平。

进一步探讨新型的更准确测量含水量的检测技术探讨新的、影响因素少、处理简单的水分检测技术，这一方面有待于科研人员的进一步研究。

1.3 粮食中的水分及粮食介电特性分析

1.3.1 粮食水分

粮食水分是指粮食中含有的结合水与自由水的总称。结合水也称结晶水，是通过化学作用吸附在粮食细胞内或粮食分子结构中的水分。分析粮食组织结构可知，粮粒以化学键力与水吸附时，像化学反应一样放出较多的热量，这称为化学吸附。这样吸附的水，粮食细胞内与粮粒内亲水物质结合得很牢固，是在粮粒生长过程中自然形成的，存在于粮性质很稳定，难以解吸。这种水称为胶状结合水，简称结合水。自由水也称游离水，是通过物理吸附作用凝聚在粮食颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分；粮粒是具有生理作用的物质，水分子可以通过毛细管的呼吸作用进入粮粒内部。在毛细管内壁凝聚一层水分子，并层层吸附，形成多层分子，有的水分子还进入粮粒分子的间隙。靠分子间的作用力而吸附的这部分水称为游离水。游离水与粮粒结合得不牢固，其含量是不稳定的，随环境湿度的变化而变化，在粮食密闭的情况下，由于粮粒的呼吸机能作用，将与环境的湿度达到相应平衡。如果环境湿度降低，则粮粒内部的游离水分逸出，呈现散湿；如果环境湿度升高，则呈现吸湿，粮食的水分增加。所谓粮食的含水量应是结合水与游离水之和。由于结合水与粮食内亲水物质结合很牢固，不随环境湿度的变化而变化。因而平时检测指示的水分指的是游离水。游离水具有水的一般性质，对粮食储藏与加工等有着重要的影响。粮食含有适当的水分是粮食维持生命和保持其固有的色、气、味以及种用品质和食用品质所必需的。这种情况在储藏中也常称为临界水。如果粮食中的水分

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第一章 绪论

超过了临界水，将会促进粮食呼吸作用旺盛，消耗干物质，产生自热，给霉茵、细菌等微生物和储粮害虫的生殖提供了条件，从而影响粮食储藏与加工的品质，甚至会导致发霉劣变，造成严重的经济损失。 1.3.2 粮食介电特性分析

粮食是由淀粉、蛋白质、脂肪等高分子有机化合物以及水分和少量矿物质组成的混合物，不同品种的粮粒内部存在着不同结构、不同性质的基因，因此粮食的介电特性是各种物质结构与成分的综合反映。

结合水不参加导电，但电特性分析它仍保持强极性分子的介电特性。 游离水具有普通水的性质，能导电。

从电磁理论分析，粮食的介电特性应是由粮食的各种成分、分子结构的电性所共同决定的，但大量实验测量表明，失去游离水分的干燥粮食，相对介电常数很小，这表明尽管淀粉、蛋白质等是有极分子，但它们表现的极性很弱。而水的相对介电常数高达81。显然影响粮食介电特性的主要因素是粮食中的游离水分。这就为通过对介电特性的测定而确定粮食含水量提供了理论根据。但真正实现准确的测量，需要认真分析影响介电特性的多变因素。

1.4 粮食水分测量方法列举

目前，粮食水分检验有许多种方法，但归结起来不外乎直接法和间接法两种。直接法是通过干燥或化学反应后直接测出粮食的绝对含水量。采用此法测量的精度一般较高，但检测时间较长．费用较大，不适宜在线测水；间接法是通过测量与粮食水分相关的物理量(如电导率、介电常数等)变化规律来测出粮食中水分含量。在线粮食水分测量除要求保证测量精度、满足测量的实时性外，还要重视测量数据的可重复性、测量信息的保真性、以及测量与测量数据处理的智能化程度。粮食水分的测量方法主要有电阻法、电容法、微波法、中子法、核磁共振法以及红外线法、声学方法等。 1.4.1 电阻法在线测量粮食水分

亦称电导法。是利用粮食物料中含水量不同，其导电率不同的原理测量粮食水分的方法。电阻法有两种应用形式，即直流电阻法和交流阻抗法。传统意义上的电阻法即为直流电阻法，直流电阻法测量装置结构简单、价格便宜。但其受被测粮食的状态影响极大，且不宜用于测量微量水和高含水粮食。应用中，颗粒过大或粮食较干燥均影响测量精度。所以，直流电阻法测量水分时需对被测粮食颗粒破碎取样。如不破碎，一则所测信息只反映表面水分；二则因干燥

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第一章 绪论

粮食的电阻高，所得检测信号弱，受干扰影响大—— 测量信号的信噪比小，易于失真。干燥粮食一般为绝缘体，其直流电阻很大，如稻谷电阻为106M?/cm3数量级，而水的电阻为10M?/cm3数量级。被测样本的含水量越高，电阻越小。将破碎后的试样置于取样器的两测量电极之间，对电极施加恒定压力，其电阻Rx 与水分M的关系即测量的数学模型为：

M?K1?K2lnRx (1.1)

式中K1、K2为常数。

测量电阻值还与粮食温度、品种、密实度和电极间距离有关。温度升高、极间距变小、密实性加强都使得电阻变小。

基于直流电阻法测量原理，为改善测量信号的传输和抗干扰性能，一种创新的电阻测量方法是通过电路设计将测量输出的电阻信号转化为频率信号，通过测频测周方法来测量粮食含水量；另一种正在发展中的方法是通过测量RC回路中时间常数的方法来间接获取粮食水分值。

与直流电阻法不同，高频阻抗法是一种新型的粮食水分测量方法。如上所述，粮食的直流电阻很大，使得测量电阻信号很弱，影响测量精度。研究发现，在150～350KHz的交流电场激励下，粮食呈现导电浴盆效应，即存在粮食水分的敏感频带，施加这一粮食水分敏感频带的激励信号，可以实现粮食水分的快速检测。对被测粮食施加水分敏感频带的外加交变电场，粮食水分与其交流阻抗呈对数关系：

M?k1?k2lnZx (1.2)

式中，k1、k2为常数。阻抗的变化也同样还与粮食温度、品种、密实度和电极间距有关。粮食阻抗具有负温度系数特性。但由于粮食在敏感频带的交流阻抗较小，检测信号相对较大，误差因素的影响也相对较小。交流阻抗法不受被测品种的限制，测量时间1～2 s。但要比照烘干失重法对测量品种进行标定。 1.4.2 电容法在线测量粮食水分

电容法根据不同含水量的粮食，其介电常数不同的原理来检测粮食水分。优点是结构相对简单、价格便宜。缺点是受温度影响大，且无法在线检测高水分冷冻粮食如玉米的水分。国内该类检测仪多为在线取样测量而非在线直接测量。电容法测量水分根据传感器结构形式不同分两种类型，即量筒或量杯取样传感器和平板式电容传感器。设在量筒或量杯取样传感器中粮食的装料高度

h，介电常数为?x，则电容：

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第一章 绪论

Cx?C0?Kch??x??0? (1.3) blna式中，C0，Kc为常数，?0为空气介电常数，a为内圆筒外半径，b为外圆筒内半径。

式(1.3)表明，容量的变化正比于被测样品介电常数的变化。但介电常数的变化与水分含量M的变化并非线性关系，即电容量与水分含量的关系为非线性。另一方面，电容量也受温度变化的影响，温度升高，Cx变大。因此，在电容法测量水分中，非线性补偿和温度补偿十分重要。

