烘干機(jī)內(nèi)部谷物水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)

胡 勇 江永成

(安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601)

糧食貯存時(shí)水分含量高是導(dǎo)致糧食發(fā)生霉變的最大因素，在此過程中，對(duì)糧食水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是關(guān)鍵。國內(nèi)外對(duì)谷物水分檢測(cè)的研究方法主要集中于電阻法[1]、電容法[2]、核磁共振法[3]、近紅外法[4]、蒸餾法[5]等，然而現(xiàn)在的檢測(cè)儀器存在一些問題：席前等[6]基于電容法設(shè)計(jì)的藜麥水分快速檢測(cè)儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藜麥水分的快速、連續(xù)檢測(cè)，但該儀器操作需要從烘干機(jī)內(nèi)部取出烘干樣本再進(jìn)行檢測(cè)，操作繁瑣；王聰?shù)萚7]基于電阻法設(shè)計(jì)的在線電阻式谷物水分監(jiān)測(cè)儀通過智能自動(dòng)化操作可定期檢測(cè)谷物水分含量和烘干機(jī)內(nèi)部性能。但需要通過碾壓輪碾碎谷物后才能進(jìn)行測(cè)量，對(duì)谷物造成了二次破壞。在實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn)許多糧廠已安裝水分在線測(cè)量系統(tǒng)，但實(shí)際使用過程中存在谷物二次破壞、測(cè)量精度達(dá)不到要求等問題。

為解決上述問題，研究擬設(shè)計(jì)一種烘干機(jī)內(nèi)部谷物水分實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，將平行極板型電容傳感器直接安裝于烘干機(jī)內(nèi)部，不會(huì)對(duì)谷物造成二次破壞，以期為企業(yè)實(shí)現(xiàn)谷物水分快速檢測(cè)的工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32F103RBT6單片機(jī)為處理芯片，將設(shè)計(jì)的平行極板電容傳感器直接安裝在烘干機(jī)內(nèi)部，收集由谷物水分引起的電容變化[8]，電容變化經(jīng)振蕩器電路轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率變化，再經(jīng)濾波處理后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算后通過RS485傳輸至上位機(jī)顯示[9]系統(tǒng)設(shè)計(jì)，總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)原理 平行極板式電容傳感器由三塊絕緣材質(zhì)制成的極板平行安裝而成，可以很好地提高靈敏度并降低非線性[10]。平行極板安裝于烘干機(jī)內(nèi)部，與糧食流通方向平行，平行板中間區(qū)域?yàn)榧Z食通過區(qū)域，糧食在烘干的同時(shí)填充平行極板，由于不同水分含量的谷物相對(duì)介電常數(shù)(εr)不同(取值區(qū)間[2，80])[11]，可以實(shí)時(shí)得到極板間變化的電容值，其3D模型如圖2所示。

圖2 電容傳感器實(shí)物圖

按式(1)計(jì)算極板間變化的電容值[12]：

(1)

式中：

C——極板間電容值；

ε0——真空介電常數(shù)；

εr——板間相對(duì)介電常數(shù)；

D——平行極板的間距，m；

A——糧食流通極板的寬度(A≈D),m；

S——極板的面積，m2。

1.2.2 信號(hào)采集及處理 信號(hào)采集及處理電路見圖3。

圖3 信號(hào)采集及處理電路

電容測(cè)量采用RC震蕩法。振蕩電路以MIC1557芯片為核心，將傳輸進(jìn)來的電容值轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的方波輸出，輸出的頻率為20～130 kHz，經(jīng)濾波、放大等一系列處理后傳輸至單片機(jī)。按式(2)計(jì)算頻率[13]。

f≈1.43/RC，

(2)

式中：

f——MIC557芯片頻率，Hz；

R——MIC557芯片輸入端串接電阻值，Ω；

C——MIC557芯片輸入端接入串接的電容值，F(xiàn)。

經(jīng)過測(cè)試，電容轉(zhuǎn)換電路輸出為低頻小信號(hào)方波，需濾除高頻信號(hào)干擾。濾除過程由集成放大器芯片構(gòu)成的低通濾波器(UPC842G2-E2-A)以及反相器(SN74LVC1G04DBVR)為主體構(gòu)成的電路完成，輸出信號(hào)由STM32單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，處理后的方波如圖4所示。

