電磁波輻射法大顆粒谷物含水率測試試驗(yàn)臺(tái)研制

李博識，黃操軍，趙 晶，劉凱旋，李亞鵬

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)體系中對收獲過程的精確計(jì)產(chǎn)、種子的保質(zhì)烘干等環(huán)節(jié)都要求精確地掌握谷物的瞬時(shí)含水率[1]，谷物含水率的測量是確保糧食安全的主要依據(jù)。因此，準(zhǔn)確測量谷物含水率對保證國家糧食安全和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)外科研人員對谷物水分的測量方法主要有電阻法、干燥法、電容法和中子法等[2-5]，對應(yīng)的測量裝置大多適合靜態(tài)測量，對于要求實(shí)時(shí)在線測量環(huán)境，由于高孔隙度顆粒谷物間空氣的存在，存在著測量誤差大、測量速度無法滿足實(shí)時(shí)測量要求等弊端[6-7]。本文研制的大顆粒谷物含水率檢測試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可滿足農(nóng)業(yè)上對谷物含水率在線檢測的要求，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出谷物含水率并予以顯示。

1 試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

電磁波輻射法大顆粒谷物含水率測試試驗(yàn)臺(tái)主要由電磁波發(fā)生及采集電路、激勵(lì)線圈、接收線圈谷物輸送腔體、升運(yùn)絞龍、電機(jī)及變頻器等組成。功率放大器由人機(jī)接口模塊、波形生成模塊及電源轉(zhuǎn)換模塊組成。谷物輸送腔體選擇直徑大于玉米籽粒直徑20倍以上(腔體直徑過小，會(huì)帶來更大的孔隙度誤差)的圓柱形尼龍注塑管材作為腔體。為保證糧食在試驗(yàn)裝置里循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，選擇長度為2m的絞龍進(jìn)行升運(yùn)。

電機(jī)選取功率1.5kW、額定轉(zhuǎn)速1 400r/min的三相異步電機(jī)，220V供電的電機(jī)保證試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器采用功率1.5kW、220V供電的變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用變頻器調(diào)速可以提高控制精度和工作效率。試驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定系統(tǒng)的總體功能，是系統(tǒng)的重要載體。硬件電路分別連接上位機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)信號的傳輸、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)反饋等功能。硬件部分選用的是C8051F340單片機(jī)作為主控制模塊，分別進(jìn)行了高頻電磁波信號發(fā)生電路、AD轉(zhuǎn)換模塊、無線通信模塊、LCD液晶顯示模塊，以及人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.2 Test device physical map

2.1 C8051F340單片機(jī)介紹

核心處理器的選擇是谷物含水率測量模塊的關(guān)鍵，直接影響到信息采集系統(tǒng)的性能、終端設(shè)備的成本，以及后續(xù)的升級和擴(kuò)展。經(jīng)過綜合考慮試驗(yàn)需要，本設(shè)計(jì)選取C8051F340作為核心處理器。C8051F340的主要特點(diǎn)如下：

1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核(可達(dá)48Mb/s)；

2)通用串行總線(USB)功能控制器，有8個(gè)靈活的端點(diǎn)管道，集成收發(fā)器和1K FIFO RAM；

3)真正10bit200kb/s的單端/差分ADC，帶模擬多路器；

4)精確校準(zhǔn)的12MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器。

單片機(jī)C8051F340連接圖如圖4所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖Fig.3 The block diagram of hardware system

圖4 單片機(jī)C8051F340連接圖Fig.4 SCM C8051F340 connection diagram

2.2 系統(tǒng)功能模塊

2.2.1 波形生成模塊

此模塊主要由DDS芯片(AD9850)、增益可調(diào)節(jié)放大器(AD603)、放大器(LMH6645MAX)、功率三極管(2SC2078)及AD轉(zhuǎn)換器(AD5300BRMZ)組成。采用DDS芯片，用于產(chǎn)生符合要求的功率正弦波形。AD9850固定輸出峰峰值電壓為1V，電路如圖5所示。

將AD9805的輸出連接到AD603的輸入，經(jīng)過AD603放大后，輸出電壓在0.3～5V范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。將AD603的輸出連接到LMH6645MAX的輸入，這個(gè)30MHz低通濾波器的放大倍數(shù)為2，因此其輸出范圍為0.6～10V。在很多信號采集系統(tǒng)中，信號變化的幅度都比較大，放大后的信號幅值有可能超過A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號的變化相應(yīng)調(diào)整放大器的增益。美國ADI公司生產(chǎn)的AD603正是這樣一種具有程控增益調(diào)整功能的芯片，是一個(gè)寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA芯片，表1所列為其引腳功能。

圖5 AD9850電路圖Fig.5 AD9850 Circuit diagram表1 AD603引腳功能表Table 1 AD603 pin functionTable

腳號代號描述1GPOS增益控制輸入“高”電壓端(正電壓控制)2GNEG增益控制輸入“低”電壓端(負(fù)電壓控制)3VINP運(yùn)放輸入4COMM運(yùn)放公共端5FDBK反饋端6VNEG負(fù)電源輸入7VOUT運(yùn)放輸出8VPOS正電源輸入

