一种轻巧型智能棉花水分检测仪的设计

2022-03-24 09:22:11 | 浏览次数：

摘要

针对目前棉花生产中所使用的电阻式水分检测仪抗干扰能力弱、性能不稳点、体积较大等缺点，设计了一种基于STC89C52RC单片机的轻巧型智能棉花水分检测仪，仪器采用了ZCS1100型精密电容位移传感器，提高了棉花水分检测仪的灵敏度与精准性。通过对信号采集系统的优化处理，使仪器具备性能稳定、智能化和使用方便等特点；通过测试试验，仪器的精度能控制在±0.02%范围内变化，系统具备较好的水分、温度检测功能。

关键词：棉花；水分检测仪；单片机；设计

在新疆的南疆地区，棉花种植面积超过150万公顷，是我国最重要棉花生产基地。然而，棉花在收获、收购、加工、储存等过程中受到多种因素的影响，容易造成棉花水分超标，严重影响棉花的品质。因此，棉花水分检测是棉花各个环节检验的一项重要内容，准确和快速地测量棉花水分直接影响到棉花收购的质量以及后续的存储加工作业。在棉花水分检测机理的研究上，国内外研究成果较多[1]。西北农林科技大学农业自动化实验室针对传统的电阻式棉花水分检测仪器过大、笨重等特点，基于单片机的原理，提出了一种适合于低温环境的智能轻巧型棉花水分检测仪[2]；湖南大学的林敏等利用24位高精度的D/A转换器，提高了水分检测仪的精度至1mg[3]；吕金焕等对棉花水分检测仪实现了微电脑的控制[4]。

目前，在实际生产中大量使用的棉花水分检测仪，仍停留在早期的研制水平，基本上是最开始所研制的电阻式水分检测仪，这种仪器存在着体积较大、携带不方便、操作繁琐、数据显示不直观等缺陷。同时，基于51单片机系统的棉花水分检测仪仍然具有抗干扰能力弱、性能不稳点等特点[5-6]。针对目前实际生产中所使用的电阻式水分检测仪各种缺点，本文以STC89C52单片机为核心，设计一种操作简单、携带方便、抗干扰能力强的轻巧型智能仪器，以满足棉花水分智能检测仪的要求。

1 总体设计方案

根据棉花实际生产中的要求，设计主要采用单片机、温度传感器、水分检测传感器等主要设备组成一种携带方便的轻巧型棉花水分检测仪。水分的检测主要根据电容值随棉花水分的变化原理，进行棉花含水率的非电量转换。具体的棉花水分检测仪的设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

设计框图结合现有的单片机原理与传感技术，主要包括传感器检测电路、单片机控制电路及单片机显示电路。传感器检测电路包括待测电容、参考电容、比较与转换电路、温度传感器等，单片机控制电路包括传感器数据的处理，单片机之间的通信处理，显示电路包括D/A转换及信号显示等。工作时，棉花水分的变化引起了待测电容的变化，与参考电容进行比较后，得出计算值输送至单片机进行数据处理，进行单片机的通信与显示。

2 水分检测原理

棉花的水分是指棉纤维中所含有的水分子，与棉纤维的吸湿性能有关。棉花中含水的多少，通常用含水率或回潮率表示，我国目前与国际通用回潮率表示棉花中含水的多少。回潮率是指棉纤维内所含水分的重量对干棉纤维重量的百分比。它表示将干燥的棉花放到大气中能够吸收多少水分或已吸收了多少水分，是间接反映棉花中所含水分的指标，则棉花的水分计算可按回潮率公式（1）测定：

（1）

式中：W——回潮率，%；

g1——干纤维重量，g；

g0——湿纤维重量，g。

当电容器以棉花为介质时，其电容值随棉花水分的变化而不同，棉花水分检测仪就是利用这一特点来进行棉花含水率的非电量转换。电容器的电容大小与极板间材料的介电常数有关，把被测棉花当作电容的中间介质时，其介电常数取决于棉花中的含水量，通过测量电容的大小就可得到棉花含水量。

3 棉花水分检测仪硬件系统的设计

系统的核心硬件主要包括单片机系统和温、水分检测信号采集系统。信号的处理与显示要求，电容的比较信号与数据显示需要进行多次的D/A和A/D转换，因此，硬件系统选用STC89C52RC单片机系统作为信号的控制与数据的处理。温度传感器选用Gxp系列的微小型温度传感器，型号为DA-02-CX，水分检测电容采用ZCS1100型精密电容位移传感器，ZCS1100型精密电容位移传感器具有响应速度快、灵敏度高等特点，适用于轻巧型应用场合。

