烘干机内部谷物水分实时检测系统_胡勇.pdf

基金项目:国家自然科学基金(编号:);安徽省杰出青年科学基金(编号:J )作者简介:胡勇,男,安徽大学在读硕士研究生.通信作者:江永成(),男,安徽大学副教授,硕士.E m a i l:j i a n g_h u g o a h u e d u c n收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()烘干机内部谷物水分实时检测系统D e s i g no f r e a l t i m ed e t e c t i n gs y s t e mf o rg r a i nm o i s t u r e i nd r y e r胡勇HUY o n g江永成J I ANGY o n g c h e n g(安徽大学电气工程与自动化学院,安徽 合肥 )(S c h o o l o fE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n,A n h u iU n i v e r s i t y,H e f e i,H u n a n ,C h i n a)摘要:目的:减少贮存时因水分含量高引起的谷物霉变.方法:通过在多地进行数据测量确定含水量与检测频率的函数模型,设计一套以S TM 单片机为控制芯片的烘干机内部谷物水分实时监测系统.设计平行极板传感器来检测不同含水量谷物的电容变化值,经由硬件电路将电容值转换为频率值,经过单片机计算后可得到烘干机内部谷物实时水分含量,再利用R S 通讯协议传输至显示屏实时显示.结果:该系统在线监测误差在以内,上位机实时显示水分含量的延迟时间小于s,完全满足工程应用要求.结论:通过实地安装测试,该系统工作效率高,不会对谷物造成二次伤害.关键词:烘干机;谷物水分;实时检测;电容传感器A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T or e d u c eg r a i n m i l d e w c a u s e d b y h i g hw a t e r c o n t e n t i ns t o r a g e M e t h o d s:T h ef u n c t i o nm o d e lo fw a t e rc o n t e n t a n d d e t e c t i o n f r e q u e n c y i s d e t e r m i n e d b y d a t am e a s u r e m e n t i nm u l t i p l es i t e s Ar e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fg r a i nm o i s t u r ev a l u e i nt h ed r y e rw a sd e s i g n e db a s e do nS TM m i c r o c o n t r o l l e r T h r o u g ht h ed e s i g no fp a r a l l e lp l a t es e n s o rt od e t e c tt h ec h a n g ev a l u eo fc a p a c i t a n c eo fg r a i n w i t hd i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n t,t h r o u g ht h eh a r d w a r ec i r c u i tt oc o n v e r tt h ec a p a c i t a n c ev a l u ei n t of r e q u e n c yv a l u e T h r o u g ht h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r c a l c u l a t i o nc a ng e t t h er e a l t i m em o i s t u r ec o n t e n to fg r a i n i n s i d e t h e d r y e r,a n d t h e n t h r o u g hR S c o mm u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nt o t h ed i s p l a ys c r e e nr e a l t i m ed i s p l a y R e s u l t s:T h i so n l i n em o n i t o r i n ge r r o ro f t h es e t i sw i t h i n,a n dt h ed e l a yt i m eo ft h er e a l t i m e m o i s t u r ev a l u ed i s p l a y e d b yt h eu p p e rc o m p u t e r i s l e s s t h a ns,w h i c hf u l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t so f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n C o n c l u s i o n:T h r o u g h t h e f i e l di n s t a l l a t i o nt e s t,t h es y s t e mi se f f i c i e n ta n d w i l ln o tc a u s eas e c o n d a r y i n j u r yt ot h eg r a i n K e y w o r d s:d r y e r;g r a i nm o i s t u r e;r e a l t i m ed e t e c t i o n;c a p a c i t a n c es e n s o r粮食贮存时水分含量高是导致粮食发生霉变的最大因素,在此过程中,对粮食水分的实时监测是关键.