一種基于MCU的便攜式糧食水分檢測儀的設計

葉 飛，董玉德，楊先龍，金星馳

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥230009）

0 引 言

糧食問題是關乎國計民生的大事，糧食質量的好壞與每個人息息相關.由于呼吸作用，在糧食采購、儲存、運輸等過程中，水分的多少很大程度地影響著糧食的質量［1－3］.因此，糧食水分保持在一個合理的范圍內尤為重要.關于糧食水分的檢測，國內外開展的研究都比較早.糧食水分測量可以分為直接測量和間接測量.間接測量［4］中，電阻法和電容法由于其設計簡單，易于實現，測量結果較為準確而得到了廣泛的研究.但目前除以農學研究為主的高校及機構，其余學府及組織的研究大都停留在較為淺顯的表面，實際設計則更為稀少［5－7］.目前國內的LSK－1型、MY－1型、LSKC－4型等快速水分儀，以及日本 KETT研究所、美國Denver公司生產的水份儀，具有較大的市場份額.

本設計是基于ATMEGA128單片機的，利用平行板式電容傳感器及555多諧振蕩器構成系統的檢測電路，并利用軟件及手動調節的方式減小各種因素對測量結果的影響，并在此基礎上設計出符合要求的機殼結構.實驗結果表明，此設計能夠測量糧食13%～25%的水分值，測量結果準確，操作簡單，攜帶方便，適合批量生產.

1 硬件系統

1.1 整體結構設計

傳感器采用平行板式電容傳感器，整個系統的硬件部分包含濕度信號采集模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊、計算機串口通信模塊、電源模塊，整個系統的原理框圖如圖1所示，整機模型如圖2所示.

1.2 傳感器的設計

圖1 系統原理框圖

圖2 整機模型

設計采用平行板式電容器作為盛放糧食的容器和信號調理電路的組成部分.對于變極距型電容式傳感器，其靜態靈敏度為

因為Δδ／δ＜1，將式（1）展開成泰勒級數，得出

式中 δ為兩極板間的距離；ΔC為電容變化量；Δδ為極板間距的變化量；C0為電容初始值，kg是δ的函數，并隨著δ的變化而變化，減小δ會增大電容器的靈敏度［8］.為了提高電容器的靜態靈敏度，同時又保證盛放的糧食足夠多以檢測糧食的水分，設置兩極板間的間距δ＝40mm.為了減小電容器的邊緣效應，極板的長度應遠遠大于δ，同時考慮到電容器的體積，取極板長度L＝20cm，寬為5cm.為了進一步減小電容器的邊緣效應，在結構上增設等位環來消除邊緣效應.電容器極板采用溫度系數很小的紫銅，以此增加穩定性.

1.3 信號采集模塊設計

采用由555定時器構成的多諧振蕩器設計信號采集模塊，不需要外加觸發脈沖就能輸出一定頻率的矩形脈沖［9－10］，電路圖如圖3所示.通過傳感器電容值的改變，改變多諧振蕩器的振蕩頻率，其計算公式為

圖3 由555定時器構成的信號采集電路

ATmega128單片機內部集成有專門硬件電路構成的可編程定時計數器，定時器最基本的功能就是對脈沖信號進行計數，計數的過程由硬件控制，不需要MCU的干預，但MCU可以通過指令設置定時計數器的工作方式，以及根據定時計數器計數值或工作狀態做必要的處理和響應.在頻率測量方法上選擇測周法，即測量N個方波周期所花費的時間T，則N／T即為所測頻率值.利用ATmega128單片機所配定時器0與定時器2分別監控方波周期變量和累加時間變量，運用中斷與中斷嵌套及時計數方波周期個數N與時間T.系統定時器計數頻率設定為500kHz，計數個數N設置為250次.此時由計算可得，系統的總測量誤差為1／500kHz＝2μs，即測量250個方波周期后，總時間誤差僅為2μs.周期測量的絕對誤差為2μs／250，若考慮中斷響應時產生的影響，周期絕對誤差也僅為（2～5）／250μs.從測量誤差方面考慮，完全符合測量標準.

通過單片機的定時計數器測出矩形脈沖的頻率后，利用Matlab建立濕度的數學模型，得到濕度與頻率及其他影響因素的函數關系，以及糧食的水分值，將其送往12864液晶屏顯示.

