籽棉回潮率快速檢測裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■ 王會博 孟永法 夏 彬

〔中華全國供銷合作總社鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南鄭州450004〕

籽棉回潮率是影響棉花交售價格和加工品質(zhì)的重要因素，當(dāng)回潮率過高時，棉花品質(zhì)降低，黃色加深，易霉變，不利于加工，影響農(nóng)商交接，市場流通；當(dāng)回潮率過低時，主要影響軋花過程的正常進(jìn)行，不利于安全生產(chǎn)。因此，采用快速自動化檢測裝置能夠有效提高效率和棉花市場競爭力。

一、工作原理

系統(tǒng)工作時，將300 g籽棉平鋪在籽棉樣品盒中，按下啟動按鈕，傳送帶將籽棉樣品盒傳送至壓棉單元，接近開關(guān)檢測到樣品盒到達(dá)壓棉位置時，傳送帶停止，壓棉機(jī)構(gòu)垂直壓棉，當(dāng)壓棉玻璃板將籽棉表面壓實(shí)后，回潮模塊通過壓面玻璃板上的電極，獲得電阻值，用電阻法采樣得到回潮值，回潮率檢測結(jié)果通過RS-232上傳給上位機(jī)，隨后上位機(jī)顯示實(shí)時數(shù)據(jù)，壓棉機(jī)構(gòu)復(fù)位，傳送帶帶動籽棉樣品盒復(fù)位。

二、回潮率檢測單元硬件設(shè)計(jì)

（一）主控電路

以IAP15W4K61S4單片機(jī)為控制核心，該芯片可以將用戶程序區(qū)的程序FLASH當(dāng)EEPROM使用，節(jié)約成本；具有四組高速異步串行通信端口UART、A/D轉(zhuǎn)換，可滿足通信和回潮數(shù)據(jù)測量；該芯片工作溫度范圍為-40 ℃～85 ℃，可滿足日常工作環(huán)境要求。

（二）電源電路

本次電路設(shè)計(jì)采用接入直流24 V，通過壓降電路輸出直流5 V，直接為數(shù)據(jù)處理供電，數(shù)據(jù)采集電源通過直流電感升壓電路加倍壓電路組成，由直流5 V升壓至直流45 V和直流90 V，為數(shù)據(jù)測量部分提供電壓。24 V降壓至5 V電路，采用德州儀器公司的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片TPS5430，該芯片與其他同類型開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片相比，具有帶負(fù)載能力強(qiáng)，效率高，外圍器件少的特性，為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理供電，該部分原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)供電原理圖

直流24 V轉(zhuǎn)直流5 V降壓電路，采用TPS5430的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。由芯片手冊可知，當(dāng)芯片正常工作時，4引腳電壓為1.221 V，VCC輸出電壓通過R31和R32反饋給4引腳，則由分壓原理得到輸出電壓VCC=1.221 ×，當(dāng)需要5 V輸出時，R31若選擇10 K，R32選擇3.24 K，結(jié)合本電路設(shè)計(jì)，此次輸出為5 V（詳見圖2）。

圖2 24 V輸入轉(zhuǎn)5 V電壓輸出電路圖

（三）回潮測量

回潮測量采用電阻分壓原理。設(shè)計(jì)如下：壓棉玻璃板上有兩個環(huán)形電極，分別為采樣電極A和采樣電極B，電極A和電極B引出導(dǎo)線接入采樣電路。當(dāng)玻璃壓棉板將籽棉壓實(shí)以后，采樣電路對A、B之間的電阻值進(jìn)行檢測，由棉纖維吸濕導(dǎo)電特性可知，不同的籽棉回潮值對應(yīng)不同的電阻值，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系可測量棉花的回潮值。圓形電極如圖3（a）所示，回潮采集部分原理圖如圖3（b）所示。

圖3 回潮采集原理圖

AQW214為2a型高性能和經(jīng)濟(jì)性兼?zhèn)涞陌雽?dǎo)體繼電器，具有高靈敏度和高響應(yīng)速度，4腳接單片機(jī)的IO口，當(dāng)單片機(jī)IO口輸出低電平時，繼電器吸合，采樣電極A和采樣電極B分別接XH+和XH-，等效于可變電阻Rx，當(dāng)R27開路時，OPA4344與外圍電阻構(gòu)成跟隨電路，放大系數(shù)為1，此時AD1_DJ電壓為R24的電壓（由Vad1表示），由分壓原理可得：

由單片機(jī)手冊可知單片機(jī)IAP15W4K61S4具有高速10位ADC，則可得：

VCC為單片機(jī)供電電壓5 V，Vad_value為單片機(jī)采樣值，由公式（1）和（2）可得：

由公式（3）和（4）可得：不同的電阻值得到不同的AD值，由AD值可求得對應(yīng)的電阻值。

（四）上位機(jī)通信

1.RS-232通信

通信采用美信公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，該芯片由直流5 V供電，功耗低，集成度高，片外最低只需4個電容即可工作。該芯片采用標(biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議與上位機(jī)通信，RS-232通信距離可達(dá)到15 m，且?guī)缀趺恳慌_電腦都會有一個或者多個接口，傳輸距離較長，使用方便。電路如圖4所示。