3.1 STC89C52RC单片机系统

硬件是该检测仪的主要部分，设计得好坏会直接影响到检测仪的诸多性能。在硬件设计中主要考虑选用一些低功耗和性价比高的电路元件，同时要尽量减少所有的电路，以减小检测仪的体积，也要保证检测仪良好的性能、较小的电耗和低廉的价格等。图2所示为棉花水分检测仪的单片机系统原理图，硬件系统单片机选用STC89C52RC型单片机，单片机的P10-P17口作为检测信号的输入口，P0-P7作为控制端口，P20-P27作为显示与传送数据端口，RESET接复位按键，控制单片机系统的开、关机。

3.2 信号采集系统

图3所示为棉花水分检测仪的湿度、温度信号采集电路与单片机的连接原理图。信号采集处理单元的主要任务就是对各个信号模块采集来的信号进行运算分析，再把运算出来的结果通过RS232通信电路传递给负责显示的单元模块，将分析计算的结果显示在LCD液晶屏上。

本单元模块在单片机应用中，在实时控制系统中，需要把外界连续变化的湿度、湿度变成数字量送入计算机内进行加工处理。反之，也需要将计算机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用单片机控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。系统采用的ADC0809模数转化模块主要任务是将叉指电容通过振荡电路采集转换得来的模拟电压水分信号转化为数字信号发送各单片机进行运算和分析，由于温度信号部分使用的是DS18B20型温度传感器，其最大的优点就在于输出信号为数字信号，不需要再进行模数转化的处理。

图中P22为温度信号，Tout为湿度信号。

图2 STC89C52RC单片机系统原理图

图3 湿度及温度信号采集电路与单片机的连接原理图

4 系统软件设计与系统测试

系统采用MicroWIN 4.0软件进行软件的设计与调试。MicroWIN 4.0软件是一款单片机程序设计软件，具备较好的系统测试功能。

4.1 软件设计

根据检测仪功能要求和系统硬件电路设计，在软件部分的设计中应能完成信号的数据采集、棉花水分显示、按键设定以及开关量的输出等功能。为此，需要在仪器操作面板上设置开机、测量、复位、结束和上传5个功能键，分别实现不同的功能，实现智能检测。

为了方便程序调试和提高软件的可靠性，本检测仪的软件设计采用了模块化程序结构，系统的整个软件包括系统主程序、主监控程序、数据采集与处理子程序、键盘显示管理子程序等。系统主程序是键盘扫描程序，这是一段无限循环的程序，当有键按下时即开始运行，没有键按下时则循环判断。主监控程序主要功能是完成系统初始化、自检、中断管理分配等，通过中断调用其他相应程序。系统的主程序流程图见图4所示。

图4 系统主程序流程图

4.2 系统的测试试验

（1）试验前，先利用MicroWIN 4.0自带的仿真器进行系统仿真调试，确保系统软件的可执行性；仿真调试成功后，再连接硬件对温度传感电路和水分检测电路进行调试。

（2）信号检测电路调试成功后，再进行显示电路的调试，确保仪器的准确度。试验时，准备好湿度值为5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%的棉花样品，在不同的温度下，对仪器进行测试试验，试验结果如表1所示。

表1 棉花水分检测仪测试试验

测试时，与棉花样品水分值比较，棉花水分检测仪的显示数据略有波动，存在一定的误差，但这也是环境变化的原因造成的，不影响仪器的精度；同样，温度检测时，也存在一定的误差，但精度在0.5℃的变化范围，具有较好的效果。

5 结论

针对目前实际生产应用中棉花水分测定仪器笨重、抗干扰能力差等特点，设计了一种基于STC89C52RC单片机的轻巧型智能棉花水分检测仪。仪器采用了Gxp系列的微小型温度传感器， ZCS1100型精密电容位移传感器，提高了棉花水分检测仪的灵敏度与精准性。

（1）通过对信号采集系统的优化处理，使该仪器具备性能稳定、智能化和使用方便等特点。

（2）通过软件系统的设计与测试，实现了操作简单、携带方便、抗干扰能力强的轻巧型智能仪器的设计要求。

（3）通过对棉花水分检测系统的测试试验，仪器的精度能控制在±0.02%范围内变化，温度检测时，存在一定的误差，但精度0.5℃的变化范围，系统具备较好的水分、温度检测功能。

参考文献：