2 數學模型建立

采用平行板式電容傳感器作為糧食水分的檢測器件，是利用電容器電容值即振蕩電路振蕩頻率的改變來間接得到糧食的濕度值.影響振蕩頻率的因素主要有糧食的濕度值、被測糧食的溫度以及樣品的緊實度.設計中，采用定容積法對糧食樣品進行檢測，這樣，樣品的緊實度因素可以用每次取樣的樣品質量取代.其影響程度可通過正交試驗的加權算法表示［11］，試驗完成得出影響程度K的因素從高到低依次為樣品濕度、溫度及質量.

以稻谷為谷物樣本，在溫度和稻谷濕度保持不變的前提下，采用定容積法對稻谷的濕度進行檢測時，稻谷間的緊實度很高，每次測量的質量偏差很小，由質量偏差所造成的頻率波動只在500～1 000Hz之間，故本設計暫時不考慮糧食質量這一因素.實驗中，將溫度固定在24℃，測定不同濕度的稻谷其濕度與振蕩頻率的關系，結果見表1.

表1 24℃時谷物濕度與頻率的測量數據

從表1數據可知，在溫度一定時，稻谷的濕度與頻率成遞減關系.利用Matlab對其進行濕度與頻率數據的函數擬合，可得出，利用四階擬合得出的曲線與所測數據有較強的一致性［12］.所得到的濕度Y與振蕩頻率F的函數為

糧食溫度也是影響測量結果的一個重要因素，設計中在電容傳感器內壁上安裝一個熱敏電阻，并將其與信號采集模塊中的555振蕩器連接，作為555電路的電阻之一R2.利用DS18B20實時檢測周圍環境的溫度.利用熱敏電阻對溫度的敏感，對溫度的影響進行一定程度的補償.通過實驗知道，當糧食溫度升高時，電容傳感器的電容值隨之變大，輸出波形的頻率降低，因此采用負溫度系數的熱敏電阻.在同一糧食濕度的前提下，利用公式f＝1／T＝1.43／（R1＋2R2）C計算頻率與電阻的關系，并以24℃為基準，得出頻率變化與電阻值變化之間的函數關系ΔF＝f（ΔR），然后將其從濕度與頻率的函數中剔除.即

得到修正后的函數關系式

為了使測量精度在惡劣的環境下保持穩定，針對其他不確定因素（如引線電容、寄生電容、外界干擾、傳感器時間長引起的腐蝕、變形等）的影響，設計時引入人工校正誤差項，通過人工干預，進一步減小測量誤差.具體實施方法是在顯示屏菜單界面的誤差項中利用按鍵進行誤差的調整.此種調整用于測量前，相當于校準工作，在正常情況下無需使用.

3 機殼結構設計

機殼的設計需要考慮的因素很多，包括機殼的整體形狀、各電路板之間的位置關系、電池的放置位置、導線的布局、糧食送料口的設計等.各電路板之間因為相對位置的改變，對振蕩電路會產生很大的干擾.同時，考慮到導線的布置要簡單，因此，對電路板間相對位置的設計尤為必要.由于本設計采用的是長方體的整體設計，因此糧食送料口不能采用圓柱式［13－15］一鍵送料的形式，本文采用抽插式設計，每次測量時將抽送殼裝滿糧食，然后送進測量儀.機殼整體采用長方體的形狀，以便于裝入普通公文包及行李包，方便實用.整體的結構圖如圖4所示.

4 結果分析

圖4 測量儀整體結構圖

經過實驗獲得糧食濕度的具體數據見表2.從表2可以看出，實驗結果與實際糧食濕度值保持在0.5%的誤差范圍內，滿足實際應用的需要.

通過實驗與研究分析，本文設計的電容式糧食水分檢測儀在一定范圍內能夠很好地檢測糧食水分，為糧食水分的檢測增添了新的方案.但從實驗中發現，當糧食水分過低時，由于水分值對電容器介電常數［16］的影響降低了很多.相對地，糧食溫度以及緊實度等因素對電容值影響變大，此時利用此測量儀檢測得出的水分值與實際值相差較大，故本水分檢測儀檢測的水分值范圍被限定在13%～25%之間.

表2 測量值與實際值比較

5 結 論

（1）利用555多諧振蕩器設計的振蕩電路能夠有效地將糧食的水分值轉化為輸出波形的頻率值，簡單可靠.

（2）通過函數擬合和誤差的手動調節，能夠將環境溫度、糧食緊實度等因素造成的誤差限制在小范圍內，其結果滿足實際應用的需要.

（3）機殼的設計遵循簡單、大方、便于攜帶的特點，內部設計布局合理，外部送料口送料方便，可以進行實際生產.

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