与上述同心圆柱式不同，平板电容器较少受外界干扰，设两平板间距为d，高为H，宽为b，平板电容器测量电容：

?bHCx?x (1.4)

d设待测粮食中干物质和水分在电容中的等效高度分别为H0，H1，相应的等效电容分别为C0及C1 ，则总电容：

Cx?C0?C1?H1?Hb?H0???1?0? (1.5) d?HH?式中，?x，?0，?1分别为待测粮食、粮食中干物质、水分的介电常数。

记待测粮食的水分(含水率，以重量计)为?，记干物质密度为?，已知水的密度为1。得

Cx?Hb?H0???????? (1.6) ?01?????d?H???1????介电常数是随温度变化的，水的介电常数由此H0随粮粒大小及在电容中的充实度而变，在表观上表现为粮食的容重不同。因此，在模型中可进一步引人密度和温度的修正关系。除了对能形式化和参数化的影响因素，在建立水分测量模型时进行合并关联外，通行的方法是将温度影响用热敏元件硬件补偿，或通过软件修正；密实度通过机械恒压装置解决。同时看到，粮食品种对测量精度的影响之消除至今尚无良方。 1.4.3 微波吸收法在线测量粮食水分

微波为300 MHz～300 GHz间的电磁波，是无线电波中波长最短的部分。微波测量法是利用水对微波能量的吸收和微波空腔谐振频率、相位等参数随水分变化的原理进行水分测量的。微波水分测量优点：灵敏度高，速度快，安全，

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第一章 绪论

不损物料，价格适中，可在线连续测量，测量信号易于联机数字化、可视化，在线测量的取样器装料要求低，所测结果为体积总体水而有代表性，比表面测量技术要优越多。缺点：检测下限不够低。如谐振腔端口阻抗匹配不良，易引起驻波干扰。测量值与物料成分有关，不同品种需单独标定。近年来，全固态高可靠性微波功率源、10 GHz专门波段的使用以及比对参数测量技术应用，有效地消除了物料密度、成分、形状等的影响，使微波水分测量技术广泛应用于粮食、纸张、原油、棉纱等各种对象的水分测量中。一般来说，低浓度水分测量选用微波透射技术，高浓度水分测量选用微波反射技术。粮食水分测量中多用透射法，通过计量透过物料后微波能量的衰减达到测量目的。微波透射法水分测量装置由微波功率发生器、可变或固定衰减器、隔离器、微波传输波导、微波发射器和接收器、检波和选频放大器、微波功率计等部件组成。所用微波波段为S波段(1～2 GHz)或 X波段(9—10 GHz)。S波段微波穿透性强，较适合大尺寸物料。X波段微波穿透率较弱，但对物料成分不敏感，用得最广。

粮食中水的介电特性比其中干物质的介电特性值高很多，且水对微波特别敏感。这里所谓介电特性指介电常数和损耗因子，分别是相对复介电

?r??r??j?r??的实部和虚部。水的相对介电常数高达80，而粮食在干燥状态下为2～5，水在超高频范围内存在介电损耗的最大值。利用超高频能量通过含水粮食产生能量损耗、相移或发射波参数的变化可以换算出粮食水分值。根据电磁能量关系，超高频能量在含水物质中的衰减量W(dB)为：

W?8.686?BM??kt?|?|?|?|e?2?Btcos2Bt (1.7)

式中，M为相对水分含量；??为密度因素；k为材质因素；|?|为空气一被测物之间反射系数的模；?B为水的衰减系数；t为被测物厚度；B为含水物质的相数。

当t足够大时，得到近似的被测物的相对水分含量

M?W?|?| (1.8)

8.686?B??kt式(1.8)示出，??及k是与被测物料的材质有关的。粮食种类很多，且成分各不相同，测量的影响因素较多。、

要消除密度变化的影响，需对微波在试样中传播的衰减和相位移同时测量——所谓的“双参量技术”，这种方法可以实现“密度不相关”测量。

研究表明 ，频率为9.4GHz的平面波通过厚度为t、疏密度为?的粮食层而传播，测得的波的衰减为A，相位移为?。结果表明：两个波参量(A和?)

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第一章 绪论

和粮食含水量之间大体上呈线性关系。而且，当单位厚度的A和?除以相应于每一含水率的物料的疏密度时，这些参量和含水量M的关系仍然是线性的，由两个线性关系模型获得

M??dA?b??/?a??cA? (1.9)

式中a，b，c，d均为特定谷物的回归系数。式(1.9)即为与物料堆密度不相关的水分测量模型。

对于取样为单粒粮食的水分测量，尤对形状不规则的谷物颗粒(如玉米)，要得到颗粒含水量与其大小和形状不相关的关系，则需在互为90°角的两个位置上对微波谐振腔内有无物料两种情况下的频率偏移?F和传输系数变化?T作两次测量。通过频率偏移?F和传输系数变化?T与颗粒介电特性的关系导出谷物颗粒含水量。

1.4.4 中子法在线测量粮食水分

中子法测量水分的原理是利用射线源放射的高速中子与被测粮食水分中的氢碰撞而减速，用监测器测出减速的中子数量就可以测量粮食水分。按检测原理分类，包括中子减速扩散法、中子减速透射法、中子衰减法和中子散射法。按检测器装置构造分类，包括固定式、手提式和取样式，用于粮食水分在线测量装置应取固定式。中子法测量水分的线性度高，不用取样，不破坏被测物自然结构，在不影响物料正常运动下实现非接触连续在线测量。缺点为：氢的散射特性不稳定，理论尚未完善。需人工标定，精度受密度、测量体的影响大，使用时需作生物防护。作为测量的核心关键部件是快中子源和慢中子检测器。水分子中的氢原子决定了快中子的慢化速度。中子质量与氢原子核的质量相当，而一般物料中的其他元素原子核的质量比中子质量大。一个快中子碰上一个重元素的原子核，产生弹性散射，根据弹性碰撞理论，能量基本上不消失。而中子碰上氢原子核产生弹性散射，平均要把一半能量交与氢核，所以当快中子在含氢核的介质中经过几次碰撞就可以被减速为慢中子。快中子束穿过物料，被物料中H原子核衰减减速，因此穿过物料后传感器测到的慢中子(即被减速后的中子)密度或快中子密度(即中子束透射率)即为物料中日原子浓度(即其含水量)的函数

ln?1/T??A?m?B?ln?

