糧食水分檢測裝置設計

胥保文 - 蔡健榮, -, 孫 力 張文松 - 安玉亭 - 何振魯 -

(1. 江蘇大學，江蘇 鎮江 212013；2. 山東同泰集團股份有限公司，山東 日照 276801) (1. Jiang Su University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 2. Shandong Tongtai Group Corporation, Rizhao, Shandong 276801, China)

糧食水分檢測裝置設計

胥保文1XUBao-wen1蔡健榮1,2CAIJian-rong1,2孫 力1SUNLi1張文松2ZHANGWen-song2安玉亭2ANYu-ting2何振魯2HEZhen-lu2

(1. 江蘇大學，江蘇 鎮江 212013；2. 山東同泰集團股份有限公司，山東 日照 276801) (1.JiangSuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China; 2.ShandongTongtaiGroupCorporation,Rizhao,Shandong276801,China)

開發了一套對射式微波水分檢測裝置。以STC89C52芯片為主處理器，控制各部件執行順序。為保證物料裝載的一致性，采用光電開關控制裝載量；為消除溫度影響，實時采集樣本料溫，建立溫度補償模型；為避免微波產生熱效應，采用時序控制采集溫度及微波信號，以實現糧食水分的準確測量。經實驗驗證，物料實際水分與微波檢測水分之間的相關系數>0.96，滿足實際檢測要求。

糧食水分；微波；檢測裝置

糧食在儲藏過程中應及時掌握水分變化情況，水分過高易引起霉變、生蟲等，造成糧食變質；水分過低會破壞其有機物質[1]。因此，糧食儲藏過程中水分測量是一項持續不斷的工作。近年來，關于糧食水分快速檢測的方法日趨增多，主要有電阻/電容法[2-3]、微波法[4-5]、近紅外光譜法、中子法和高頻電磁波法[1,6]等，目前用于現場或在線檢測主要有電阻/電容法、微波法。電阻/電容法產品較多，優勢是成本低，但精度差，只能作為檢測參考；微波法的優點是檢測速度快，靈敏度高，但成本高、有熱效應[7-8]。本研究根據前期微波水分檢測研究所得優化參數[9]，自主設計了一套糧食水分檢測裝置，通過控制數據采集時序，消除微波熱效應，以實現糧食水分的現場檢測。

1 檢測系統硬件構成

糧食水分檢測裝置由控制模塊、傳感器模塊、上料模塊、下料模塊、顯示模塊、延時模塊、電源模塊等組成，其結構見圖1。

1. 進料管 2. 上料電機 3. 微波發射器 4. 微波接收器 5. 紅外光電開關 6. 溫度傳感器 7. 下料裝置 8. 控制箱 9. 檢測倉

圖1 糧食水分檢測裝置示意圖

Figure 1 Schematic of system for grain moisture detection

控制模塊選用STC89C52為主處理器，采用5個SRD-05VDC-SL-C型繼電器(寧波松樂繼電器有限公司)控制各執行部件的啟停，見圖2。其中P1.0與P1.1控制下料電機，P1.2控制微波傳感器供電電路，P1.3控制上料電機，P1.4控制溫度傳感器供電電路。上料模塊包括上料電機、進料管、檢測倉、溫度傳感器及光電開關。光電開關選用紅外對射式OA-D3205NB常閉型(德國巨龍集團﹝上海﹞分公司)，與主處理器P3.4口相連。傳感器模塊由AD轉換、溫度傳感器及微波水分傳感器組成，其中AD轉換選用ADS1115型芯片(TI公司)，具備16位模數轉換精度；為抑制地勢不穩產生的電壓波動，軟件設置差分模式接收溫度及微波電壓值，見圖3。其中AIN0及AIN1接受溫度電壓值，AIN2及AIN3接收微波電壓值，SCL及SDA分別與主處理器P0.0及P0.1端口相連；溫度傳感器為PT100型，變送器選用SBWZ型(上海自動化儀表廠)；微波水分傳感器為自制X波段傳感器。下料模塊由推桿電機、閥門組成，通過繼電器改變電機正負極控制推桿伸縮，帶動閥門開啟或關閉。顯示模塊選用LCD12864型，顯示當前溫度及檢測的物料水分含量。延時模塊采用H3Y-2-C型(歐姆龍﹝中國﹞有限公司)延時繼電器，以避免通電瞬間的相互干擾。電源模塊選用D-60C型(蘇州明緯科技有限公司)雙組輸出電源(輸出+24 V，+12 V)，另外采用20015型(深圳市德厚信電子有限公司)降壓模塊將+12 V轉+5 V，為信號采集模塊等供電。

2 檢測系統軟件設計

2.1 系統軟件工作流程

檢測裝置的工作流程見圖4，其中上料模塊采用真空吸取方式，將受檢物料從糧倉中吸入檢測倉；當上料量達到滿載時，觸發光電開關，上料電機停止工作；此時傳感器模塊開始工作，先后采集溫度傳感器、微波傳感器信號；將得到的溫度、微波電壓信號傳送至A/D轉換芯片；A/D轉換芯片將模擬信號轉換為數字信號并發送至主處理器；主處理器對信號進行分析及處理，結果發送至LCD顯示模塊及USB通訊端口，同時控制下料模塊的推桿電機打開閥門，受檢物料返回糧倉，關閉閥門等待下一輪檢測指令。

