原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计.docx

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原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计

原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计

原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计常州工学院毕业设计论文摘要本文介绍了原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计。

根据电阻式棉花水分测定仪原理，利用AT89C51.CC03新型单片机设计了一种棉花水分测定仪。

此芯片片内采用闪烁存储（Flashmemory）制造技术，无须外加EEPROM，并有内置ADC模数转换器；功耗低、可加密、低价格、支持两种可选的省电模式－休眠模式和掉电模式。

该仪器用半导体温度传感器实现了半自动测试、温度自动补偿，具有自动换档功能，语音报警功能，显示采用点阵式液晶片，能显示所测棉花回潮率及相关的提示汉字；棉花压紧机构的运动位置由霍尔传感器自动判断，测量结果的温度补偿由单片机的计算功能实现。

具有测试快捷、数据稳定准确、使用方便等特点。

关键词：

棉花回潮率；单片机；水分测定仪；自动温度补偿；液晶显示ABSTRACTIntroducingtherawcottonhumiditymeasurestheworkprincipleandthehardwaretelephonedesignsoftheinstrument.Accordingtotheresistancemethodcottonhumiditytestprinciple,madeuseofamachineofAT89C51CC03todesignakindofcottonhumiditymeasurementinstrumentTheadoptionscintillationstorage（theFlashmemory）manufacturingtechniqueinsidethischipslab,neednottheinadditionEEPROM,alsoinsideplacetheADCmoldfewtransducer;Theconsumelow,canencrypt,thelowpricespace,supporttwokindsofprovincesofeligibilityelectricitymode-dormancymodeanddroptogiveorgetanelectricshockthemode.Thatinstrumentspreadthefeelingmachinetocarryoutthesemiautomatictest,thetemperatureautowiththetemperatureofsemiconductoroffset,havetheautoshiftgearthefunction,thespeechreportstothepolicethefunction,displayadoptiondotatypeLCDslab,candisplaythecottonmeasuretoreturntothetiderateandrelatedChinesecharactersofprompts;Thecottoncompresstightlythesportlocationoftheinstrumenttobespreadtheautomaticjudgmentofthefeelingmachinebythepressurepickup,measuringthetemperaturecompensationofresulttobecarryoutbythecomputingfunctionofamachine.Havethetestfast,thedatastabilizationisaccurate,usageconvenienceetc.characteristics.Keywords:

cottonmoisturecontent;microcomputer;thehumiditymeasurementinstrument;autotemperaturecompensation;TheLCDmanifestation目录摘要I目录III第一章绪论11.1课题来源11.2课题研究的目的和意义21.3国内外现状21.4论文的主要内容4第二章课题简介及设计要求52.1课题简介52.2设计要求62.2.1总体要求62.2.2性能指标72.3本章小结7第三章仪器硬件设计83.1总体方案设计83.1.1方案设计83.1.2单片机外围电路设计方案93.1.3测温电路设计方案比较103.2各模块设计113.2.1电源设计113.2.2测水电路设计183.2.3测温电路设计193.2.4显示电路设计213.2.5语音电路设计223.2.6单片机外围电路设计263.2.7其它电路及设计273.2.8硬件总图313.3本章小结33第四章硬件电路仿真344.1仿真平台简介344.2仿真结果分析364.3本章小结42第五章结论与展望435.1结论435.2展望43第六章设计心得44参考文献45致谢47附录4853第一章绪论1.1课题来源棉花在收购或买卖时需要根据国家的相关标准测试一些数据，回潮率是其中的一项重要的指标，是影响棉花的品级和棉花加工质量的一个关键参数，也是棉花加工质量监控系统中的一项重要控制参量，对于收购棉花的公司和使用棉花的企业来说都具有重要意义。

GB1103-1999《棉花细绒棉》国家标准将检验分成两部分，即品质检验和公量检验。

品质检验内容包括品级、长度、马克隆值、异性纤维、断裂比强度、短纤维率、棉结的检验；公量检验内容包括含杂率、回潮率、籽棉公定衣分率和成包皮棉公量的检验。

原棉实际回潮率是决定公量计算的关键因素之一，而棉花的品质一般在其生长、加工过程中就已决定，因此在实际工作中，人们往往比较注重回潮率对公量多少的影响，却很少去注意回潮率与品质检验的关系。