(1.10)

式中，T为透射率，且T=I／Io，即透过物料后、前的中子束强度之比；A、B、

?均为常数；m为水分浓度。

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第一章 绪论

以中子减速传感器为核心的实用中子水分仪，由快中子源、探头和计数器三部分组成。快中子源通常用封人密闭容器内的Am—Be，计数器由线性放大器、脉高选择器、低压高压电源、单通分析器、源衰减补偿器以及其他计算电路组成，检测探头，即中子减速水分传感器的功能是在线检测穿过物料后的中子束的快、慢中子数，可用BF3正比计数管、电晕放电慢中子计数管、3He气体正比计数管和6Li锂玻璃闪烁计数管等。

中子法实质上测出的是物料中氢原子浓度。故测算的水分为体积百分含量，换算成重量百分率需除以密度。其检测精度与物料水分浓度有一均匀梯度关系，与物料温度关系不大，但与物料堆密度有关。

中子减速传感器可在很广泛范围内测量物料水分，可以检测众多物料水分，也可以安装在物料传送管道、运送带、料斗上测量工艺过程中物料的水分。 1.4.5 红外线法在线测量粮食水分

波长在0.72～1000?F范围的射线为红外线。利用近红外线具有的吸收特性，被吸收的能量与所测物质的含水量有关的原理来测量水分的方法即为红外线法。红外法测水具有快速准确、非接触无损伤地连续测量的特点。但该方法属于表面测量技术，难以反应整个物料的体积水分(内部水分)，测量精度受粮食形状、大小、密度的影响。

选择波长为1.64?m或1.94?m(均为水分吸收峰值波长)单色光作红外辐射源，根据比尔——朗伯定理，红外线通过水分时被有选择地吸收，通过被测样品后光强

I?I0e?ktM (1.11)

式中，I0为投射出的光强，k为吸收系数，t为被测物厚度。写成

M?1I0ln (1.12) ktII0为显线性。但由于红外线照射到被测样I品是无规则散射，除水分外，被测物的杂质对红外线也会吸收和散射，而且随被测样品成分的变化，光能的损失也不同。为减少误差影响因素，通常采用参比技术，即双波长法、三波长法、四波长法。

理论上，若k，t为定值，则M与ln一般用最易被水分吸收的波长为1.94?m的红外射线作为测量波长，同时用几乎不被水分吸收的1.81?m波长作为参比。由上述两种波长的滤光片对红外光轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量吸收的比值，便可判断含水量。

红外测量仪的光学结构有反射式、透射式和反射——透射联合式三种。反

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第一章 绪论

射式同侧安装发射接收系统，可根据特定的红外反射谱来测定粮食水分。透射式的发射和接收系统分别位于被测物的两侧，安装精度要求较高，主要用于测量薄而透光的物质。粮食透光性较差，必须用前者。

红外反射式传感器组成包括红外光源（常用碘灯）、透镜、反射镜、调制盘、红外探测器等。测量范围0.02%~100%水，测量精度±0.5%~±1.0% 。应用面甚广。

1.4.6 其他在线粮食水分测量方法

除上述方法外，另有基于电阻和电容方法的介电损失角方法与复阻抗分离法、基于氢原子能量吸收的核磁共振方法以及声学方法等。

1.介电损失角方法与复阻抗分离电容法

当电容传感器充满谷物介质时，它的电特性不单纯受电容影响，而且还受电阻的影响。当在其两极间施加交流激励信号，其阻抗包括容抗和阻抗。在理想情况下，即传感器由纯电容组成时，IU和U相位差为90°，但当有介质电阻存在时，IU和U相位差不再为90°，而有一个偏离?角称为介电损失角。谷物含水率不同，介电损失角不同，并且呈单值分段线性关系。介电损失角方法是经济实用的水分测量方法之一，测量精度较高，最大测量误差小于1% ，尤为重要的是在测量高水分时仍能获得较好的精度和重复性。复阻抗分离电容法从另一途径解决容抗和阻抗的共生问题—— 通过复阻抗分离电路的设计，有效消除电阻参量的影响，而只保留电容参量的变化。

2.核磁共振法

核磁共振法是粮油产品理化性质测定的一种普适性方法，可测定固体／液体含油、含脂，测定果中含核，测定瓜果熟度。优点是检测迅速，精度高，无破坏，测量范围宽。核磁共振法测量原理为：某些原子核和电子一样有自旋现象，故亦有核磁矩。氢原子质量数为奇数，其自旋量子数为1/2，据量子力学原理，其在磁场中一面自旋，一面取一定角度?绕磁场作圆锥形转动，即所谓的拉摩尔进动。氢原子核对外磁场只有两种取向(两个?角)绕磁场转动，如果磁场磁力线向氢核提供的能量正好等于氢核磁矩从一个位相角变到另一位相角所需的能量，氢核就能吸收这部分能量而改变其进动状态，即产生了核磁共振吸收信号。由于存在于固相中的水分子(氢原子)比液相中的在核磁共振波谱图上的吸收峰要宽，就使得检测含氢固体物料中的含氢液体(如水)成为可能。

核磁共振(NMR)仪由传感器和波谱仪两部分组成。波谱仪包括射频信号发生器及信号放大、显示装置等部件。而NMR传感器则由磁铁和探头组成。磁

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第一章 绪论

铁产生场强恒定的磁场，探头位于磁极间以检测核磁共振信号。被测物料从中间非金属试样管中通过，射频振荡源产生一射频电磁波送到发射线圈，音频振荡器产生一调制频率送入调制线圈，两者同时辐射到试样上，调制出一系列共振谐波；共振信号由接收线圈接收，经检波放大后显示，并按该被测物料的校正曲线换算成物料中的H质子数(水分含量)。NMR传感器的测水范围0.05%~100%，其测量高浓度水分时的精度优于0.5%。为使测量正确，需使物料中氢原子有较长的弛豫时间，从而使其在磁场中能完全定位。NMR传感器的测量结果与物料流量、堆密度、温度有关。应尽量保持物料流动及其堆密度的均匀性，而温度用测温电路补偿。进一步，NMR传感器还可测定物料所含水分的型态。

3.声学法

粮食籽粒的弹性和振动特性取决于粮食水分含量，粮食籽粒碰撞物体表面而产生振动，发出声音。不同水分的谷物在流动过程中碰撞物体表面时所产生的声压不同，通过测量谷物在流动过程中碰撞物体表面时所生产的声压来测定粮食水分含量。声学法测量精度高，测量重复性好，能实现在线测量。

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第二章 总体方案设计

第二章 总体方案设计

在查阅大量资料的基础上，确定课题设计的测量系统包括各个测量信号的产生、数据存储、单片机控制、串行通信、显示等方面，比较其优缺点，决定采用电容式传感器测量水分方法进行设计。

粮食在干燥中的在线测量中有两种方案：第一种是干燥过程中进行取样测量，第二种是干燥过程中直接测量。

方案一：

粮食物料在流水线上被采样器自动取样，并送至检测仪入口，经均料机构对样品均料样后进入均样筒中，借重力作用自流进入测试区。有电容传感器将采集的信号经转换电路送入单片机系统，在单片机中进行数据分析和综合处理，最后对照函数曲线图货对照关系表即数据库，测量出粮食的水分值后，分别显示数据或打印输出。

方案二：

不经过采样，直接在线测量。

两种方案的比较：方案一附加了采样器，受温度，重量等影响小，测量的更加精确，并且可用微小电容传感器进行测量，后续电路选用灵活，比如选用差频式电容测量电路。但是设备稍微复杂。方案二直接在线测量，不加采样器，是通过后续单片机数码显示相关模拟量数值，工作人员通过采样数值拟合曲线进行测量，虽然电容值要比方案一的要大，并且受温度、重量等因素影响较大，但是通过非线性补偿等措施可减小误差，同时设备简单，提高效率。

