棉花濕度檢測系統設計

摘 要： 近些年，我國機采棉發展勢頭強勁，然而機采棉的濕度遠大于手摘棉，嚴重影響了棉花加工生產各個環節的質量。為了提高經濟效益，棉花濕度檢測系統的設計意義重大。該系統以微處理器單元為核心，晶振電路為其提供所需的振蕩頻率，電源電路可實現220 V交流電到5 V直流電的轉換，濕度傳感器采集到的信息通過ADC0809芯片進行模數轉換后送入微處理器單元，進而實現對濕度的顯示和對超限情況的報警功能，同時可將數據進行有效的內部存儲并伴有實時通信功能。該系統具有電路簡單、價格低廉、操作方便、準確度高和實用性強等優點。

關鍵詞： 機采棉； 濕度檢測系統； 微處理器單元； 濕度傳感器

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0114?05

Abstract： In recent years， the development of cotton?picking machine is great in China. However， moisture regain of machine?picking cotton is more than that of hand picking cotton， which affects the quality of cotton production seriously. Design of the humidity detection system for seed cotton plays an important role in improvement of the economic benefit. The microprocessor unit is taken as the core of the system. The crystal oscillator circuit provides the desired oscillation frequency for the system. The power supply circuit can realize the transformation from 220 V AC to 5 V DC. The analog?digital conversion of the information collected by the humidity sensor is performed through ADC0809 chip and then the information is sent to the microprocessor unit for realization of the humidity display， overrun alarm， effective internal memory and real?time communication functions. This system has the advantages of simple circuit， low cost， convenient operation， high accuracy， strong practicability， etc.

Keywords： machine?picking cotton； humidity detection system； microprocessor unit； humidity sensor

機采棉技術的使用使勞動力緊張的難題得以解決，然而機采棉具有高效高收益優點的同時也伴隨著高水分的缺陷。在棉花加工生產各個環節，濕度對棉花質量的影響很大。一方面，籽棉濕度過高會造成棉花儲運困難，進而會引起棉纖維變質、變色甚至自燃；另一方面，籽棉濕度過低，會引起棉纖維回脹力過大，導致打包麻煩，也容易 “崩包”[1]。在后期加工過程中，棉花濕度過高，棉纖維間會形成較大的摩擦系數，使棉花彈性下降[2]。棉花濕度過低會引起棉纖維剛性增大，斷裂比減小，在加工過程中會因外力沖擊導致斷裂，使皮棉中棉纖維長短不一，整齊度下降，短纖維率提高[3]。只有對棉花濕度進行實時準確的檢測，才能高效穩定地控制棉花加工質量。在烘干環節，需要依據檢測到的籽棉濕度值調節加熱爐的燃燒量和吸棉風機的頻率實現對加熱溫度以及籽棉烘干時間的分別控制。在軋花環節，需要依據檢測到的皮棉濕度值調節籽棉清理機和皮棉清理機的電機頻率達到運行速度的控制，進而降低棉卷和工作箱壁的摩擦力，減少刷棉不盡、棉卷停轉和肋條堵塞的發生次數，最終提高軋花的工作效率和加工質量，降低衣虧率。

1 系統的工作原理及整體結構

棉花濕度檢測系統，硬件系統包括濕度檢測電路、A/D轉換電路、復位電路、晶振電路、電源電路、按鍵電路、時鐘電路、通信電路、顯示電路、存儲電路和報警電路，如圖1所示。

棉花被風機吸入輸送管道后，側壁的活動壓板會定時地對棉花進行采樣，同時濕度傳感器采集數據，檢測到的模擬信號經過A/D轉換電路傳送到微處理器單元。在電源電路提供穩定工作電壓、晶振電路提供穩定振蕩頻率以及復位電路可實現自動復位的情況下，微處理器單元通過程序控制報警電路、顯示電路、時鐘電路、存儲電路以及通信電路分別實現對濕度超限的報警、濕度值的顯示、時間的顯示、數據的內部存儲以及與外部電路的通信，而且可以通過按鍵電路實現對程序的編輯以達到人機互動的效果。