国内外对谷物水分检测的研究方法主要集中于电阻法、电容法、核磁共振法、近红外法、蒸馏法等,然而现在的检测仪器存在一些问题:席前等基于电容法设计的藜麦水分快速检测仪,可以实现对藜麦水分的快速、连续检测,但该仪器操作需要从烘干机内部取出烘干样本再进行检测,操作繁琐;王聪等基于电阻法设计的在线电阻式谷物水分监测仪通过智能自动化操作可定期检测谷物水分含量和烘干机内部性能.但需要通过碾压轮碾碎谷物后才能进行测量,对谷物造成了二次破坏.在实地考察中发现许多粮厂已安装水分在线测量系统,但实际使用过程中存在谷物二次破坏、测量精度达不到要求等问题.为解决上述问题,研究拟设计一种烘干机内部谷物水分实时检测系统,将平行极板型电容传感器直接安装于烘干机内部,不会对谷物造成二次破坏,以期为企业实现谷物水分快速检测的工业化应用提供技术支撑.系统总体设计系统设计以S TM F R B T 单片机为处理芯片,将设计的平行极板电容传感器直接安装在烘干机内部,收集由谷物水分引起的电容变化,电容变化经振荡器电路转变为频率变化,再经滤波处理后传输到单片机,单片机进行计算后通过R S 传输至上位机显示系统设计,总体框图如图所示.系统硬件设计设计原理平行极板式电容传感器由三块绝缘材质制成的极板平行安装而成,可以很好地提高灵敏度并降低非线性.平行极板安装于烘干机内部,与粮食流通方向平行,平行板中间区域为粮食通过区域,粮食在烘干的同时填充平行极板,由于不同水分含量的谷物相对介电常数(r)不同(取值区间,),可以实时得到F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|图系统设计总体框图F i g u r eS y s t e md e s i g np r e s i d e n tb l o c kd i a g r a m极板间变化的电容值,其 D模型如图所示.按式()计算极板间变化的电容值:CSDAA/r,()式中:C 极板间电容值;真空介电常数;r 板间相对介电常数;D 平行极板的间距,m;A 粮食流通极板的宽度(AD),m;S 极板的面积,m.信号采集及处理信号采集及处理电路见图.图电容传感器实物图F i g u r eP h y s i c a lp i c t u r eo f c a p a c i t a n c es e n s o r电容测量采用R C震荡法.振荡电路以M I C 芯片为核心,将传输进来的电容值转换成稳定的方波输出,输出的频率为 k H z,经滤波、放大等一系列处理后传输至单片机.按式()计算频率.f/R C,()式中:f M I C 芯片频率,H z;R M I C 芯片输入端串接电阻值,;C M I C 芯片输入端接入串接的电容值,F.图信号采集及处理电路F i g u r eS i g n a l a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i t经过测试,电容转换电路输出为低频小信号方波,需滤除高频信号干扰.滤除过程由集成放大器芯片构成的低 通 滤 波 器(U P C G E A)以 及 反 相 器(S N L V C G D B V R)为主体构成的电路完成,输出信号由S TM 单片机进行计算,处理后的方波如图所示.通讯电路传感器直接安装在烘干机内部(垂直距离约为m),而电路板与传感器需就近安装,上位机为方便操作安装在m左右的位置.为实现上位机与单片机之间远距离快速精准通讯,采用R S 总线通讯,该图处理后的输出波形F i g u r eO u t p u tw a v e f o r ma f t e rp r o c e s s i n g食品装备与智能制造F OO DE QU I PME NT&I NT E L L I G E NT MANU F A C TUR I NG总第 期|年月|电路设计以S P E N芯片为核心,通过光耦器件对电路进行隔离,有效避免了总线通讯对主控系统的影响.系统软件设计系统软件设计包括频率采样、计算和上位机控制.软件设计以K e i lMD K为开发环境,用C语言编写程序.设置中断分组,初始化S P I、I I C、UA R T和E X T I后,设置延时 s控制继电器吸合,为电容充电;外部中断函数初始化,开始进行频率采样,将采集的频率值存放于R e g寄存器中,设置延时 s,进行次取值并求平均后进行平滑滤 波 处 理,将 处 理 值 存 放 在R e g 寄 存 器,让R e g 乘以一个数值,进行处理得到真正的频率值,再进行加减运算得到修正后的值,经过中建立的数学模型式()计算出对应的含水量,收到上位机的读命令后将数值通过UA R T通信回传给上位机,完成一次处理.系统运行流程如图所示.系统初始化后,通过上位机操作选择谷物种类系统开始采集频率,上位机操作界面如图所示,此时单片机由控制板上设计的V超级电容进行供电,最大化隔开无关信号的干扰,单片机将采集到的频率值通过程序中建立的数学模型计算出水分含量后通过R S 通讯至上图系统流程图F i g u r eS y s t e mf l o wc h a r t图上位机主界面F i g u r eM a i n i n t e r f a c eo fu p p e rc o m p u t e r位机输出显示,完成一次循环工作.模型建立与试验模型建立为了确立频率与水分含量对应的关系,课题组前往江西(湖口县)、安徽(金寨县、肥东县、肥西县)等地,在当地某粮厂的烘干机内部安装传感器,在烘干机烘干籼稻时记录下频率数据,同时通过便携式量杯进行手动水分测量并记录水分含量.以频率值为X轴,水分含量为Y轴绘制各地实测数据曲线,见图.图水分含量与频率值对应函数图