综合考虑，选用方案二。

本系统如方框图所示主要包括：单片机控制模块（用AT89C52单片机作为控制核心）、粮食干燥塔出入口粮食水分在线检测传感器模块、温度信号采集模块、电容电压转换电路模块、模数转换模块、LED显示、键盘模块等。

测量时需在干燥塔入口处放置水分检测传感器1，在出口处放置水分检测传感器2，两个水分检测传感器均采用同芯柱型结构。粮食以一定的速度通过传感器时，其含水量可以通过测量圆筒内外壁之间电容的变化量，并采用信号的线性化处理与湿度补偿等措施，最终实现粮食水分的在线检测。

此方案具有结构简单、功能齐全、精确度及安全性好、便于控制等优点，比较适合粮食干燥塔环境的要求。

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第二章 总体方案设计

图2.1 粮食水分在线测量系统方框图

温度传感器 水分检测传感器 电容电压转换电路 A/D转换器 AT 89 C52单片机 LED显示 键盘 PC机

各部分功能说明如下：

水分检测传感器：粮食通过传感器，由于粮食中水分含量不同导致介电常数不同，水分在线传感器将介电常数的变化转换成电容大小的变化，从而反映粮食的水分。

电容电压转换电路：通过水分检测传感器得到的电容大小的变化，经过电容电压转换电路，得到电容与输出电压的关系，进而得到粮食水分与输出电压大小的关系。

A/D转换器：经电容电压转换电路输出的电压值是模拟量，必须经过模数转换电路转换成数字信号才能送入单片机系统进行数据处理。

单片机：对数据进行存储和处理。

键盘模块：对单片机进行操作，控制程序的执行。

LED显示：对测得的输出电压和温度进行显示，工作人员进行数据采集与处理，通过比对相关表格数据关系，得出水分含量。

PC机：和单片机进行通信，借助PC机对数据进行处理，拟合各模拟量的关系。

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

在本章中主要通过对电容式粮食水分检测原理的介绍，分析常用的电容检测方法。给出了电容式粮食水分检测系统的硬件结构设计

3.1 粮食水分在线测量传感器设计

电容式粮食水分仪采用圆柱形容器作为传感器，与采用平板式容器作为传感器相比测量值受边缘效应影响小，操作也较方便。其结构原理如图3.1所示.

2R2 2R1 介质空腔

L 内极板

外极板

R2 R1

图3.1 同心柱形电容式传感结构

图3.1中：

R1——传感器内筒外径； R2——传感器内筒内径； L——传感器放入介质的高度； 3.1.1 电容式传感器结构设计

为了实现粮食干燥在线实时控制，本课题在干燥塔的出口和入口同时放置传

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

感器，实现双传感器提取信号，便于数值比对。

传感器均采用圆柱型结构，圆柱体内芯为柱状绝缘实体，与圆柱外壁间形成电容传感器的双电极，圆柱体底部与外壁间留有一定间隙，以保证粮食的流动并充满圆柱体。采用圆柱形容器作为传感器与采用平板式容器作为传感器相比测量值受边缘效应影响小，操作也较方便。

因为各种介质的介电常数不同，若在两个电极间充以空气以外的其他介质，使介电常数相应变化时，电容量也随之改变。

为了保证水分测量的精度，被测介质放入(流入)传感器内时应保证一致性，有规律流入传感器。同时，在传感器设计过程中，由于温度变化对湿度变化进而对电容变化的影响，而水分变化与电容变化呈非线性关系，因此，设计时应该考虑非线性补偿和温度补偿问题。这是该课题研究的主要技术难点内容之一。因此，圆柱体外壁直径、绝缘实体高度与直径、圆柱体底部与外壁间隙值、以及电容信号的引出方式均应在建立数学模型的基础上，通过科学计算与实验验证相结合得出。

当粮食积聚在圆柱型传感器内时，根据粮食含水量的不同，传感器的电容值不同，输出信号也不同，经过信号转换和处理，完成粮食湿度的测量。

柱形电容器由两个同芯金属圆柱面作为电极组成。两电极高为L，内电极半径为R1，外电极半径为R2。当L>>R2-R1是，可忽略圆柱的边缘效应。 设电容器两极板各带电荷+q和-q时，若忽略边缘效应，电荷均匀分布在内

q外两圆柱面上，圆柱每单位长度所带电荷的绝对值为?（??），由于两圆柱面

L间的电场具有轴对称性，故两圆柱间离开圆柱轴线距离为s处的电场强度的大小为：

E?? 2??0s两极板间的电势差为：

?U?U1?U2??Eds??R1R2R2R1RR??qds?ln2?ln2 2??0s2??0R12??0LR1由电容器电容的定义可求得柱型电容器的电容为：

C?2??0Lq?

RU1?U2ln2R1当放入介电常数为?的物质时相对介电常数为?r，有：?r?? ?0 - 15 -

第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

则电容为：

C??rC0

放入介质后的电容：

C?2?L?r?0 R1lnR2把?0?1?12?8.85?10(F/m)代入上式，电容的计算公式为： 936??10C??rLR1.8ln2R1

对于水分含量为M的粮食，其对应的相对节电常数为?r，当粮食水分含量发生变化（M??M）时，其相对介电常数亦相应变化为?r???r，由此而引起的电容变化为：

C??C?2?L?r?0???r1?R2??r?lnR1?? ?即：

?C??r ?C?r?C??与粮食相对介电常数的相对变化r之间呈线性C?r所以，电容值相对变化

关系。可以通过测量电容值得变化球的粮食介电常数的变化。介电常数?随被测

介质水分变化而变化，通过测量传感器输出电容C的变化间接得到介质水分含量。

3.1.2 电容式水分传感器的构成及结构优化

传感器采用同心柱型电容器，由两个同心金属圆柱筒面组成,具体形状截面图如图3.1。这种形状的传感器便于粮食颗粒状物的装入,而且采用同心柱型传感器可减小边缘效应对电容值的影响。两柱面高为 L,内圆柱外表面半径为R1,外圆柱内表面半径为R2。当L>>R2-R1 时,可忽略圆柱两端的边缘效应影响。

2??L同心柱型电容式传感器的计算公式为 C?