2 系統硬件電路設計

2.1 按鍵電路設計

不同季節和不同天氣的棉花濕度變化范圍較大，這樣就需要根據具體情況調整預定濕度值。按鍵電路主要由按鈕和LED指示燈組成，對按下的有效動作LED都會以發光的方式驗證。本系統設計了4個按鍵，包括一個參數設置鍵、一個開始濕度采集鍵、一個加1鍵和一個減1鍵。單片機采用獨立連接的方式與按鍵電路結合，即每個按鍵都會單獨通過一根輸入線連接單片機的一個的I/O口，起到每個按鍵電路相互不干擾的作用。單片機采用中斷查詢的方式對按鍵電路實施監控，即有鍵按下時，經抖動去除后會以中斷信號的方式被單片機查詢到，進而由控制程序判斷鍵值并做相應處理。

2.2 通信電路設計

通信電路選用兼容RS 232標準的MAX232電平轉換芯片實現TTL與RS?232C電平的轉換。該芯片基本上由供電、電荷泵電路、數據轉換通道三個部分組成[4]。電荷泵電路由1～6引腳和4只電容組成，可產生±12 V兩個電源，給RS 232串口提供電平。7～14引腳組成了兩個數據轉換通道，其中11腳（T1IN），12腳（R1OUT），13腳（R1IN），14腳（T1OUT）為第一數據通道。7腳（T2OUT），8腳（R2IN），9腳（R2OUT），10腳（T2IN）為第二數據通道。

2.3 存儲、報警電路設計

存儲電路采用低功耗CMOS技術研發、DIP8引腳封裝的24LC64芯片，它具有噪聲抑制功能、自定時擦除和寫周期以及多達32個字節頁寫緩存、2 ms典型寫周期時間頁寫、多達8個裝置級聯等功能，其工作電壓為1.8～5.5 V，工作溫度為-40～125 ℃。其中WP，A1和A2引腳與地連接，A0接入10 kΩ電阻后連接電源，SDK和SCK引腳則分別與單片機的P1.3，P1.4連接。

報警電路中蜂鳴器BUZZER的一個輸入端接電源，另一端接NPN管Q1的集電極，NPN管Q1的發射極接地，同時基極和發射極接入一個4.7 μF的電解電容，而基極則通過電阻R1接入單片機AT89C51的P0.4引腳。蜂鳴器通過并聯一個2 kΩ的放電電阻，也得到了很好的保護。當系統測得溫室內溫度超過預置的上限點或低于預置的下限點時，P0.4輸出低電平，經三極管驅動蜂鳴器報警，如果溫度恢復到限控溫度點時，P0.4恢復高電平。

2.4 濕度檢測和A/D轉換電路設計

2.4.1 電路設計

A/D轉換電路采用ADC0809芯片，它可以根據地址鎖存譯碼后的信號選通8路模擬輸入信號中的一路進行A/D轉換。A/D轉換電路的輸入端與濕度采集電路相連，輸出端與單片機相連。所述的濕度采集電路選用低成本、高靈敏度、低功耗、強穩定性的HIH3610濕度傳感器。HIH3610濕度傳感的濕度測量不受大氣壓的約束，且具有線性電壓輸出特性，即輸出電壓和電源電壓與相對濕度線性相關。平板電容器是HIH3610濕度傳感器的主要內部結構，由多孔滲水鉑層外加兩個熱化聚合體層構成，其電容量與濕度成正相關[5]。該傳感器測量精度為±2%RH，測量范圍為0～100%，具有互換性強、精準度高和線性度好等優點[6]。3個HIH3610接VCC通電工作后將采集到的信息輸入ADC0809的IN0～IN2端口，對應的輸出端2?1，2?2和2?3引腳分別與單片機的P1.0，P1.1，P1.2引腳相連。同時單片機的P1.5，P1.6，P1.7引腳又分別與ADC0809芯片的ADD A，ADD B和ADD C相連，單片機給ADC0809芯片的ADD A，ADD B和ADD C不同的高低電平再經過ADC0809芯片內部的譯碼器譯碼后就可以選擇某個濕度傳感器進行傳輸數據。其中ADC0809芯片的CLOCK端接入74LS74邊沿觸發器的CLK引腳實現觸發。