AD轉(zhuǎn)換電路的主要功能是將保持住的波峰模擬信號供單片機(jī)使用。在選取AD轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常考慮如下指標(biāo)：①轉(zhuǎn)換時(shí)間，從輸入模擬信號到輸出數(shù)字信號需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間；②轉(zhuǎn)換誤差，指的是理論輸出數(shù)字量與實(shí)際輸出數(shù)字量存在的差別；③轉(zhuǎn)換精度，它是模擬部分精度和最大量化誤差的體現(xiàn)。綜合考慮器件成本以及實(shí)際電路需求，本設(shè)計(jì)選用了美國ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的AD5300作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，電路如圖6所示。AD5300有4個(gè)獨(dú)立的工作模式，即1個(gè)正常工作模式和3個(gè)掉電工作模式，模式選擇可通過移位寄存器的PD1和PD0來決定，具體的工作模式分配情況如表2所示。

圖6 AD5300電路圖Fig.6 AD5300 Circuit diagram表2 AD5300的工作模式Table 2 AD5300 working mode

PD1PD0工作模式00正常模式01輸出端接1kΩ電阻到地10輸出端接100kΩ電阻到地11三態(tài)

2.2.2 人機(jī)接口模塊

此模塊主要由字符型液晶屏(LCD1602A)、按鍵和編碼器組成，用以改變驅(qū)動(dòng)信號的頻點(diǎn)，以獲得最佳的輻射功率。上下左右按鍵用于移動(dòng)字符型液晶屏上的輸入光標(biāo)，編碼器用于改變光標(biāo)上的輸入值。所謂1602是指顯示的內(nèi)容為16×2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字及符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。LCD1602A電路圖如圖7所示。

圖7 LCD1602A電路圖Fig.7 LCD1602A circuit diagram

2.2.3 電源轉(zhuǎn)換模塊

通過DC-DC將電源輸入插座進(jìn)來的直流電源，轉(zhuǎn)換成符合使用要求的各路直流電源。輸入電壓規(guī)定為+12V。通過DC-DC模塊生成±5V-A，+5V-D。另外輸入的+12V濾波后變?yōu)?12V-A。

2.3 谷物輸送腔體的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中谷物輸送腔體作為谷物流通及線圈的載體，在選取材質(zhì)的時(shí)候應(yīng)該對電磁波傳播無影響，因此選擇直徑大于玉米籽粒直徑20倍以上(腔體直徑過小，會(huì)帶來更大的孔隙度誤差)的圓柱形尼龍注塑管材作為信號發(fā)射線圈和信號接收線圈的承載部件，如圖8所示。

圖8 輸送腔體實(shí)物圖Fig.8 Conveying cavity physical map

為減少高頻狀態(tài)下線圈之間的分布電容對電路的影響，采用表面涂有絕緣漆的粗徑銅導(dǎo)線，直徑為0.51mm。傳輸介質(zhì)因品種、收獲期、處理方式等情況不同存在大小、形狀等幾何尺度的差異，是電磁波在腔體內(nèi)透射傳播、反射傳播、折射傳播、漫反射傳播甚至逆反射傳播的重要影響因素；同時(shí)，輻射信號頻率決定電磁波的波長，而波長是決定傳播形式的最重要指標(biāo)。充分考慮二者對電磁波傳播規(guī)律的影響，并以此作為指導(dǎo)谷物流導(dǎo)引腔體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，本設(shè)計(jì)共纏繞3組線圈，直徑分別為58、72、82mm，繞線一次側(cè)和二次側(cè)均為8層，線圈的各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。

2.4 串口通信模塊

本研究采用ACS12-TTL 型無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，AS12-TTL是一款高穩(wěn)定性、工業(yè)級的無線數(shù)傳模塊，能夠配合串口調(diào)試助手在電腦端直接對無線串口通信進(jìn)行測試，也能夠配合參數(shù)設(shè)置軟件輕松快捷地配置模塊參數(shù)。針對其動(dòng)作特性，該模塊可以控制 ACS12-TTL 無線通信模塊的4種工作模式，如表4所示。

表3 線圈參數(shù)Table 3 Coil parameters

表4 ACS12-TTL四種工作模式Table 4 Four working modes of ACS12-TTL

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)工作流程圖如圖9所示。

圖9 軟件系統(tǒng)工作流程圖Fig.9 Software system working flow chart

其中，上位機(jī)主要由PC端的串口助手及相應(yīng)的無線接收器件組成，通過與通信設(shè)備相連接之后，串口波特率設(shè)定為115 200bps，打開串口時(shí)，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的要求能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收；下位機(jī)的采集器設(shè)置輸入頻率，以達(dá)到預(yù)設(shè)頻率。在輸送腔體中谷物含水率發(fā)生改變而引起的波形及幅值變化時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。假如上位機(jī)和下位機(jī)都完成設(shè)定，那么系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，開始對接收端頻率及幅值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線模塊上傳到PC端進(jìn)行計(jì)算，在下位機(jī)的LCD顯示屏和上位機(jī)的屏幕上顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，通過比較接收線圈接收電磁耦合后的畸變信號與發(fā)射信號，建立了信號變化與谷物含水率的關(guān)系。對正弦電磁波信號發(fā)生裝置進(jìn)行了深入研究，做到了人機(jī)交互更方便，通過無線通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)對谷物的主要參數(shù)進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了對谷物含水率的在線測量，達(dá)到了研制此試驗(yàn)臺(tái)的目的。試驗(yàn)表明：此試驗(yàn)臺(tái)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，操作簡單，滿足農(nóng)業(yè)上對糧食水分的測量要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。