圖2 STC89C52引腳連接定義Figure 2 Pin Definitions of STC89C52

圖3 ADS1115功能圖Figure 3 Function diagram of ADS1115

圖4 糧食水分檢測流程圖Figure 4 The block diagram of system for grain moisture detection

2.2 信號采集時序控制及去噪

為避免傳感器之間的相互干擾和電源通斷對檢測信號的影響，對測溫信號、微波水分信號進行分時采集、中值濾波處理，具體流程見圖5。由于微波水分檢測時，微波發生器產生的微波信號對測溫信號造成干擾，因此先采集溫度信號，后采集微波信號。PT100型溫度傳感器的保護套管直徑為3 mm，其熱響應時間<3 s，微波傳感器采用對射式信號采集，因此無響應延時。軟件設計時設定測溫延時為5 s，微波水分檢測延時為3 s。對同一樣本連續采集21次信號，經A/D轉換后的統計數據表明，得到信號的極差為0.002 V，誤差大多集中在信號采集的開始階段和結束階段。因此，將每個樣本連續采集的21次信號進行大小排序，取第11號檢測值(中值)作為樣本的信號值，以消除外界干擾及電源通斷引起的信號波動。

圖5 信號采集流程圖Figure 5 Flow chart of signal acquisition

3 試驗結果與分析

基于微波的水分檢測方法，其檢測精度主要受糧食品種、密度、裝載高度、測量厚度和物料溫度的影響。根據前期研究結果，裝置設計時按照優化后的參數布置，由紅外光電開關控制物料的加載量；由于物料厚度為50 mm時水分檢測精度最高，因此探測器之間距離以該值為設計依據；同一品種的糧食可假設其密度、容重基本一致，通過建立該糧食的模型數據庫消除系統誤差；物料溫度因受存儲環境的影響而無法控制，需做溫度補償處理。

試驗以市售杰翠康大米為原料，通過恒溫培養箱模擬環境溫度的變化，將大米塑封放置在相應的溫度下24 h，以保證米溫與環境溫度一致；通過加濕和干燥處理將大米含水率形成梯度分布放置48 h，保證水分能滲入大米內部，共制備試驗樣本40份，并用HB43-S型水分檢測儀(梅特勒-托利多國際有限公司)測量樣本實際水分。圖6為不同大米溫度下測得相同含水率大米的微波電壓信號的變化，可見電壓值隨溫度的升高而降低，即微波的透過率隨溫度增加而降低。

圖6 大米溫度與微波電壓值關系Figure 6 The relationship between temperature of rice and microwave voltage signal

結合溫度變化和物料含水率的變化，建立大米檢測校正模型，其方程見式(1)。

(1)

式中：

y——含水率，%；

x1——微波電壓值，V；

x2——大米溫度，℃。

將建立的校正模型進行回判，相關系數為0.967，均方根誤差為0.297，對未建模樣本進行預測，相關系數為0.982，均方根誤差為0.194，表明所建模型具有較好的代表性。對原始數據進行分析發現，大米溫度為5 ℃時微波水分檢測值與實際值最接近，隨著大米儲存溫度的升高，檢測值與實際值離散度增大；同一批樣本重復裝載后的微波測量值也存在誤差，說明每次裝載時其密度也會有所變化，需通過重復試驗消除誤差。

4 結論

自主研發一套糧食水分自動檢測系統。以STC89C52單片機為核心，控制各執行部件；采用光電開關控制裝載量，實時采集測試樣本溫度建立溫度補償模型，采用時序控制采集溫度及微波信號避免微波產生的熱效應。檢測試驗表明，物料實際水分與微波檢測水分之間的相關系數>0.96，滿足實際檢測要求，為糧食水分的快速無損測量提供了一個可行性方案。

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Designofgrainmoisturedetectiondevice

A set of grain moisture detection device based on incident microwave was designed, and the STC89C52 chip was used as the main processor to control the execution order of each component. Moreover, the photoelectric switch was used to keep the amount of the loading material in line. In order to eliminate the influence of temperature, it was detected in real time, and the temperature compensation model is established. To avoid the thermal effect of microwave, the sequential control system was applied to collect temperature and microwave signals, ensuring the accurate measurement of grain moisture. The results showed that the correlation coefficient between actual moisture content and microwave moisture content was greater than 0.96, and it could meet the requirements of actual test.

grain moisture; microwave; detection device

山東泰山產業領軍人才(傳統產業創新類)項目(編號：tscy20160223)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(編號：15KJA550001)

胥保文，男，江蘇大學實驗師，碩士。

蔡健榮(1966—)，男，江蘇大學教授，博士生導師，博士。E-mail：jrcai@ujs.edu.cn

2017—04—28

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.017