圖4 處理后的輸出波形

1.2.3 通訊電路 傳感器直接安裝在烘干機(jī)內(nèi)部(垂直距離約為5 m)，而電路板與傳感器需就近安裝，上位機(jī)為方便操作安裝在1.5 m左右的位置。為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)之間遠(yuǎn)距離快速精準(zhǔn)通訊，采用RS485總線通訊，該電路設(shè)計(jì)以SP485EN芯片為核心，通過光耦器件對(duì)電路進(jìn)行隔離，有效避免了總線通訊對(duì)主控系統(tǒng)的影響。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括頻率采樣、計(jì)算和上位機(jī)控制。軟件設(shè)計(jì)以Keil MDK為開發(fā)環(huán)境，用C語言編寫程序。設(shè)置中斷分組，初始化SPI、IIC、UART和EXTI后，設(shè)置延時(shí)20 s控制繼電器吸合，為電容充電；外部中斷函數(shù)初始化，開始進(jìn)行頻率采樣，將采集的頻率值存放于Reg[1]寄存器中，設(shè)置延時(shí)10 s，進(jìn)行4次取值并求平均后進(jìn)行平滑濾波處理，將處理值存放在Reg[2]寄存器，讓Reg[2]乘以一個(gè)數(shù)值，進(jìn)行處理得到真正的頻率值，再進(jìn)行加減運(yùn)算得到修正后的值，經(jīng)過3.1中建立的數(shù)學(xué)模型式(3)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的含水量，收到上位機(jī)的讀命令后將數(shù)值通過UART通信回傳給上位機(jī)，完成一次處理。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)初始化后，通過上位機(jī)操作選擇谷物種類系統(tǒng)開始采集頻率，上位機(jī)操作界面如圖6所示，此時(shí)單片機(jī)由控制板上設(shè)計(jì)的5.5 V超級(jí)電容進(jìn)行供電，最大化隔開無關(guān)信號(hào)的干擾，單片機(jī)將采集到的頻率值通過程序中建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出水分含量后通過RS485通訊至上位機(jī)輸出顯示，完成一次循環(huán)工作。

圖6 上位機(jī)主界面

3 模型建立與試驗(yàn)

3.1 模型建立

為了確立頻率與水分含量對(duì)應(yīng)的關(guān)系，課題組前往江西(湖口縣)、安徽(金寨縣、肥東縣、肥西縣)等地，在當(dāng)?shù)啬臣Z廠的烘干機(jī)內(nèi)部安裝傳感器，在烘干機(jī)烘干秈稻時(shí)記錄下頻率數(shù)據(jù)，同時(shí)通過便攜式量杯進(jìn)行手動(dòng)水分測(cè)量并記錄水分含量。以頻率值為X軸，水分含量為Y軸繪制各地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，見圖7。

圖7 水分含量與頻率值對(duì)應(yīng)函數(shù)圖像

由圖7可知，水分含量與頻率值對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線為單調(diào)曲線，故函數(shù)模型為一元多次函數(shù)。為建立正確的模型，選擇在安徽省肥西縣獲取的數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件的Curve Fitting工具箱進(jìn)行線性擬合(圖8)。當(dāng)函數(shù)模型為一元二次函數(shù)時(shí)，誤差已滿足0.5%的要求，為了不增加單片機(jī)多余的計(jì)算量，最終確定函數(shù)模型為：

圖8 二次函數(shù)擬合模型

(3)

其中a=0.012 37,b=-1.445,c=55.21。

以秈稻為基礎(chǔ)建立模型，將式(3)設(shè)置為系統(tǒng)初始算法，由于各品種谷物介電常數(shù)不同，因此需要建立校正模型，根據(jù)多次試驗(yàn)得到校正模型為：y′=ky+d，其中k、d均為校正參數(shù)，當(dāng)樣品為秈稻時(shí)對(duì)應(yīng)參數(shù)k=1，d=0。其他品種對(duì)應(yīng)的參數(shù)也均通過Keil軟件編寫入主函數(shù)中，通過上位機(jī)選擇不同品種即可改變對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。

3.2 模型測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在合肥市肥西縣某米廠對(duì)收回的燦稻進(jìn)行水分檢測(cè)(同時(shí)手工測(cè)量)。待一輪糧食干燥后，比對(duì)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)濕度值與手工測(cè)量記錄值。由圖9可知，系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)值與人工測(cè)量值變化趨勢(shì)基本一致，且誤差范圍在0.5%以內(nèi)，完全滿足水分監(jiān)測(cè)要求。

圖9 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)圖

4 結(jié)論

建立了谷物水分與電容的函數(shù)模型，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了烘干機(jī)內(nèi)部谷物水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：檢測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值的相對(duì)誤差在0.5%以內(nèi)，顯示延遲不超過0.1 s，且未對(duì)烘干機(jī)內(nèi)部谷物造成二次破壞。因此，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以直接用于烘干過程中的谷物水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不會(huì)對(duì)谷物造成二次破壞，還能大大減輕工作人員勞動(dòng)量，提高工作效率和安全性。為了進(jìn)一步提高儀器的檢測(cè)精度，后續(xù)應(yīng)增加一些屏蔽裝置以增強(qiáng)儀器檢測(cè)抗干擾能力，進(jìn)一步完善系統(tǒng)。