R2lnR1其中式中C为电容值；?为介质介电常数；L为电容柱面高;R2为电容外极板半径；R1为电容内极板半径装入粮食前后电容的变化量为(?? 为传感器未装

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

粮食前的介电常数)

L=2?（???0）R2lnR1R2 =K?(???0)

R2lnR1?C?C?C0取极板的长度远大于R2与R1的差,即L=KR2,K为大于1的常数,则可按变化量ΔC最大来确定R1和R2的比例关系,求ΔC的一阶导数,令

??c?0 ?R2??R2?R2则??C??=K?(???0)?lnR1??得lnR2?1?0 R11?R1??0 R2??R1?满足上式的条件为R2=eR1。按照R2 = eR1(e为自然对数底数)关系制做电容器,可保证放入样品前后有最大的电容变化量,这意味着提高了传感器的灵敏度,有益于后续电路的设计。

电容式传感器采用同芯柱型传感器，这种传感器如果柱高远大于两极板间距时边缘效应较小，而且该传感器的形状适合粒状物的水分检测。本次设计采用的水分检测传感器结构为R2=260mm,R1=105mm,L=400mm，用厚度为0.5mm的紫铜作为传感器的材质。在外极板外面加装了金属屏蔽罩极板与检测电路连线较短,且连线外加屏蔽线，这样，减小了外界寄生电压的干扰。

3.2 电容检测电路设计

3.2.1 几种常用电容式水分测量电路的比较

传统的电容传感器以两个电极的结构为主，它具有电容量小(一般为几个pF到几百个pF)、有良好的动态特性、可进行非接触式测量等特点。

目前用于检测小电容的方法主要有以下几种: ① 运算放大电路

运算放大器电路如图3.2，把被测电容CX放在运算放大器的负反馈支路上，当运算放大器的输入阻抗Rir1和放大倍数很大时，有下式成立:

V0??CxVi C0其中Vi为激励信号，V0为输出信号，C0为固定电容，Cx为被测电容。

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

.CO7CX2U16Vi3RinVo4.

图3.2运算放大器电路

放大式测量电路具有好的线性和高抗干扰能力、精度高，适于自动、在线测量。但电路要求电压稳定、固定电容C0稳定，并且输入阻抗足够大。测量范围受固定电容C0和放大器放大倍数限制。 ② 谐振电路

如图3.3所示，电容传感器的电容Cx作为谐振回路（L2、C2、Cx）的一部分，谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器中取得震荡电压，当Cx发生变化时，谐振回路的阻抗发生相应的变化，经整流和放大后，取得相应的电压变化。谐振式电路的特点是灵敏度高，但工作点不容易选择好，易受电缆的杂散电容的影响。

.

振荡器 L1L2C1CxC2整流放大

图3.3 谐振电路方框图

.3.2.2 电容电压转换电路设计

电容信号相对其他传感器输出信号而言处理较为复杂,我们采用专用电容式信号转换电压输出接口集成电路。传感器输出的电容信号与一个标准的参考电容值相比较，其差值转换为二个积分器电压振幅的变化，该差分信号通过低通滤波器转换为直流电压信号,经高精度仪表运算放大器输出。其电路原理框图如图3.4

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

所示。 C1 C2

信号电压/电流积分器1 低通运算参考振荡图3.4 电容电压转换原理框图

其中C1为一个标准参考电容，C2为粮食水分的电容变化值。传感器的测定信号始终是带有误差的，但是通过适当的修正方法可以将测量误差限制在我们所希望的范围之内。借助微处理器，在建立数学模型的基础上，可以对测量信号进行数字化的修正和补偿。借助一个温度传感器提供相应的电压信号,可以完成多个温度定标点(依据实际情况设定) 的温度误差修正。利用这种精密可靠的数字化修正技术可以使测量达到一个较高的精度。本文采用德国AMG公司的电容式信号转换电压输出接口集成电路CAV414。用专用集成芯片代替传统的多个分立元件，大大提高了测试精度和产品可靠性，为后步电路信号采集和处理以及控制提供了有力保证。该集成电路在工业控制、距离检测、压力检测、湿度检测和物料(位)检测中均有应用。 1.CAV414的特点

1) 宽的工作电压范围：6~35V，参考电压源：5V 2) 宽的工作温度范围：-25℃~+85℃

3) 高的检测灵敏度：5%~100%的相对电容变化 4) 检测速度2kHz

5) 输出电压可调：0~5/10V或其他 6) 极性保护，最大输出电流限制 7) 通过两个电阻使输出电压可调 2.CAV414结构和功能

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

图3.5 CAV414的电路方框图

CAV414是一个多用途的处理电容式传感器信号的完整的转换接口集成电路，它同时具有信号采集(电容数值变化)、处理和电压输出的功能。CAV414能够检测一个被测电容和参考电容的差值。它可以检测从10pF到2nF的电容值，当然这是指与参考电容值的5%到100%的变化范围内的电容值。电压输出级是由一个高精度的仪表运算放大器和一个运算放大器组成。只需要很少几个外接元件就可以使CAV414成为多用途的电容式信号转换成电压输出接口电路。

表3.1 CAV414管脚图 引脚 符号 功能 引脚 符号 功能 1 RCOSC 基准振荡器电容电流调节电阻 9 VCC 电源电压6~35V 2 RCX1 10 GND 积分器1电容电流调节电阻 芯片地 3 RCX2 11 VREF 积分器2电容电流调节电阻 5V基准电压 4 RL 12 COSC 低通滤波器的增益调节电阻 基准振荡器电容 5 LPOUT 13 CL2 低通滤波器2角频率电容 低通滤波器输出 6 VM 14 CX2 2V基准电压 容性传感器可变电容 7 GAIN 15 CL1 低通滤波器1角频率电容 增益调节 8 VOUT 16 CX1 电压输出 容性传感器固定电容 3.CAV414的工作原理

它用一个通过电容COSC频率可调的参考振荡器驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间和位相上同步。参考电容CX1和可变电容CX2的值决定了二个积分器的振幅。由于每个积分器具有很高的共模抑制比和高的分辨率，所以二个积分器的振幅差就给出了电容CX1和CX2之间的差值。该差分信号(振幅电压差值)经过低通滤波器滤波，它的角频率和增益可以用几个外接的元件来调整。由低通滤波器输出的信号连接到一个仪表放大器和一个输出级。通过该二级将信号转换

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

成可调的电压输出。

其中电阻RCX1和RCX2是用作零点调整的。此时可变电容CX2的数值与参考电容CX1的值非常近，调整该两个电阻之一使电压VDIFF为零：

VDIFF?VLPOUT?VM → VDIFF?0

振荡器电容取值应尽量满足：

COSC?1.6CX1

电容CX1和CX2的取值可以超过范围，只是系统性能会下降，电气的极限数值会超出规定。同时应该注意流入集成电路的电流均为负，电阻和电容应该具有小的温度系数，电阻RCOSC、RCX1和RCX2应相互靠近，电容COSC、CX1、CX2也应相互靠近。

课题给定固定电容CX1：1000pF（其中传感器空载电容100pF）,传感器变化电容CX2：100~800pF，则根据公式计算得：COSC：1600pF，CL1：200nF，CL2：200nF。

如果信号VDIFF是放大的，他需要满足下式：VDIFF?400mV。

3.3 模数转换电路设计

因为AD7714是AD公司生产的24位艺∑—△串行模数转换器，主要应用于低频小信号的测量。与AD7710相比，AD7714在电源和数据接口方面作了较大改进，尤其是AD7714简单的三线数据接口，不仅简化了对器件的操作，而且减少了对系统资源的占用。AD7714是一个完整的用于低频测量应用场合的模拟前端，用于直接从传感器接收小信号并输出串行数字量。它使用∑—△转换技术实现高达24位精度的代码而不会丢失。输入信号加至位于模拟调制器前端的专用可编程增益放大器。调制器的输出经片内数字滤波器进行处理。数字滤波器的第一次陷波通过片内控制寄存器来编程，此寄存器可以调节滤波的截止时间和建立时间。AD7714有3个差分模拟输入(也可以是5个伪差分模拟输入)和一个差分基准输入。单电源工作(+3V或+5V)。因此，AD7714能够为含有多达5个通道的系统进行所有的信号调节和转换。AD7714很适合于灵敏的基于微控制器或DSP的系统，它的串行接口可进行3线操作，通过串行端口可用软件设置增益、信号极性和通道选择。AD7714具有自校准、系统和背景校准选择，也允许用户读写片内校准寄存器。CMOS结构保证了很低的功耗，省电模式使待机功耗减至15μW（典型值。

