在線水分傳感器設計

安徽博微長安電子有限公司 沈 偉 常燦燦 李 然

糧食是國民經(jīng)濟的基礎，是關系到國計民生的戰(zhàn)略物資，其質(zhì)量、數(shù)量和安全直接關系著軍需民食，也關系著國家安全和社會穩(wěn)定[1]。糧食的安全儲藏至關重要，糧食倉儲的關鍵因素就是糧食的水分值，長期以來，糧食的水分值是通過嘴咬、手搓以及人工操作糧食烘干來獲得[2][3]。基于此本文提出一種傳感器能夠?qū)崟r在線測量糧食的水分值。

1 水分傳感器系統(tǒng)架構介紹

1.1 實現(xiàn)原理和方法

水分傳感器采用彌散場電容器的結構實質(zhì)為一個電容器，如圖1.1所示。電容器的兩極平行布置，以擴大電場分布范圍。結構外形圓潤光滑，有利于在糧堆中布置；集成溫度傳感器，補償溫度的影響。

圖1 .1 彌散場電容器示意圖

糧食水分值是通過糧食介電常數(shù)變化測量的。傳感器的電容值、糧食的介電常數(shù)與水分含量密切相關[4]。通過檢測電容值及其他相關參數(shù)就可以間接地測出糧食的含水量。自由水的介電常數(shù)ε(大約80)與完全干燥的糧食差距明顯，因此具有較高的靈敏度。該原理是電容式、微波式水分檢測技術的基礎[5]。

對于稻谷、小麥、玉米等顆粒型物質(zhì)來說，傳感器檢測的是糧粒和間隙空氣的平均介電常數(shù)，因此糧食的緊密度(體密度)會影響檢測結果[6]。我國儲糧高度為6-7m，糧堆下面的糧食受到上面的壓力，壓力以及體密度由上自下逐漸增加。此外，介電常數(shù)還受到溫度的影響。精確檢測糧食水分需要對這兩個參數(shù)進行補償。

1.2 架構與每層設備功能描述

圖1.2所示為線水分檢測系統(tǒng)系統(tǒng)架構。

圖1.2 在線水分檢測系統(tǒng)架構

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

布置在糧堆表面，通過有線方式接收傳感器的方波信號和溫度值，具有糧食水分計算等功能。在糧食水分異常時報警。

1.2.2 手持式初值設定儀

由工作人員隨身攜帶，通過RS485告知數(shù)據(jù)采集模塊糧食初始水分，并數(shù)字化顯示糧食水分、溫度、糧食水分初始值、方波頻率等信息。

1.2.3 傳感器

傳感器使用電容傳感器檢測水分，使用DS18B20測量溫度。傳感器1和傳感器2分別置于糧堆內(nèi)不同深度。

圖2.1 在線水分檢測子系統(tǒng)電路硬件原理架構圖

2 設計方案

2.1 硬件方案

如圖2.1所示，水分傳感器采集系統(tǒng)是由電源單元、主控制器、水分檢測單元、RS485通信單元、手持儀組成，系統(tǒng)由24VDC供電，采用電源管理模塊，將24VDC轉(zhuǎn)換為監(jiān)控單元需要的5V電源供各子模塊使用，處理器接收手持式初值設定儀的數(shù)據(jù)，采集傳感器的頻率值經(jīng)過運算后，通過RS485與上位機進行通信[7]。

微處理器采用Micr ochip公司PIC30f 6014a單片機，該微處理器還具有UART、SPI、定時器、大容量FALSH、EEPROM等豐富外設和具有擴展功能的IO端口，滿足控制單元需求。

圖2.2 水分傳感器電路示意圖

如圖2.2所示，水分傳感器采用弛豫振蕩電路，輸出頻率信號，頻率值與水分傳感器的電容相關。相比電流、電壓信號，頻率信號有利于長距離傳輸。水分傳感器的弛豫電路由水分傳感器、MIC1557、499k?的高精電阻組成，輸出一個方波信號。傳感器的容值為12-30pF，相應的方波頻率為80-40kHz(容值增加，頻率下降)。

2.2 軟件設計

監(jiān)控單元軟件包括以下部分：微處理器初始化，SPI端口初始化，UART端口初始化，IO初始化及DS18B20、計數(shù)器控制及主函數(shù)中設定狀態(tài)變量對工作狀態(tài)進行判斷及轉(zhuǎn)移等。手持式初值設定儀向數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括傳感器的埋入的深度、傳感器周圍的糧食水分。液晶顯示屏顯示的數(shù)據(jù)包括：兩個傳感器分別的頻率值、溫度值、水分含量。狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2.3所示。

圖2.3 水分檢測子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊設備軟件狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3 結論

如表2所示是該傳感器在實驗室、糧庫做實驗得到的實驗數(shù)據(jù)。

表2 傳感器測量稻谷水分值（溫度為20℃）

經(jīng)過反復的實驗測量數(shù)據(jù)分析，當糧食水分值在12%-17%范圍內(nèi)時，傳感器檢測誤差≤±0.5%，能夠滿足在線測量糧食水分值的精度要求，傳感器具有的結構簡單、可靠性高等特點，傳感器之間通過RS-485總線接口串接起來，在倉內(nèi)布置比較方便，該產(chǎn)品可以廣泛應用在糧食儲藏方面。

[1]李先棟.糧食水分在線測量系統(tǒng)[D].山東,山東理工大學,2011.

[2]陸靜霞.基于電容式傳感器的糧食水分測量儀的研究[J].農(nóng)機化研究,2005(6):122-123.

[3]丁英麗.基于電容式傳感器的糧食水分測量儀[J].傳感器技術,2003,22(4):54-56.

[4]耿道渠,趙湛,方震等.糧食水分在線測量傳感器[J].儀表技術與傳感器,2010,33(1):8-10.

[5]李振濤.張陽,張麗梅.糧食水分在線檢測傳感器 [J].遼寧大學學報,2006,33(3):241-243.

[6]蔡利民,孔力.圓筒形電容式糧食水分傳感器的數(shù)學模型與影響因素[J].分析儀器,2006(1):49-52.

[7]曹云東,林國棟,張陽等.糧食水分在線檢測控制系統(tǒng)[J].儀器與儀表,2003(4):17-19.

[8]翟寶峰,王昊.電容式糧食水分檢測中的影響因素分析[J].遼寧工學院學報,2002,22(5):1-3.