但事实上，棉花的回潮率对其品质检验同样有着不可忽视的影响。

回潮率过高，则棉纤维弹性减小，光泽降低，而强力增大；回潮率过低，则棉纤维弹性增大，光泽上升，而强力下降，从而对棉花的正确定级产生误导。

在籽棉水分控制上，GBl103—l999《棉花细绒棉》规定棉花公定回潮率为8.5％，棉花回潮率最高限度为l0.5％。

正常采摘的棉花水分含量一般在l3％左右。

近几年来少量棉农质量意识淡薄，采摘露水花，不晒交售。

露水花的籽和纤维都会含有大量的水分，一般在l3%～l4%左右。

更有一些不法棉贩从棉农手里套购籽棉（占收购数量80%）进行掺水，性质十分恶劣。

掺水籽棉水分在l4%以上，最高的可达20%～30%。

而收购加工企业敞开收购，收购水分标准为l4%，超一扣一仍照收不误，因此造成了部分地区90%以上为超水分籽棉的严重后果。

超水分籽棉对棉花质量的危害在于棉花收购、加工、储存各个环节，对皮棉质量造成相当大的影响。

从籽棉收购环节看，收购的超水分籽棉成堆挤压后，由于微生物的作用，籽棉堆开始发热，温度越高，微生物运动速度越快，有时棉堆内部温度可达70℃～80℃。

棉纤维表皮层是由蜡质、脂肪、果胶、多缩戊糖等物质组成。

这些物质在高温下开始溶解，溶解后的籽棉会出现高热，伴有黏液和发酵后的异常气味。

这种棉纤维遇空气迅速氧化变黄，轧后皮棉最高不超过五级。

当超水籽棉温度达到一定程度后，纤维开始炭化，甚至可引起自燃火灾。

从加工环节看，籽棉如果超过l2%的水分，机械就不能正常运转，特别是轧花机。

当籽棉形成棉卷后，由于籽棉水分过高，高速运转时容易板结而造成停车，不可能形成蓬松棉卷状态，轧后皮棉出现异常形状、无光泽、色呆甚至暗灰。

目前，部分轧花厂具备籽棉烘干条件，但烘干温度过高，同样对纤维有损伤，并会使衣分不正常，增加了短纤、棉结等杂质。

一般来讲，相同等级的正常水分的籽棉和超水分籽棉加工后皮棉质量有一个级的差别。

从储存环节看，由于超水分皮棉经过加压后包内密度很大，纤维变异快，贮存一段时间后会形成板结、棉纤维泛黄等质量变异，严重影响皮棉质量和使用价值。

棉花水分测定的标准方法是烘干失重法。

这种方法测量准确，重复性好，但需要天平、烘箱等实验设备，只宜用于实验室使用，不能满足棉花收购现场的使用要求。

近年来，随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，以电测法为代表的棉花水分快速检测技术迅速发展，新型棉花水分快速测定仪器不断问世，但由于受棉花品种、品质的影响仍不够完善，使得我国棉花收购长期存在依靠收棉人员凭感官判定棉花水分含量的问题，无法从根本上保证国家的棉花收购质量。

本课题根据当前市场上的棉花水分测试仪存在不足之处，运用单片机技术进行设计的。

1.2课题研究的目的和意义随着技术的不断革新，新型电子产品不断的问世，市场上现有的棉花水分测定仪显得有些陈旧，不能满足棉检的要求。

本课题研究的原棉水分测定仪是根据GB6102.2-85《电测器法》的有关规定,在保持传统电测器的压力、取样数量、极板面积和上、下层电压参数不变的条件下,采用新型单片机控制（有内置EEPROM及模数转换器）,选用CMOS集成电路,用液晶显示代替指针式仪表,用半导体温度传感器代替热敏电阻,用快速推拉式机构（霍尔传感器自动判断压力到位）代替传统螺旋式压力器等,实现了快速测试、温度自动补偿、数码显示、语音提示换档和显示测试结果等功能。

棉花水分是指棉纤维中含有的水分子。

棉花含水量的多少影响棉花的真实重量和棉纤维的物理、化学性能，对棉花生产、收购、初加工、运输储存及纺织使用等方面，都有密切的关系，因此,原棉水分测定是棉花检验的一个重要环节,但原棉水分受环境影响大,测试结果随机性强,因此,选择性能稳定、环境适应性强、测量准确、使用方便的测量仪器,对严格收购标准,确保棉检部门的权威性和公正性具有重要意义。

1.3国内外现状1991年，人们对电阻式水分仪的测试方法开始进行考证，目的是为了提高这种测试仪的测试准确度。

通过这项研究，又派生出了一种新型的电阻式水分测试仪，这种新型的水分测试仪的测量精度至少达到了烘箱式测水法的测量精度。

它的测值准确，并且在分级室的条件下，它使用可靠。

Anthony和Byler先生于1994年对目前所用于扎花厂水分测试的测试系统进行了测试研究，人们寻求一种价格较为便宜的替代品（测试仪）----复阻抗式水分测试仪，这种型式的测试元件可用于水分自动控制系统。