由于AD7714具有上述特点，所以，本课题在AD转换芯片选择中选择了该

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

芯片。

3.3.1 AD7714各引脚功能

引脚1 SCLK：串行时钟。逻辑输入端，外部串行时钟加至此端以存取来自AD7714的串行数据。

引脚2 MCLK IN：器件的主时钟信号。可以用晶振或外部时钟提供。器件规定的时钟输入频率为1MHz和2.4576MHz。

引脚3 MCLK OUT：配合MCLK IN使用，当器件的主时钟是晶振时，晶振跨接在MCLK IN和MCLK OUT引脚之间。

引脚4 POL：时钟极性，逻辑输入端。它决定了在与微控制器之间传送数据时，串行时钟应闲置为高电平还是低电平。POL为低，闲置为低，POL为高，闲置为高。

引脚5 SYNC：逻辑输入端，当使用多个AD7714时，它用于数字滤波器和模拟调制器的同步。一般单个使用时都接高电平。

引脚6 RESET：逻辑输入端，低电平有效输入，它把器件的控制逻辑、接口逻辑、数字滤波器以及模拟调制复位到上电状态。

引脚7(8) AINI(AIN2)：可编程模拟输入通道1(2)。与AIN6一起用时作为准差分输入端；与AIN2(AIN1)一起用时作为差分输入对的正(负)输入端。

引脚9(10) AIN3(AIN4)：可编程模拟输入通道3(4)。与AIN6一起用时作为准差分输入端；与AIN4(AIN3)一起用时作为差分输入对的正(负)输入端。

引脚11 STANDBY：把此引脚置为低电平将关断模拟和数字电路，电流消耗减至5mA(典型值)。

引脚12 AVDD：为模拟正电源电压。

引脚13 BUFFER：逻辑输入端。低电平时AVDD线中流过的电流减至270mA； 高电平时使输入端有较高的源阻抗。

引脚14 REFIN (-)：差分基准输入的负输入端，只要REFIN(+)大于REFIN(-)的条件下，则REFIN(-)可位于AVDD和AGND之间的任何值。

引脚15 REFIN(+)：差分基准输入的正输入端，在REFIN(+)必须大于REFIN(-) 的条件下，基准输入是差分的。REFIN(+)可位于AVDD和AGND之间的任何值。 引脚16 AIN5：可编程模拟输入通道5。与AIN6一起用时作为差分输入对的正输入端。

引脚17 AIN6：模拟输入通道6。它是准差分模式下AIN1到AIN4的基准点；与AIN5一起用时作为差分输入对的负输入端。

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

引脚18 AGND：模拟电路的地基准点。 引脚19 CS：片选逻辑输入端，低电平有效。

引脚20 DRDY：逻辑输出端。它是AD7714的数据寄存器有新的数字可供使用的标志。

引脚21 DOUT：AD7714的串行数据输出端。通过它输出片内寄存器信息以及模拟转换后的数据。

引脚22 DIN：AD7714的串行数据输入端。通过它将串行数据输入片内寄存器(数据寄存器除外)。

引脚23 DVDD：数字正电源电压。 引脚24 DGND：数字电路的地基准点。 3.3.2 AD7714性能特点

? 采用∑一△技术，最高可实现24位无误码输出，同时保证INL<0.0015（数据输出频率小于60Hz）；

? 具有前端增益可编程放大器，增益值在l~128内可选，内含可编程低通滤波器和可读写系统校准系数；

? 有5通道输入，可根据需要采用3路差分输入或4路伪差分输入； ? 低噪声，RMS噪声<150nV；

? 低功耗，典型电流值为226μA(省电模式仅为4μA)； ? 采用单3V供电(AD7714—3)或单5V供电(AD7714—5)方式。 3.3.3 AD7714片内寄存器及其功能

AD7714包含8个片内寄存器。对所有寄存器的读写操作首先都需要对通信寄存器进行写操作，写入通信寄存器的内容会等你够了下一次读写操作所使用的寄存器。通信寄存器的格式如下： 0/DRDY RS2 RS1 RS0 R/W CH2 CH1 CH0 在对通信寄存器进行写操作时，0/DRDY位必须为“0’’，若为“1”，则AD7714将处于等待状态直到该位被写入“0”。读取通信寄存器时，0/DRDY位表示数据是否转换好，和DRDY引脚上的信号一致。R/W位为“1”，表示下一次操作为读操作，为“0’’表示下一次操作为写操作。

RS2~RS0决定下一次读写操作所使用的寄存器。 CH2~CH0决定所进行操作的模拟输入通道。 模式寄存器

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

模式寄存器是8为可读写寄存器，其格式为： MD2 MD1 MD0 G2 G1 G0 B0 FSYNC MD2、 MD1、MD0用于期间工作模式的选择。 G2、G1、G0用于可编程增益放大器PGA的增益选择。

B0=“0”将断开耗尽电流，B0=“l”则使耗尽电流加在AIN(+)和AIN(-)之间，“0”为缺省值。FSYNC位用于控制滤波器同步，高电平时，将使滤波控制逻辑、器件校准控制逻辑和∑一△转换器挂起而处于复位状态；若FSYNC为低电平，滤波器和转换器将恢复对数据的处理，FSYNC的电平不影响AD7714的数据输入输出操作和DRDY信号。

滤波寄存器

滤波寄存器是两个可读写的8位寄存器。 滤波 高位寄存器格式为： B/U B/U WL WL BST BST ZERO FS11 FS10 FS10 FS9 FS9 FS8 FS8 A型 Y型 CLKDIS FS11 滤波器地位寄存器格式为： FS7 FS6 FS5 FS4 FS3 FS2 FS1 FS0 B/U置“0”时选择双极性操作方式，置“l”时选择单极性操作方式。WL位决定AD转换的位数，置“0”选择16位方式，置“1”选择24位方式。对于BST位，当fCLK=1MHz或fCLK=2.4576MHZ且增益在1~4之间时，此位为“0”，能减小从AVDD获取的拉电流(置“1”时器件也能工作)。在fCLK=2.4576MHz且增益在8~128之间时，该位只有置“1”才能保证器件正常工作。对A型AD7714，ZERO位必须为“0”。对Y型AD7714，CLKDIS位用于控制MCLK OUT引脚上的信号。在使用石英/陶瓷谐振器时，若该位置“l’’，AD7714时钟将停止并关闭AD转换。

AD7714片内数字滤波器是一个SinC3滤波器。FS11~FS10用于滤波器第一陷波点的选择，同时也决定AD数据的输出速率，因为AD7714的数据输出速率等于滤波器第一陷波点的频率。若N为FSll~FS10所表示的十进制数大小(非BCD码)，则第一陷波点频率等于(fCLK/128)/N。在选择FSll~FS10时，应保证其取值在19~4000之间。滤波器第一陷波点频率的选择将影响模数转换的有效数据，只有在该频率小于60Hz时，才能保证24位无误码。若取1kHz，则只能保证12位无误码。