2.4.2 濕度測量原理

2.5 電源電路設計

電源電路由變壓器、全橋整流、濾波、穩壓模塊組成[7]。如圖2所示，變壓器輸入端經過一個保險連接電源插頭，變壓器輸出端接入一個由4個二極管組成的橋式整流電路，因為整流輸出的直流電壓的波動性很大，所以在這里要接入一個330 μF的電解電容。變壓器輸出端的9 V電壓經橋式整流和電容濾波，在電容C4兩端有11 V多一點的電壓，如果電容兩端只接入負載，那么當負載變化或交流電源有少許波動時都會使C4兩端的電壓發生較大幅度的變化，因此在這里還要接入一個三端穩壓器7805。

三端穩壓器7805是一種集成的電路元件，內部由一些三極管和電阻等構成，內部電阻可自動調節，通過它可以輸出一個比較穩定的電壓。在R1后面加有狀態指示燈，這樣可以對電源狀態進行顯示。

3 系統軟件設計

系統功能的實現是在硬件集成電路的基礎上由控制程序完成的，在硬件基本成型后，軟件的部分子程序模塊也就大體確定了。作為系統的監控程序，主程序在運行時首先需要進行初始化。在設定相關參數和顯示后，便開始對籽棉濕度進行測量，采集的數據經A/D轉換后被存儲并進行超限判斷，按鍵的處理則以中斷的方式進行。系統軟件設計流程如圖3所示。

3.1 報警電路程序設計

當檢測到的濕度大于預定值的上限或小于預定值的下限時，單片機會給P0.4引腳低電平以實現報警器的導通，從而達到對超限情況的報警功能。

3.2 按鍵電路程序設計

在設計程序過程中定義了K1～K4四個按鍵，并分別與單片P0.0～P0.3引腳連接。K1用于設置參數， K2控制參數加操作，K3控制參數減操作，K4控制是否開始濕度采集。系統按鍵采用獨立方式設計，有鍵按下時端口電平為0，無鍵按下時端口電平為1，所以單片機可以通過確定對應引腳的高低電平情況來判斷是否有鍵按下。按鍵流程如圖4所示。

3.3 通信電路程序設計

在進行通信前，要先對串行接口初始化，即設定波特率、幀結構和使能。而對中斷驅動的串行收發器進行初始化，應先將全局中斷標志位清零[8]。TXEN控制數據發送，當其使能時串行收發器代替TXD引腳的I/O性能作為串行輸出引腳；RXEN控制數據接收，當其使能時串行收發器代替RXD引腳的I/O性能作為串行輸入引腳。RS 232串行通信流程如圖5所示。

4 數據采集測試

作為本系統的主要功能之一，濕度數據采集的準確性直接關系到整個系統的可靠性和穩定性。加工過程中籽棉的濕度最大，特別需要測試。其中籽棉質測站的濕度檢測數據如表1所示。

由表1和表2中的數據計算可知其測量誤差<0.5%RH[測量誤差=實際值-標準值]，相對誤差<7%[相對誤差=測量誤差實際值]，通過計算兩組數據的3倍標準差可知系統檢測濕度誤差在1%RH左右，并且系統濕度響應時間為30 s。達到了系統的設計標準，提高了系統的工作效率，也滿足了可靠性與準確性的需求。

5 結 論

本設計結合實際情況研發了一套棉花濕度檢測系統，實現了棉花濕度檢測的規范化和自動化，順應信息化發展大趨勢的同時也使日常管理變得更加方便。該系統以AT89C51單片機作為控制核心，具有較穩定的電源轉換電路，選用HIH3610濕度傳感器采集數據，經過A/D轉換后進行數據存儲和顯示，對超限情況可實現報警功能，通過按鍵電路可實現人機互動，同時可實現濕度的多點檢測并與PC機實現串口通信。該系統具有集成度高、工作穩定、準確耐用等優點，有一定的應用價值和發展前景。

注：本文通訊作者為劉同策。

參考文獻

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