圖4 與上位機(jī)通信接口電路

2.UART-USB通信

通信采用USB總線轉(zhuǎn)接芯片CH340G，可實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB功能。基本原理如圖5所示。

圖5 UART轉(zhuǎn)USB原理圖

UART轉(zhuǎn)USB電路原理圖如圖6所示。

圖6 UART轉(zhuǎn)USB電路原理圖

將沒有使用到的信號線都可以懸空，該芯片電源電壓范圍是-0.5 V～6.0 V，所以采用直流5 V供電。USB通信接線簡單，可方便調(diào)試使用。在本電路中，主要用于程序下載和工程師調(diào)試使用。

三、回潮率檢測單元軟件設(shè)計(jì)

以專業(yè)開發(fā)軟件為開發(fā)環(huán)境，利用單片機(jī)C語言開發(fā)程序，主要有A/D采樣，回潮值計(jì)算兩部分。

（一）A/D采樣

單片機(jī)IAP15W4K61S4具有10位A/D，轉(zhuǎn)換速度快，采樣精度高，利用定時器中斷，每0.2 ms采集一個數(shù)據(jù)，采樣100個數(shù)據(jù)后關(guān)閉定時器中斷，利用插入排序法，去掉部分最大值和最小值后得到平均AD值，再次打開定時器中斷，依此方法得到10個平均AD值，求得采樣值為10次AD值的平均值Vad_value，此方法可以有效濾除干擾。將Vad_value帶入公式（3）可以得到電阻值。

（二）回潮率檢測算法

棉花屬于纖維材質(zhì)，在干燥的情況下幾乎不導(dǎo)電，潮濕后，雜質(zhì)會在潮濕的棉花中形成大量的離子，離子在電壓的作用下定向移動，形成電流，即可以導(dǎo)電，含水量越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，根據(jù)歐姆定律，可知，當(dāng)電壓一定時，電流越大，電阻越小。根據(jù)《棉花回潮率的測試研究》介紹，棉花回潮率的大小還受棉纖維所處的溫濕度等外部環(huán)境的影響。基于上述研究，可得到回潮率計(jì)算公式：

回潮率=電阻法計(jì)算結(jié)果+外部補(bǔ)償結(jié)果 式（5）

由于外部環(huán)境測試需要嚴(yán)格的測試環(huán)境和較長的測試時間，所以外部補(bǔ)償將作為下一步的工作任務(wù)，實(shí)驗(yàn)過后再做出補(bǔ)償方案。

由電極特性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到電阻回潮率校驗(yàn)曲線，由曲線可以看出回潮值和電阻值不是線性對應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。

圖7 電阻-回潮率校驗(yàn)曲線

由于曲線不是線性對應(yīng)關(guān)系，且不同回潮率對應(yīng)電阻值差距較大，因此，采用分段函數(shù)的方法來擬合曲線，回潮率從4%開始，每增加1%所對應(yīng)的電阻值為一個區(qū)間。設(shè)采樣電阻為Rx，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電阻值判斷采樣電阻值所在的區(qū)間，假設(shè)所在電阻區(qū)間為［R0，R1］，R1所對應(yīng)的回潮值為r0，則此時Rx對應(yīng)的回潮值為。據(jù)此方法得到的回潮值，于2022年10月1日在148團(tuán)軋花廠試驗(yàn)驗(yàn)證，與其他回潮值儀器測出來的數(shù)據(jù)基本一致，最大誤差在5%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 回潮率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

四、整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以STM32F103VET6為主處理器，通過操作面板上的三個按鍵來控制整個設(shè)備的正常運(yùn)行。控制系統(tǒng)的總體方案如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)原理圖

回潮采集作為回潮裝置的核心模塊，主要進(jìn)行回潮率的采集；物位檢測主要通過接近開關(guān)來定位各個運(yùn)動部件的到位位置；操作面板主要進(jìn)行整個裝置的啟動，停止和復(fù)位操作；上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)的顯示和記錄；棉樣稱重控制主要稱重300 g棉樣；棉樣輸送控制是為了將棉樣盒輸送到指定的位置；棉樣壓縮控制的作用是將籽棉表面壓實(shí)，以便圓形電極進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)的作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和記錄。籽棉回潮率快速檢測裝置通過控制系統(tǒng)進(jìn)行控制回潮采集模塊和外圍設(shè)備模塊的有序運(yùn)行，完成整個回潮率的采集記錄工作。

五、結(jié)語

通過對籽棉回潮率快速檢測裝置的要求分析，提出采用IAP15W4K61S4單片機(jī)為核心芯片，配合驅(qū)動傳輸單元，壓棉單元等，設(shè)計(jì)出一款可以快速檢測籽棉回潮率的裝置。該裝置在新疆石河子148團(tuán)軋花廠進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)誤差小于5%，性能穩(wěn)定，操作簡便，安全可靠，可實(shí)現(xiàn)回潮率的自動化檢測，回潮數(shù)據(jù)實(shí)時上傳上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控、記錄、保存。