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3.3.4 AD7714与单片机接口

以轮询的方式来确定，另外还可以以中断方式来实现。

第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

与AT89C52的典型接口电路和主要程序设计流程图如图3.6和3.7。

了第一种连接方式，并通过监视通信寄存器的DRDY位以确定数据寄存器何时

RXD（P3.0）与AD7714的DATAIN和DATAOUT进行数据传送，并利用AT89C52

的TXD自带的时钟信号提供给AD7714的SCLK；一种是用AT89C52的某一端

口位(如Pl.0)与AD7714的DATAIN和DATAOUT进行数据传送，对另一端口位

(如Pl.1)编程产生时钟信号以提供给AD7714的SCLK。本文设计如图3.6，给出

AD7714和AT89C52的接口可以通过两种方式实现，一种是用AT89C52的

有新数据，当然也可以用AT89C52的一个端口位与AD7714的DRDY引脚相连，

图3.6 AD7714与89C52的接口电路

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

写通信寄存器，选择同一 Y

图3.7 AD7714程序设计的主要流程图

通道和模式寄存器，下次写模式寄存器并选择校准模式 写通信寄存器，选择数据寄存器，下次操作读数据寄存器中的值 写通信寄存器，选择通道和滤波器高寄存器，下次写滤波器高寄存器 写通信寄存器，选择同一通道和滤波器低寄存器，下次写滤波器低寄存器 写通信寄存器，选择同一通道并决定下次操作是度通信寄存器的DRDY位 DRDY 位为 0 ？ N 3.4 温度传感器的设计

温度传感器是将温度的变化转换成电量变化的装置。温度传感器在所有传感器中应用最广泛，并且种类也最多。常用的温度传感器有热电偶型、热电势型、热敏电阻型、热电阻型以及最近发展起来的数字式集成温度传感器等。 本系统采用了Dallas公司的可直接输出数字量的DS18B20数字温度传感器，以简化处理电路。

3.4.1 DS18B20数字温度传感器工作方式

DS18B20为美国Dallas公司生产的单总线数字式温度传感器，由于具有结构简单，不需要外接电路，可用一根I/O数据线既供电又传输数据，可由用户设置温度报警界限等特点，近年来广泛用于粮库等需要测量和控制温度的场合。

(1) DS18B20的主要性能特点 测量范围： -55℃～+125℃。

精度：在-10℃～85℃范围内精度为±0.5℃。

温度转换时间：DS18B20的转换时间与设定的分辨率有关，当设定为9位时，最小转换时间为93.75ms；10位时为187.5ms；11位时为375ms；12位时为

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

750ms。

电源电压范围：在保证温度传感器转换精度为士0.5℃的情况下，电源电压范围可为+3.OV--+5.5V。

分辨率：分辨率由9-12位(包括1位符号位)数据在线编程决定。 (2) DS18B20数字温度传感器的工作方式。

DS18B20的供电方式有两种：一种是寄生电源；另一种为外电源供电。在程序设计中一般有四个步骤:初始化命令；传送ROM命令；传送RAM命令；数据交换命令。

DS18B20的使用是从初始化开始的，初始化的时序是由单片机先发出480～800?s的复位脉冲，在15～60?s后，DS18B20发出60～240?s的应答脉冲。

如果单片机检测到单总线上有器件存在，就可以发出传送ROM命令。传送RAM命令是当上述命令之一被成功执行后，单片机发出的控制命令，它用来访问被选中的器件的存储和控制部件。 3.4.2 DS18B20与单片机接口

DS18B20作为单总线器件，硬件结构已经相当简化，要控制它准确地进行工作，关键在于软件对其通讯协议的严格遵守。DS18B20与单片机的接口如图3.8。

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3.5.1 I2C总线简介

3.5 测量参数存储电路设计

方式利用口线模拟I2C总线方式。

第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

图3.8 DS18B20与89C52接口电路

参数应当能够修改和及时存储，所以在设计中使用了ATMEL公司生产的

进行数据交换。AT89C5X系统单片机不提供I2C总线接口，所以需要通过软件

E2PROM 24WC02用以存储测量参数。24WC02通过I2C总线的方式与单片机

I2C总线是一种串行的数据总线，挂在总线上的各集成电路模块(单片机和具

在系统设计中，考虑到针对不同的粮食品种，相应有不同的品种参数，这些

有各种功能的电路芯片)通过一条串行的数据线(SDA)和一条串行的时钟线

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

(SCL)，按一定的通讯协议进行寻址和信息的传输。在本次设计中，单片机作为主控器，24WC02作为被控器。

3.5.2 用AT89C52单片机模拟I2C总线工作方式

使用AT89C52单片机模拟I2C总线工作方式关键在于对时序的严格把握，I2C总线对时序有严格的要求，它是一双线串行总线，两根双向线中，一根是串行数据线(SDA )，另一根是串行时钟线(SCL)。总线和器件间的数据传送均由数据线完成。

每一个器件都有一个唯一的地址，以区别总线上的其它器件。总线上，每一次数据传送都是由主器件发送起始信号开始，发送停止信号结束。主器件然后送从器件的特征地址。对E2PROM而言器件地址的前四位是固定的“1010” 。接下来的三位标定器件的组合地址。以便知哪一个2k存贮器被选中，最后一位是读写位：“1”表示读命令，“0”表示写命令。当主器件送完起始控制命令后，地址与自己相符的从器件会产生一个应答位。进行读还是写操作，将由R/W位决定。

在I2C总线传输过程中，将两种特定的情况定义为开始和停止条件:当SCL保持“高”时，SDA由“高”变为“低”为开始条件;当SCL保持“高”且SDA由“低”变为“高”时为停止条件。开始和停止条件均由主控制器产生。 3.5.3 E2PROM存储芯片24WC02的工作方式

WP写保护：如果WP管脚连接到VCC，所有的内容都被写保护，只能读;当WP管脚连接到VSS或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。在实际使用中，发现有时WP悬空也会出现写保护的现象，所以建议接地后进行正常的读写操作。

24WC02有以下几种工作方式。

芯片寻址方式：单片机通过发送一个起始信号启动发送过程，然后发送它所要寻址的从器件的地址。在单片机发送起始信号和24WC02的地址字节后，24WC02监视总线，并当其地址与发送的从地址相符时响应一个应答信号。通过SDA线，24WC02再根据读写控制位R/W的状态进行读或写操作。

写操作方式：主要有字节写方式和页写方式。

在字节写模式下，单片机发送起始命令和从器件地址信息(R/W位置0)给从器件。单片机在收到从器件应答信号后，单片机发送1个8位字节地址写入24WC02的地址指针。单片机在收到24WC02的另一个应答信号后，再发送数据