1995年一种电池供电便携式水分测试仪研究出厂并且经过了测试值校正和检验。

这种仪器功耗比较低，主要用于自动化测试室或扎花厂，但是它没有配置显示装置，只能将测得的数据传输到另一台计算机上去贮存和显示。

2002年7月，诞生了基于电阻测量原理的新型棉花水分在线自动测量仪。

2004年，研制出了MWS型原棉水分测定仪。

目前，电阻式水分测试仪已经用于扎花厂、棉花收购、棉检部门多年。

国内最常见的测试方法有两种:

烘箱法和直流电阻法。

利用烘箱法测定棉花回潮率的基本方法是通过电热丝加热,将烘箱内空气温度升高至一定值,使箱内的水分蒸发于热空气中。

烘箱内热空气中水分含量不断增加,并通过排气装置将湿热空气排出箱外,为棉花内所含水分不断蒸发散失创造条件。

由于棉花内水分不断蒸发散失,重量不断减少,当重量烘干不变时,即为棉花的干重。

根据国际标准规定,烘箱应使用通风烘箱,供给预干燥空气（水分含量小于0.01g/cm3）,烘箱内的气流速率为4min内至少为箱内体积的1倍。

国内的烘箱主要为Y802型和Y802A型两种,Y802型恒温烘箱是对流式通风箱,通风良好,缺点是箱内温度差异较大,在称重时有气流影响,但基本上满足通风的要求。

Y802A型恒温烘箱是半封闭式烘箱,烘箱内用一个风扇推动空气在箱内流动,箱内外通风不良,不能换气,试样中蒸发的水分大部分留在烘箱内,不能散发,所以箱内湿气的相对温度偏高,测得回潮率偏低。

烘箱法测量棉纤维回潮率的实验步骤主要有以下几步:

1、校正链条天平,调节接触湿度计的接触点在规定范围。

开启烘箱电源总开关,供烘箱内加热。

2、取一个干净的称量瓶及一定棉花（约2g）,将棉花装入称量瓶中,在天平托盘上称量,并记下数据。

称取时动作必须敏捷,以防止试样在空气中吸湿或放湿。

3、将装有棉花的称量瓶瓶盖打开,迅速放入烘箱中烘烤,烘箱温度大约为105℃±2℃。

4、半小时后,盖上称量瓶瓶盖并将其取出,立即放入干燥器中。

5、待冷却后,将其放在天平托盘上称量,并记下数据。

6、将称量瓶连同棉花再次放入烘箱烘烤半小时后取出并冷却,再次在天平托盘上称量,并记下数据。

若前后两次称得的干重之差与后一次干重之比小于0.05%,则后一次重量即为干燥重量。

7、应用公式：

（其中W为纺织材料的回潮率,G为纺织材料的湿重,G0为纺织材料的干重）,计算棉纤维的回潮率大小。

烘箱法的优点是测试结果稳定、准确、一般不受环境条件的影响。

烘箱法的缺点是“耗能、费时”（功耗2.75kW，每次试验时间至少3小时），故不能满足快速测试和纤维收购部门收购现场测试的需要。

Y412系列原棉水分测试仪采用直流测试技术可实现对原棉回潮率的快速测试，是目前国内应用最为广泛的快速测湿仪。

但是，Y412系列原棉水分测试仪采用直流测试技术且利用表头通过逐台仪器进行标定来确定回潮率显示刻度，存在如下几个缺陷:

1、由于每台仪器出厂前均需经过标定，当仪器使用一段时间后，必须经常利用烘箱法对仪器进行校正，否则其误差将不可预测。

2、互换性差，Y412系列原棉水分测试仪只能用于棉花的含水率测试，不能用于其它纤维的含水率测试。

对于以上缺陷可利用单片机及其数据处理功能加以解决。

国家标准GB6102.2—85《原棉回潮率试验方法电测器法》对电测法所用的电测器的技术条件作了如下规定：

1、测量电压：

360±5V；2、极板压力：

75±5kg；3、极板面积：

235×100；4、表头刻度：

分度为0.1%，用棉花电阻校验箱校验时，表头指针偏差不大于±0.05%；5、棉花电阻校验箱：

1MΩ以上，阻值误差不大于±1%，1MΩ以下，阻值误差不大于±0.5%；6、压力校验器：

75±5kg；经大量的试验和应用经验表明，下层测水电压为：

45±1.125V。

1.4论文的主要内容本论文研究的是棉花水分测定仪。

此仪器主要包括硬件和软件的研究，其中我承担仪器硬件部分的设计，另外一位同学作软件部分的设计。

在论文的第一章中阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。

第二章阐述了课题的简介，总体设计要求及性能指标。

第三章阐述了仪器的硬件设计：

总体方案的比较、各模块电路的设计及PCB板的生成。

第四章阐述了仿真平台说明及局部电路的仿真。

第五章阐述了设计结论与展望（总结全文）。

最后第六章设计心得。

第二章课题简介及设计要求2.1课题简介本课题主要研究一种新型的采用电测法来快速测量棉花回潮率的仪器。

近年来，随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，以电测法为代表的棉花水分快速检测技术迅速发展，新型棉花水分快速测定仪器不断问世，因此，本次研究的棉花水分测试仪就应该相对于市场上现有的测试仪，有更多的优点。

该仪器采用电阻法测水原理,即不同含水率的棉花导电性能不同,含水率高的电阻小,含水率低的电阻大,且二者之间呈非线性的负相关系,即（其中ρm为质量比电阻,M为含水率,K为常数,n=11.4）,故不能用所测电阻直接求出回潮率,而要以电阻转换的数字信号作为存储器的回潮率数据地址,查表求得对应的回潮率值。

此外,棉花的密度、温度及外加电压对其电阻影响也很大,因此测量时要有温差补偿电路,并固定棉花的密度和外加电压,消除这些因素对测试结果的影响。

回潮率为试样中吸着的水量占试样干燥重量的百分率。

用下式表示：

（1）式中：

W--回潮率；--湿纤维重量（g）；--干纤维重量（g）。

棉纤维的回潮率是指纤维在各种大气环境下自然吸收水分的能力,根据使用目的的不同还可分为标准大气条件回潮率和公定回潮率。

棉纤维在标准大气条件下（温度为20℃±2℃,相对湿度为65%±2%）的回潮率,称为标准大气条件回潮率。

国家为了贸易和成本核算等需要,由国家对各种纤维规定的回潮率,称为公定回潮率。

棉花水分快速测定的影响因数有：

1、棉花的纤维长度；2、棉花的纤维细度；3、棉花的纤维卷曲；4、棉花的纤维成熟度；5、棉花的温度；6、其他因数（棉花的含油率、含糖量、紧实度、陈化及棉花中的不孕种子、棉子、破子等杂质）。

温度补偿规律。

棉纤维中所含的水分是电的导体，水的温度越高，导电性越强。

对于上、下层而言，在温度0～+41℃的范围内，同一水分含量的棉纤维，温度相差1℃时，其回潮率差异为0.1%。

若以26℃为基准温度，被测棉纤维的温度按每升高1℃减少回潮率0.1%，每降低1℃增加回潮率0.1%，以此类推进行补偿。

补偿规律公式如下：

（2）式中：

W—为温度补偿后的回潮率；W‘--为未进行温差补偿的回潮率；K—为温度补偿系数，上、下层为0.1；T—温度值。

表2-1基准温度下相应回潮率的棉花电阻值上层下层回潮率（%）对应电阻值（MΩ）回潮率（%）对应电阻值（MΩ）730.85130.15087.30140.07193.150150.040101.62110.710120.28在本次研究的仪器中，主要涉及温度、湿度传感器、电子技术、计算机技术、信息处理以及有关棉花专业知识。

在仪器中引入新型单片机，利用其超强的信息处理能力，可大大改善仪器的功能和性能，可以使仪器做到体积小、结构简单、功耗低。

利用单片机的软件来设置测量基准，是避免棉花品种、品质影响的最有效方法。

利用霍尔器件的磁敏特性，通过感应弹簧压紧到位后发出信号让单片机发出开始测量信号，实现了对压紧到位的自动判断。

为提高传感器取样的准确性，研制避免人为因数影响和不均匀因数影响的棉花水分取样传感器。

加强仪器的数据处理能力，利用单片机软件设计来实现采用各种去误差的方法提高水分快速测定的准确性与重复性。

2.2设计要求2.2.1总体要求要求所设计的棉花水分测定仪体积小、性价比好、测试快捷、数据稳定准确、使用方便等特点。

具有自动换档功能、语音报警功能，水分仪显示采用点阵式液晶片，显示所测棉花回潮率及相关的提示汉字。

仪器的测量误差要小于国家标准。

2.2.2性能指标测量水分范围：

7.0～15%u环境温度：

0～41℃测量精度:

±0.5%显示时间：

3秒u显示：

液晶显示温度补偿：

0～41℃u电压：

360V和45V压力器整定压力：

75kg水分仪具有自动换档功能，语音报警功能，能显示所测棉花回潮率及相关的提示汉字。

（其中测量水分范围中，上层为7%～12%，下层为13%～15%）2.3本章小结本章首先介绍了电阻法测水原理，以及棉花回潮率的概念，并给出了回潮率的定义公式；然后对棉花水分测定相关影响因数作了说明，其中详细说明了温度的影响，并给温度补偿规律公式。

最后，文章给出了本次毕业设计的总体要求和性能指标。

第三章仪器硬件设计3.1总体方案设计3.1.1方案设计原棉水分测定是棉花检验的一个重要环节,但原棉水分受环境影响大,测试结果随机性强,因此,选择性能稳定、环境适应性强、测量准确、使用方便的测量仪器,对严格收购标准,确保棉检部门的权威性和公正性具有重要意义。

此原棉水分测定仪是根据GB6102.2-85《电测器法》的有关规定,在保持传统电测器的压力、取样数量、极板面积和各层电压参数不变的条件下,采用单片机控制,选用CMOS集成电路,用数字显示代替指针式仪表,用半导体温度传感器代替热敏电阻,用快速推拉式机构代替传统螺旋式压力器等,实现了快速测试、温度自动补偿、数码显示、语音提示换档和显示测试结果等功能。

测试过程：

将50g的被测棉花放入由2个极板组成的水分传感器中,推动压力器,带动活动极板移动压缩被测棉花,当极板到指示位置（即压力为75kg）时,通过霍尔传感器电源开关自动接通,9V干电池经直流电压变换器生成上、下层测试电压；水分传感器将棉花水分转换成取样电阻RQY的电压信号,经测水电路放大后输出，再经A/D转换后送入单片机寄存；温度传感器将温差信号转换成电信号,经测温电路放大,A/D转换后送入单片机寄存,单片机将2个信号运算处理后，送LCD液晶显示器上显示出来。

如果超出测量范围，单片机还会发出信号，使语音芯片发出语音报警。

系统CPU选择ATMEL公司的C51系列单片机AT89C51。

CC03,此芯片片内采用闪烁存储（Flashmemory）制造技术，无须外加片外存储器，并有内置ADC模数转换器；并且具有功耗低、可加密、低价格、支持两种可选的省电模式－休眠模式和掉电模式。

因此，是一款性价比较高的CPU芯片。

硬件电路按照模块化设计方法设计,其中包括脉冲电源倍压电路、单片机硬件电路、上下层测水电路、温度补偿电路、语音电路、显示电路及欠电压检测电路等。

总体硬件框图如图3-1：

图3-1总体硬件框图3.1.2单片机外围电路设计方案在现有的棉花水分测定仪中，单片机外围电路设计大同小异。

单片机基本采用8051或AT89C55。

虽然这些单片机功耗低，有些芯片片内采用闪烁存储（Flashmemory）制造技术，并且具有功耗低、可加密、低价格、支持两种可选的省电模式－休眠模式和掉电模式。

但是在使用这些单片机设计电路的时候都需要外接一块EEPROM芯片，以存取测量数据用；而且在将棉花水分测量及温度测量的模拟数据转换为数字量的时候，需要在单片机外面接一块模数转换芯片，这样就大大增加了PCB板的印刷面积，而且元件的数量也相应增加了，给芯片之间的连接带来了麻烦。

现有仪器中的单片机部分，如图3-2：

图3-2单片机内无EEPROM及ADC在本次设计中单片机选用ATMEL公司的AT89C51.CC03，芯片具有普通单片机的存储器，有256个字节的随机存取数据存储器（RAM）,有2048个字节的ERAM,64K的Flash程序存储器，2KFlash启动载入程序（Bootloader）存储器，2K字节的EEPROM；并且具有内置的10位（也可8位）的模数转换器，P1口为模数输入口。

拥有三个16位定时计数器，全双工UART兼容80C51。

AT89C51.CC03主要是给予对电磁式放射量的减少。

选用此芯片后可使硬件设计的工作量减少，而且芯片的性能更稳定。

（具体设计见3.2.6）ADC的分辨率是指使ADC输出数字量最低位变化1所对应的模拟量输入电压变化值，在此单片机中的ADC的分辨率为5V/210=4.98mV/s,符合转换的使用要