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

到被寻址的存储单元。24WC02再次应答，并在单片机产生停止信号后开始内部数据的擦写，在内部擦写过程中，24WC02不再应答单片机的任何请求。

此外还有页写方式，在页写模式下，24WC02可一次写入16个字节数据。页写操作的启动和字节写一样，不同的是在于传送了字节数据后并不产生停止信号。

读操作方式:主要有随机地址读取、立即地址读取以及顺序地址读取。 随机读操作允许单片机对寄存器的任意字节进行读操作，单片机首先通过发送起始信号、24WC02地址和它想读取的字节数据的地址执行一个伪写操作。在24WC02应答之后，单片机重新发送起始信号和从器件地址，此时R/W位置1，24WC02响应并发送应答信号。然后输出所要求的一个8位字节数据，单片机不发送应答信号但产生一个停止信号。 3.5.4 24WC02与单片机接口

24WC02与单片机接口简单，硬件接口图如图3.9

图3.9 89C52与24WC02的接口

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第三章 粮食水分在线测量硬件系统设计

3.6 单片机系统与PC机的通讯

在设计中，作为可选方式之一，使用单片机将水分值、温度值实时送入计算机中进行显示处理。这样可以借助PC机强大的数据处理能力，在前期设计阶段对数据进行分析和曲线拟合，同时也可以作为日后定型产品的功能之一，与计算机相接后通过软件处理进行新的粮食品种曲线拟合并存储在单片机中。

单片机与PC通讯采用串行通讯方式，将单片机TXD和RXD的信号通过MAX232进行电平转换后送PC机串行口。具体转换电路如图3.10所示。单片机采用12MHz晶振，为保证通讯的可靠性，将波特率误差控制在4.5%以内，所以选择1200bps的波特率。电压值每150ms向主机发送一次，温度作为缓变信号，每1s向主机发送一次。

图3.7单片机与PC通讯接口电路

通讯协议的约定，在单片机与PC机通讯中，采用自约定的协议方式。将电压值作为一个数据包发送，约定格式为: ?AA?+U1+U2+U3+U4。其中， ?AA?为数据包识别用的前导字符，当上位机检测到?AA?后，就开始连续读取随后的四个数U1-U4作电压值。温度值作为单独的一个数据包发送，约定格式为:?BB?+Tl+T2+T3+T4。其中，?BB?为数据包的前导字符，当上位机检测到?BB?后，就开始连续取随后的Tl-T4作为测得的温度值。

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第四章 粮食水分在线测量软件系统设计

第四章 粮食水分在线测量软件系统设计

软件设计包括单片机系统软件设计和上位机系统软件设计两个部分。

4.1 单片机系统软件设计

4.1.1 主程序

主程序流程图如图4.1所示。

数据送 PC? Y N N

图4.1主程序流程图

关机键按下？ 调用串行通信程序 结果送LED显示 温度值测量 数据处理：计算水分值 LED显示点状态 初始化 延时1秒 开始 N 测量键按下？ Y 电容-电压值测量 Y 结束 系统主程序主要包括初始化管理、显示管理、通讯中断服务程序管理和数据

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第四章 粮食水分在线测量软件系统设计

处理等几个部分。

初始化管理主要对单片机89C52内部特殊功能寄存器及24WC02进行初始化状态设定、对拟合曲线系数、温度补偿系数进行初始化。

在系统上电之初，电路处于不稳定状态，另外24WC02要求在写入和读出前有10ms的延时时间，所以在初始化后进行1s延时，以保证电路稳定。

系统中的LED显示采用动态显示的方法，每隔10ms进行一次扫描，在系统初始化后显示“点”状态。随后进行按键检测，为减少操作的复杂性，键盘接口相对简单，采用独立按键形式，三个按键(键名分别为“测量”、“送PC”、“结束”)分别接在89C52的P2.0、P2.1、P2.2上。 4.1.2 电容值测量程序设计

在粮食干燥塔出入口处通过电容传感器测量，经过转换，数值放在50H中。 4.1.3 温度测量程序设计

温度测量主要是对DS18B20的转换控制，在时序上进行严格控制。温度测量主程序流程图如图4.2。

在温度测量主程序之下包括三个子程序:初始化DS18B20子程序;读DS18B20子程序，从DS18B20中读出两个字节的温度数据，低位存入36H(TEMPER L)，高位存入35H(TEMPER＿H);写DS18B20子程序。

在每一次测量时，先进行初始化然后检测器件是否挂在总线上(也即器件是否可用)，如果不存在，则重复检测。如果不进行这一步判断，极有可能由于器件的损坏而造成系统死机。发出SKIP ROM命令及温度转换和读取命令后，完成一次温度测量。

初始化程序流程图如图4.3所示。由单片机在DQ上给出先高后低再高的信号后，延时96?s以等待器件将DQ线拉低，如果DQ没有被拉低则表明器件不存在或者己损坏，如果DQ被拉低，则单片机延时200?s后主动将DQ置位。

读DS18B20子程序流程图如图4.4所示。在进入子程序后，先对所读字节数、所读位数以及读入后存放的地址进行设置。然后给出一系列应答信号，将DQ上出现的位数据通过RRC A指令传递到A寄存器中，根据是高位还是低位存入相应的地址。

写DS18B20子程序流程图如图4.5所示。欲写的数据存放在寄存器A中，在单片机向DQ发出相应的应答信号后，逐位循环右移向DQ上写位数据，完成后置位DQ表示一个字节数据写完成。

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第四章 粮食水分在线测量软件系统设计

入口 DQ置位 初始化DS18B20 N

DS18B20存在？ Y 延时程序 向DS18B20写控制字CCH，调用DS18B20子程序 向 DS18B20 写控制字 44H ，发温度转换命令，调用DS18B20 子程序 延时程序 初始化DS18B20 N DS18B20存在？ Y 延时程序 向DS18B20写控制字CCH， 调用DS18B20子程序 向 DS18B20写控制字BEH，发温度转换命令，调用 DS18B20子程序 返回 图4.2温度测量主程序流程图

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入口 DQ置位 DQ复位 延时 DQ置位 延时96微妙，等待延时 DQ=0 ？ N Y FLAG1置0，表示器件不存在 FLAG1置1，表示器件存在 延时200微秒 DQ置位 返回 4.3 DS18B20初始化程序流程图

图第四章 粮食水分在线测量软件系统设计

入口 入口 置所写数据位数R2=8清标志C 初始化，置所读字节数R4=2， 置读后低位地址=36H 延时等待 DQ 上数据位出现 N DQ位存入C标志位 DQ复位 DQ置位 清C标志 DQ置位 置所读位数R2=8 复位DQ 带C标志左移寄存器A，将A中的数据逐位移向C 将C中数据送到DQ上 延时 置位DQ Y 带C 标志位右移A寄存器 置位DQ 返回 R2=0？ N Y A中数存为低位地址 将 地址数减1形成高位地址 R2=0？ N R4=0？ 返回 Y 图4.4读DS18B20子程序流程图 图4.5写DS18B20子程序流程图

4.1.4 E2PROM与单片机接口程序设计

E2PROM 24WC02采用I2C总线读取方式，在与单片机的接口程序设计中，主要是使用89C51的口线模拟I2C总线的工作方式，以完成对24WC02的读写操作。24WC02的读写程序主要包括读字节子程序( READBYTE )、写数据子程序(WRITE )、发送字节子程序( SENDBYTE )、起始位子程序(BSTAR )、停止位子程序(BSTOP)以及应答子程序(ACK)。

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